区块链行业发展及应用浅析

哈尔滨工程大学计算机学院2022年区块链技术课程

2017060115田佳慧

前言

        区块链作为近年来火爆的创新概念，吸引了不少政策和计算机行业的关注与投资，在区块链上建立一个去中心化的分布式数据库进行数据共享成为一时的潮流。但热潮褪去，区块链行业已经不被视为开创性领域，相关投资与应用也回归了理性。目前，区块链行业期待突破性的技术解决区块链性能瓶颈，使得区块链能更好地与热门的成熟技术相结合。

区块链行业发展历史

1976年，Bailey W. Diffie、Martin E. Hellman两位密码学的大师发表了论文《密码学的新方向》，论文覆盖了未来几十年密码学所有的新的进展领域，包括非对称加密、椭圆曲线算法、哈希等一些手段，奠定了迄今为止整个密码学的发展方向，也对区块链的技术和比特币的诞生起到决定性作用。

1977年，著名的RSA算法诞生。

1980年，Merkle Ralf提出了Merkle-Tree这种数据结构和相应的算法。

1991年，计算机科学家Stuart Haber和W. Scott Stornetta提出了区块链这一概念，他们介绍了一种方案，用于在数字文档上加盖时间戳，防止文档被篡改。他们开发了一个系统，使用加密的安全区块链来存储有时间戳的文档。

1992年，Merkle树被纳入到区块链的设计中，大大提高了区块链的效率。Merkle树被用来创建一个“安全的区块链”，它存储了一系列数据记录，每条数据记录都与前一条数据记录相连。这个链中的最新记录包含了整个链的历史。然而，这项技术当时没有被大规模应用，专利在2004年失效。

2004年，计算机科学家Hal Finney推出了一个名为“可重用工作量证明”(RPoW)的系统，作为数字现金的原型。这是加密货币历史上一个重要一步。RPoW系统通过接收不可交换或不可替换的基于Hashcash的工作令牌证明来工作，从而创建一个rsa签名的令牌，该令牌可以进一步在人与人之间传输。

2008年31日，中本聪发表《比特币：一种点对点的电子现金系统》，首次提出比特币。比特币的目标是建立一个基于密码学原理，使得支付可以无需第三方担保进行的电子支付系统。随后在2009年1月挖出了比特币创始区块，标志着区块链最著名的应用——比特币正式诞生，比特币系统开始正式运行，区块链技术正式开始对社会产生影响。区块链1.0货币时代正式开始。

在2013年，比特币发布了0.8版本，对比特币进行了大幅完善与优化，支持全球大规模交易，成为真正的电子货币。2013年内，比特币陆续得到多个国家的合法性认证，价格暴涨100倍，比特币与区块链开始为大众所知。

Vitalik Buterin在2013年11月创立了以太坊项目。

2014年4月，Gavin Wood发布了以太坊黄皮书，这是以太坊的技术圣经，将以太坊虚拟机（EVM）等重要技术规格化。

2015年7月以太坊发布第一个正式版本。以太坊具有图灵完备性，计算功能没有边界，可以实现运行于区块链上的计算机程序（智能合约）的透明可追溯，公正且具有超强执行力。区块链进入2.0可编程时代。

2017年3月1日， 企业以太坊联盟（Enterprise Ethereum Alliance，EEA）宣布成立，其称旨在创建一个企业级区块链解决方案，共同开发产业标准。

2019年，以太坊项目进行君士坦丁堡硬分叉，这是一个刺激以太坊网络改变其核心共识机制算法的代码，这一段代码启动之后以太坊便会面临所谓的“冰河时代”，在该网络上的创建新区块的难度将会不断提升，最终减慢到完全停止。在该硬分叉升级之后，以太坊区块链的状态将“永久性”的改变。

如今区块链在全社会各领域广泛应用于数据共享和智能管理，应用领域范围不断扩大，应用职能不断深化，技术快速发展，区块链进入3.0智能物联时代。

区块链应用的优势

        区块链最初是作为电子支付系统进行建设的，目的是建设一个无需担保不被 *** 纵的电子货币体系。在区块链发展为可编程区块链后，区块链可追溯不可篡改的特性被广泛应用于金融之外的领域，不仅用于共享价值，更多地用于共享数据。基于隐私保护、安全共享的流程优化，效率提升使得大批项目收益，同时也与最新的前沿技术结合，将透明与安全两个难以相融的属性很好地结合。在近年的应用中，区块链已经成为安全与高效的代名词。

        区块链的优异特性来源于其独特的技术基础：一个基本的区块链起码要有数据层、网络层和共识层。数据层提供独特数据结构保证安全性，采用非对称加密、哈希函数、默克尔树等技术对数据加密，保证数据安全，提供区块链应用的基础；网络层通过P2P网络实现去中心化的核心思想，在BitTorrent网络中，每一个节点既是数据的接受者，也是数据的发送者。目前共识机制主要有PoW、PoS和DPoS共识机制，如果想攻击区块链，就要提供比主链更大的算力，获得的收益远远小于攻击付出的成本，PoW共识机制通过算力竞争保障系统的安全性和去中心性。

行业发展现状
        区块链行业应用基础主要分为数字货币应用与智能合约应用两类。数字货币主要以其受信任度为价值衡量尺度，利好消息基本来源于其受众的扩大。以太坊以外的智能合约开发平台在近年也如雨后春笋般发展，使开发者拥有了更多选择。区块链商业应用经历前两年的火爆现已退潮，创业团队只剩下少数开发出明星产品的团队在尝试开发新产品。主要应用于博彩、收集游戏与各种单一场景应用，缺乏大规模成功应用，主要作为技术解决方案的一部分，提供区块链固有属性的优点累积，为成熟技术提供优化。区块链应用范围狭窄，技术局限性大，节点备份代价大，大规模分布式数据库上链困难，共识效率低，应用困难。

数字货币 ·数字货币市场占比

百度中国趋势

区块链产品中最有名的还是比特币，市场占有率最高。

bitinfocharts数据（6月10日）

根据bitinfocharts数据，交易数目最多的是以太坊。

24小时活跃地址数（6月10日）

看活跃地址数就可以看出比特币的活跃地址比以太坊多。

·数字货币主流产品

·比特币

        比特币是基于比特币脚本引擎的具有非图灵完备性的电子支付系统，只支持有限的智能合约开发，功能局限于金融领域，提供一个公共可见的账本使得每一笔交易可追溯。网络中的每一笔交易必须引用已发生的交易输出产生新的交易输出，保证了交易的可追溯，只需查询随时更新的链状态数据库即可。交易权限采取非对称加密的公私钥获取，私钥加密生成公钥，公钥哈希值作为地址，交易金额被打到对应锁定脚本里，收款人提供私钥签名和公钥解锁即可。同样发送比特币也需要私钥签名解锁脚本。在脚本语言script基础上，开发者可以定义自己的锁定与解锁脚本，以实现特定条件下的的转账，如延时、多重签名等。

        比特币采取工作量证明机制POW产生比特币，实现自给自足，每个区块产生比特币数量随时间减少，到2140年会被全部挖出，具有通缩特性。比特币已被部分国家承认：

        2013年8月，德国宣布承认比特币的法律地位，比特币已被纳入国家监管体系。

        2013年12月，世界上第一台比特币自动取款机在温哥华投入使用。

        2014年6月，日本，执政党自由民主党表示，决定暂时不监管比特币。

        2019年8月，新西兰税务局（IRD）发布公告，称其为合法支付加密货币工资并据此征税

        2021年6月9日，萨尔瓦多成为首个将比特币作为法定货币的国家。

        每个比特币最小单位是聪，一比特币为一百万聪。由于比特币自身上限固定，安全可靠，便携易用，广泛承认的巨大优点，比特币价值总得来说在不断走高。由于其对传统货币的巨大优势以及不俗的认可度，暂时无法被替代。不过由于其难以被监管以及对中心化国家主权造成的威胁，将来未必会维持法定认同度，目前中国政府已采取措施抑制比特币的增长势头，比特币前景不明朗。

·以太坊

        以太坊是基于图灵完备的智能合约并提供以太虚拟机的分布式计算机。共识机制采取POW与POS融合。由于智能合约存储在区块链上，具有自己的账户地址。因此它是“规则公开透明，合约内的规则以及数据对外部可见；所有交易公开可见，不会存在任何虚假或者隐藏的交易”的公开透明程序。智能合约由交易驱动，每一笔发送给智能合约的交易都包含与合约相关的信息，驱动合约代码执行。由于智能合约具有账户，因此它不但可以处理信息，还可以接受、储存和发送价值。其工作示意图如下：

        图灵完备的以太坊智能合约的功能几乎没有边界，这使得其适用范围也几乎没有边界。 鉴于智能合约公平公开易监管不易瘫痪的特性，以智能合约开发的DAPP(去中心化应用)得到了广泛应用。由于区块链只能新增不能删除和修改，且附有强大的共识机制，使得智能合约抗干扰、可追溯的优势更为突出。运行于以太坊上的智能合约代码避免了中心化带来的开销和安全问题，使得DAPP成本低廉、运行高效。智能合约编译后会产生ABI(应用程序二进制接口),描述合约字段名称、字段类型、方法名称、参数名称、参数类型、方法返回值类型等。ABI接口为调用者提供函数属性与参数属性，同时可以与合约地址一起形成合约实例以便调用。EVM(以太坊虚拟机)是一个完全独立的沙盒，合约代码可对外完全隔离并在EVM内部运行。EVM可以将区块链主链与运行环境隔离，方便智能合约的创建与测试。交易被输入EVM后，EVM会确认转账是否有正确的数值，确认签名的有效性以及是否转账nonce符合特定转账数量的nonce。如果有误差，转账会被作为错误返回。之后矿工运行节点会收取固定的gas，数额以交易字节数为单位。在执行交易之前，交易会被转化为合约类型，之后进入解释器执行，执行的每一步均需要收取相应的gas.有了以太坊虚拟机和智能合约，你可以通过简单地点击按键，就可以在全球进行交易，而且还无需任何中介，因此也避免了多余的费用。

        以太坊应用前景广泛，Dapp可以构建去中心化的自治应用，不局限于金融领域，可以与新兴技术相融合发挥区块链可追溯的优点，保证隐私。

        目前已经基于以太坊开发了Dapp大量功能丰富的Dapp.

        KYC链:个人身份钱包，实现身份共识管理。

        card maker:免费的ucg卡牌游戏，内购。

        dappradar：Dapp导航网站。

·狗狗币

        小费文化和表情包使狗狗币获益，流通梗使得狗狗币的亲和力上升，廉价使得狗狗币更易被大众接受，当狗狗币的承认度上升后其价值也随之上涨，使之成为又一个财富神话。狗狗币与其他区块链货币一样基于比特币系统共识机制改进得到的算法。脸书与T台已经接受狗狗币支付，其轻松的属性更加贴合网络社群心理，在替代品出现之前地位不会下降。有比较广泛的应用在支持大量国外网站在接受BTC支付的同时，都支持狗狗币支付；成交量上的一个佐证。在C网上狗币的成交量，自从上线以来，一直都是排在第一位，超过其它所有山寨币包括莱特币的成交量。成交量大，流通性好，是虚拟货币存在的一个重要价值体现。

        狗狗币大量赞助慈善活动，追踪时事热点，将狗币基金自身品牌与慈善和运动绑定，极大地提升了狗币的知名度，扩大其在大众中的接受度。然后在商业中受益，运营理念务实，人气高，是它成功的诀窍。

        狗狗币基于Scrypt算法，交易过程比比特币更加便捷，狗狗币确认时间只要1分钟，比特币要10分钟，而且狗狗的数量更多，价格低廉，转账迅速，适合网络打赏等，更方便大众的心理需求.使得更方便平民化的发展。

智能合约开发平台主流产品

·以太坊

        以太坊一直是智能合约开发的首选，其强大的智能合约机制赋于Dapp无限可能。但其效率、安全问题仍待解决，生成的代码可追踪性略低，有很大风险会暴露漏洞。以太坊现已升级为ETH2.0，ETH2.0主要用于新的股权证明共识系统的测试网络。

·根链RSK

        根链也是一个区块链产品，本质上是由一堆计算设备组建成的一个点对点的分布式计算网络，这个计算网络通过某种算法和数据结构连续产生一个一个叫区块的数据，而且这些区块会不停地产生。这和比特币一样，以太坊也是这么一个网络。从功能上看，根链从功能上更加贴近以太坊，其实是高度重合。根链致力于构建一个类似EVM的RVM。根币实质上是比特币，所以根链燃料为比特币。

        根链利用现有的比特币矿工来构建一个分布式计算网络的基础。参与联合挖矿的矿工挖到根链区块获得的奖励其实就是比特币。根链区块是不产生区块奖励的，只有里面的交易费是矿工的收益。根链挖矿使用和比特币区块链联合挖矿把比特币转到根链上。根链交易速度快，容量大，手续费低。

·EOS

        EOS使用WASM(web汇编代码）快速执行合约。无交易费用。智能合约语言使用C++，增加了编程的灵活性。EOS.IO应用对用户动作的响应，是围绕事件/动作处理器设计的。例如，如果用户需要将代币转账给另一个用户，那么该事件可能会被发送者、接收者或者应用本身处理或是拒绝。作为应用开发人员，需要决定用户应采取的行动，以及对于各种行动应调用哪些处理器。

        为了提高交易的速度，EOS做了一系列的优化，其中包括采用DPOS作为共识机制、并行执行、阶段性执行等。由于EOS具有高可扩展性、无交易费用、使用C++作为智能合约语言等特性，因此它被认为是以太坊的一种很好的替代平台。但是EOS仍然没有得到广泛使用，其作为智能合约平台的许多优缺点尚待实践检验。

·Stellar

        SSC（Stellar智能合约）与以太坊智能合约存在很大的差异。SSC并非图灵完备的，它实现为一种多方协定，并由交易强制执行。SSC可使用任何已由Stellar社区提供API的语言编写，包括JavaScript、Python、Golang、PHP等。

区块链单一场景应用

        区块链主要在身份验证、隐私保护与数据存储中进行应用，目前应用范围较小。

        目前主流互联网公司在区块链领域主要提供防伪认识与数据溯源服务，热度不比以往。区块链服务衍生出的往往是基于区块不可修改与交易可追溯的应用，解决信任问题。由于区块链分布式存储的特点导致其消耗的资源大，运行效率低。国内百度阿里腾讯等巨头提供的区块链服务均较为同质化，只解决少量数据的防伪溯源问题，并无重大项目落地。

蚂蚁链官网

        区块链技术流行的重要原因就是其不可篡改的强大力量，去中心化的自治特性与加密算法的隐私保护能力。然而，它也有着相应的问题。

区块链行业亟待解决的问题

        区块链面临的问题主要在于效率问题。区块链是去中心化的，这意味着它是信任大多数人而并非某个外部机构。信任大多数人的代价是必须分别取得大多数人的信任，具体就是将分布存储的记录进行同步。这将消耗大量计算机资源。同时区块链的共识机制如POW工作量证明机制进行大量重复计算，对于区块链本身的运行效率和自然资源的消耗两方面来说都会产生负面的影响。

        效率问题：区块链系统中进行的交易，所有交易记录都需要同步到整个网络的全部节点，使得区块链系统的每秒交易量远远不如中心化交易系统，这也使得区块链面临可扩展性的问题。而在参与交易的节点数量进一步增加的情况下，完成数据验证并同步的开销则会进一步增加，这更加影响区块链系统的性能。

        安全问题：以太坊中处理交易的智能合约是作为一段代码而存在，如果执行出错将导致严重的安全问题。非对称加密算法可能随着量子计算机的发展而被破解。

        将区块链技术与当今热门技术如5g与联邦学习结合，可以取长补短，既能解决区块链技术自身的不足，又可以将热门技术变得更加安全与可靠。5g的快速高效低延迟可以弥补区块链效率上的缺憾，而区块链可以为联邦学习的数据集提供去中心化的加密服务，为本地数据集提供隐私保护。区块链分布式运行可以提高计算效率，为5g提供基站设施，做到处处是基站，简化运营流程，降低5g成本，提高5g效率。同时区块链还可以实现数据的安全共享，加密数据也可以分布式存储，解决了数据安全，同时加快数据传输，大规模数据传输可以从本地解码，实现即时使用。