本文根据郜振峰在Umefin专栏《6小时，解码区块链》的直播内容整理，郜振峰老师从 区块链技术的产生背景入手，结合区块链的基本原理和核心技术，深入探讨主流区块链的架构 及应用。让你从底层技术和原理了解区块链价值和应用。

分享人：郜振峰，是清华大学自动化系的博士研究生，同时也是联盟链的核心开发者。

1、数字货币是社会发展和信息技术的必然产物

货币的是人类文明发展过程中非常重大的发明，它重要的职能是价值尺度、流通手段和贮 藏手段等。随着人类社会的发展，货币的形态也发生了多阶段的演化。从一开始的原始社会用 食物来代替货币，然后用金属来打造货币，随之产生代用货币、信用货币以及现在的这个电子 货币，然后进一步诞生的数字货币。货币形态演化过程，反应了货币自身价值依托的演化。一 开始的食物或金属货币，用东西来表示货币体现了货币的实物价值。随着社会的发展及货币形 态的变化，代用货币、信用货币则体现了货币的信用价值。而比特币、以太坊等各种各样的数 字货币，体现了人类或者说大众对于科学技术和信息系统的一种信任价值。

上表直观地展示数字货币跟纸币的对比情况，通过不同属性：便携、防伪、匿名、可交易 性、耗费资源、市场的控制能力以及运作模式等，对比数字货币跟纸币的优劣。

在市场控制方面，纸币拥有不可比较的优势。例如可以通过控制纸币的发行量达到控制通 货膨胀的作用。但是数字货币的市场控制能力是有待进一步观察的，现在还没有一个确切的结 论。而从运作模式而言，数字货币是优势是很明显的，数字货币可以实现去中心化交易，有各 种各样的适用场景可以作为应用拓展。

传统纸币的发行需要有第三方机构的参与，必须要信任第三方机构。比如信任中央银行， 它生产的纸币才会有价值。所以说数字货币是社会发展跟信息技术结合的必然的产物，数字货币的核心就是去中心化的实现。

在现实的生活中，很多的应用场景里很难找到安全可靠的第三方记账机构。有各种各样的 原因：1、汇率变化导致交易双方意见不同；2、网上的匿名双方想直接购买而不通过某个电 子商务平台；3、交易双方彼此不信任，且找不到都认可的第三方担保机构；4、第三方机构 会出现链接故障或者受到篡改攻击。

去中心化数字货币需要解决的难题：1、货币的防伪，怎么进行货币真伪的鉴定？2、货 币的交易，如何确保货币从一方安全的转移到另外一方？3、避免双重支付，如何避免同一份 货币支付给多个接收者？

2、比特币首次实现安全可靠去中心化。

图片中的项目都从一些方面为比特币的成功实现提供了理论或操作层面的基础。

2008年的10月31 日，中本聪提出比特币的设计白皮书，并且在2009年公开最初的实 现代码。首个比特币在09年的1月3日生成。比特币将POW与共识机制联系在一起，首次 实现了安全可靠、去中心化的数字货币加密系统。比特币的意义和价值是不言而喻的，这不只 是体现在它的价格方面。巧妙的设计了一套分布式的账本，基于区块链的结构，提供了安全可 靠、无法被恶意篡改的数字货币账本功能。

比特币的发行总量是通过协议规定，并通过发行速度自动调整，可避免出现通胀或者滞涨的情 况。区块链概念是由比特币或者说数字货币而推动产生的。

3、区块链：挣脱数字货币的枷锁

区块链是由比特币网络架构提炼而来的，是加密算法、数字签名、共识算法、分布式算 法、分布式共识等技术演化到一定程度突破应用阈值后的产物。记账相关的技术对于资产的管 理是十分关键的，而去中心化或者多中心化的分布式账本技术，对当前开放、多元化的商业模 式意义重大。

区块链技术特点：布式容错性、不可篡改性、隐私保护性。如果用区块链作为底层来搭建业务 应用，这些业务应用也会具备如下的一些基本特性：可信任性、降低成本、增强安全性。

1、 区块链的定义

公认的最早关于区块链的描述性文献是中本村的这篇白皮书《Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，但是并没有明确提出区块链的定义和概念，它指明区块链是用于 记录比特币交易账目历史的数据结构。维基百科对于区块链的定义是：一种分布式的数据库技 术，通过维护数据块的链式结构，可以维持持续增长的、不可篡改的数据记录。个人理解是： 区块链是一种解决多方信任问题的分布式的账本技术；去中心化的架构解决了多方互信问题。 这种分布式账本技术为我们各种各样的应用场景提供了底层的架构基础。

2、 区块链的基本原理

区块链三个基本概念：1、交易：一次对账本的操作，导致账本状态的一次改变，比如添 加一笔转账记录。2、区块（block）：记录一定时间内发生的所有交易和状态结果，是对当 前账本状态的一次共识。3、链(chain)：是由很多个区块按照发生的顺序串联而成，是整个账 本状态变化的日志记录。

区块链是一条有效的链式结构，它跟状态机是有点像。相似点：1、每次的交易就是试图 改变一次状态；2、每次共识生成的区块，其实参与者对于区块中导致交易状态改变的结果进 行确认。

上图是区块链结构示例，可以看到，后续区块通过记录前导区块哈希值形成链状结构；新 的数据要加入到一条区块链当中，必须把这条交易放到一个新的区块；而数据块是否合法，可 以通过计算哈希值的方法快速检验。例如，在一条公有链当中任意维护的节点都可以提一个新 的合法区块，但是这个合法区块必须要经过共识机制来对最终选择的区块达成一致，保证网络 的一致性。

3、区块链核心技术

区块链的核心问题是：1、如何生成包含新的交易信息的区块；2、对于新生成的区块， 如何在去中心化的网络架构中得到认可并添加进网络；3、如何保证记录安全性和不可篡改 性。总结出来区块链的核心技术包含两方面：一是共识算法；二是密码学与安全技术。

共识算法不是新的概念，通常所提及的分布式系统一致性问题中，会经常涉及共识算法的 概念。一致性是指分布式系统中多个副本对外呈现的数据的状态，而实践一致性的手段就是通 过共识，共识描述了分布式系统中多个节点间彼此对某个状态达成一致结果的过程。

共识算法

共识算法的问题是：在理想的系统中，网络节点会无故障的运行，节点之间的通信无损失 的到达，并且通过广播进行瞬时投票和应答是可以实现的。所以在理想系统中不需要考虑共识 问题。但是在实际系统中，通常会遇到各种各样的现实情况，比如会出现非拜占庭错误/故障 错误——某些节点因为断电或者其他原因出现故障，但不会伪造信息。另外，会出现拜占庭

错误——系统中可能会存在作恶的节点，这些节点会伪造信息，伪造假的信息来恶意攻击网 络。

常见的共识算法：非拜占庭错误类算法，如Paxos、Raft等，能够容忍不超过一般故障 节点；拜占庭错误类算法，如PBFT等，这类算法一旦大成对某个结果的共识就不可逆转。实 际中根据不同的应用场景在底层使用不同的共识算法，或者创新性地提出一些控制算法，比如 在比特币的架构中提出POW以及在以太坊当中用到POS。

密码学与安全技术

在区块链当中运用到很多密码学和安全技术方面一些非常新的技术。不仅限于如下几点： 哈希算法、数字摘要、加解密算法、消息认证码与数字签名、数字证书以及相关管理与分发体 系。另外在以太网当中存储用到Merkle结构等。

现代密码学和信息安全技术的发展，是迈入信息时代重要技术保障，同时也为区块链底层 的技术，为去区块链不可篡改的安全性提供了保障。

1、区块链的分类

区块链分为公有链、私有链和联盟链三类。

比特币是典型的公有链。公有链是任何人都可以参与使用和维护的，公有链中的信息是完 全公开的。在公有链的基础上引入许可机制，就诞生了私有链和联盟链。私有链是由集中管理 者进行管理限制的架构，只有内部的少数人可以使用，并且信息/接口不对外公开。例如，基 于区块链的银行间对账系统。联盟链是介于公有链私有链之间，由若干组织一起合作维护的一 条区块链。联盟链的使用必须是带有权限的限制访问，并且相关的信息会根据权限的不同受到 保护。例如，超级账本就是一个典型的联盟链场景。

2、比特币：区块链思想的缔造者

比特币它是基于区块链技术的一种数字货币实现，比特币网络是历史上首个经过大规模 场、长时间校验的一个数字货币系统。比特币的底层是一个区块链的网络，它提供了一个公共 可见的记账本，记录发生过的交易的历史信息，从而可以有效的避免重放攻击。它的功能特点 有三点：1、去中心化，任何交易请求都需要大多的参与者形成共识。2、匿名性：账户地址 是匿名的，无法从交易信息关联到具体的个体。3、预防通胀：比特币独有的关于经济学层面

的设计和框架来保证数字货币系统的稳定地运行，并且预防通胀。它的发行通过挖矿计算来进 行，并且每四年产能会进行一个减半。

比特币基本概念：账户/地址。

比特币是采用非对称的加密算法，用户自己保留私钥，并且在发起交易的时候，对自己发 出的交易进行签名，并对外公开公钥/账户地址。账户地址是可以通过一系列的哈希运算计算 出来的，但账户并非直接是公钥，而是Hash后的一个值，这样可以避免过早公开后导致被迫 解除私钥而带来的一系列的损失。

比特币基本概念：交易。

交易是完成比特币功能的核心概念，一条交易通常包含：付款人的地址，付款人对交易的 签名认证、付款资金来源的交易ID；交易的金额、时间戳；收款人的地址、收款人的公钥。

网络中的节点收到交易后会对它进行检查：交易是否已经被处理、是否合法，、输入之和 是否大于输出之和等。这种形式在比特币的底层里是通过UTXO的检查来实现的。比特币当 中一笔合法的交易，需要引用某些已存在交易的UTXO作为交易的输入，并生成新的输出的 过程。

比特币基本概念：区块。

区块也是比特币的一个非常重要的概念。在比特币的一个区块里，通常包含区块的大小信 息、区块头信息、交易个数计数器以及所有交易的具体内容。

比特币的主要创新点

第一，解决了节点作恶的问题。通过经济博弈模型，让合作者得到利益，让非合作者遭受 损失和风险。合作者是遵守规则的，不作恶的维护网络节点。当网络参与者众多的时，而非合 作者作为网络中的节点想要作恶的话，需要付出的代价是大于你的收益的。这种作恶的解决方 式，称之为挖矿。

第二，比特币独有一套负反馈调节机制。简单来说，当矿工系统中矿工越多，也就是维护 比特币的网络节点越多的时候，系统就会越稳定，从而比特币的价值就会越高。但是对于每个 矿工挖到矿，或者说得到比特币奖励的概率就会越来越低。这样会使比特币的价格稳定在一个 合适的值。而对于每个矿工来讲，挖到矿的概率等于收益的预期，所以才有动力来维护这样一 套系统。

第三，独创的POW共识算法。基于概率随时间逐步增强的一个共识算法。

挖矿——POW的体现

挖矿就是POW共识算法的直观体现。挖矿的过程是参与维护比特币网络的节点，通过协 助生成新区块的模式，来获取一定量新增比特币的过程，我们就把它称之为挖矿。挖矿参与者 需要付出大量的时间和算力。

具体的过程就是参与者综合上一个区块的哈希值以及上一个区块之后生成的验证通过的交 易内容，再加上一个随机数X，一起打包到一个候选新区块，使得其哈希值小于比特币网络中 给定的一个数。如果得出了这样一套一个数额，就生成了一个符合要求的区块。算力越大，你 挖到矿的这个概率就越大。简而言之就是说你挖出的区块，被网络所认可的概率就越大。

比特币系统每隔两周会根据上一周的挖矿时间来自动调整挖矿的难度，从而使得生成区块 的时间稳定在十分钟左右。理论上，当个体达到1/3整个网络的算力将会有破坏性风险。但是 这是不太现实的，你需要付出巨大的经济成本。

基于POW的共识机制

基于POW共识机制是通过经济惩罚来限制恶意参与，从而使得作恶成本高。由于这个哈 希难题在目前的计算模型下只能暴力求解，这就保证了一定时间内系统只会出现少数合法的提 案。能提出合法的提案，也证明提案者做了很多哈希运算，也证明了确实付出了一定的工作 量，这也是people for work这个名称的由来。这些合法的提案或者说合法的区块会在网络中 广播，收到节点进行验证后，会在用户认为最长的链的基础上继续计算难题。所以我们可能会 遇到这样的情况，同时某一个或者几个合法区块在网络中广播，这就有可能出现分叉，但最终 会有一条链会成为最常的链，这种最长链原则保证了网络的唯一性。

比特币相关研究热点

第一、侧链。允许资产在比特币区块链和其他区块链之间互转，这是当前非常热门的研究 方向。第二，分叉。比特币的分叉通常分为软分叉和硬分叉，分叉的原因是需要修复漏洞、拓 展功能或者调整区块结构等，要在全网的配合下，对底层进行升级。软分叉是旧的节点仍然能 够验证新的节点所产生交易和区块。硬分叉是通过结构调整旧结点，并不接受升级之后的新节 点产生的交易和区块。另外扩容问题，是区块链每个区块的大小问题。还有比特币相关的监管 与追踪的问题，这也一直是社会所讨论的一个热点。

3、以太坊：智能合约的首秀

以太坊项目最初目标是打造一个智能合约平台，该平台支持图灵完备的应用，按照智能合 约逻辑自动执行，理想的情况下不存在故障停机、审查、欺诈以及第三方干预的问题。用一个

词来概括就是做一个世界性的计算机。以太坊网络是基于比特币网络的核心思想进行了一系列 的拓展，比如比特币网络的脚本是图灵不完备的，只能运行简单脚本——从A到B的账户进 行转账。而以太坊网络支持图灵完备这个智能合约语言，可以基于它开发各种各样去中心化的 应用（DApp）。

以太坊的主要特点 ：首先它是支持图灵完备的智能合约，并且有编程语言Solidity和虚拟机EVM。另外以太 坊独有叔块（uncle block）激励机制，降低了矿池的优势，并减少了区块产生的间隔。简单 说，比如你通过工作量挖出来一个区块，虽然没有得到大家的共识，因为可能在你挖出这个区 块之前有人比你先挖出来并在网络中达成共识，那么你挖出的这块就会被称之为叔块。而在计 算你的收益的时候，叔块会被计算到你的工作当中，这是以太坊独有的叔块激励机制。

以太坊中采用账户系统和世界状态，而并非在比特币的UTXO，可以支持复杂的逻辑。在 以太坊当中，账户系统分为两个类型：第一是用户账户，也就是和比特币类似的，有一个自己 控制的账户私钥，在发起交易的时候需要用私钥做签名；另外一个就是合约账户用来管理合约 的代码，以及响应一些外部对合约的一些调用。

在以太坊中通过guess来限制代码执行的次数，从而避免了循环执行的攻击，保证这个 世界性计算机的运行稳定。在共识算法层面，以太坊支持POW，并计划支持POS。

以太坊的核心创新：智能合约。

以太坊支持通过图灵完备的高级语言（Solidity、Serpent、Viper）来开发智能合约。智 能合约是运行在以太坊虚拟机中的应用，通过接收来自外部的交易请求和事件，通过触发运行 提前编好的这个代码逻辑来触发相应的函数，进一步生成新的交易和事件，或者对其它智能合 约进行调用。智能合约的执行结果可以对以太坊网络上的账本状态进行更新。

相关开发工具

以太坊项目是从15年开始开发的，到现在为止，以太坊社区提供了多种语言实现的客户 端和开发库，支持标准的JSON-RPC 协议。最常见的是基于GO 语言实现的go-ethereum 的独立客户端Geth。另外，服务于编写只能合约和Dapp的IDE，如Truffle、Embark、 Remix等

4、超级账本：企业级的分布式账本

超级账本是一个企业级的分布式账本，这个项目在15年由开源世界的旗舰组织Linux基 金会开头，联合30多家初始企业成员宣布成立的。超级帐本项目的出现，宣布了区块链技术

已经不仅仅被限制在完全开放的公有链模式下，说明区块链技术已经正式被主流企业市场认 可，并在实际中加以应用。

超级账本下面分为8大顶级项目，面对不同的目的和应用场景，有各种各样的项 目:Fabric、Sawtooth、Iroha、Blockchain Explorer、Cello、Indy、Composer、 Burrow。超级账本的设计原则有三方面：1、遵循模块化的设计；2、重视代码可读性；3、 可持续的演化路径。

超级账本Fabric：面向企业的分布式账本

Hyperledger Fabric项目是最早加入到超级账本中的顶级项目，目前包括Fabric、 Fabric CA、Fabric SDK等项目。它的定位是面向企业级的分布式账本平台，或者说是面向 企业级的区块链底层架构。重要的特征是引入了权限管理机制，这是联盟链的应用场景里所独 有的。另外在设计上支持可插拔、可扩展。它是首个面向联盟链场景的一个开源项目，也是目 前为止最成熟的一套联盟链的底层架构。

超级账本Fabric：架构设计

上图是超级账本的架构设计。账本是最核心的结构，记录应用信息，应用则通过发起交易 来向账本中记录数据。交易执行的逻辑通过链码来承载。权限管理则负责整个过程中的访问控 制。这样的层次化结构，提高了架构的可扩展性和可卡插拔性，方便开发者以模块为单位进行 比较敏捷或者快速的开发。

超级账本Fabric：核心设计

超级账本Fabric的核心设计有五个方面：1、节点功能解耦；2、多通道（Channel）特 性；3、共识；4、权限和隐私；5、链码（Chaincode）。

在联盟链的应用场景里，将每个节点的功能进行解耦，网络中每个参与节点的角色，解耦 为四个角色：背书者（Endorser），是指对交易提案进行背书；确认者（Committer），是 指交易最终检查和落盘；排序者（Orderer），用来排序交易来打包生成新的区块；CA，用来 进行证书的管理，它并不参与交易的过程，而是用来实现对这个权限的控制跟管理。

第二个特点是多通道（Channel）特性，不同的通道之间的数据彼此隔离，从而提高安全 性。节点可以加入不同的通道，来实现不同的业务逻辑。

第三个是共识，共识对组成一个区块的所有交易进行一个全方位的验证，包括背书策略、 对读写集（Read-Write set）的MWVV验证，以及访问控制等等。发布与支持排序算法，比 如Solo、Kafka、BFT 。

第四个是权限和隐私，对各层面的权限都进行了控制，比如网络通道中和交易过程等。 Fabric CA基于PKI实行了一套证书的发放和管理体系。

链码是延伸了智能合约的一个概念，链码会对Fabric应用程序发送的交易做出响应，执 行代码逻辑，并与账本进行交互。链码会创建一些状态（state）并写入账本中，链码在 Fabric节点上的隔离沙盒（目前为Docker容器）中执行，通过GRPC 协议与节点交互，发 布以支持多种计算机语言实现的链码，常用的是Golang,Java,Java等

给出了超级账本发pic单片机，用户端再通过CA的授权，可以有权限来访问整个网络， 通过APP/SDK端来发送交易请求，请求到达Orders之后，背书模块就会对请求进行验证， 背书之后的消息会回复到APP/SDK端，然后再把签名（背书过的交易）转发到给Orders。

在一定时间内接受到很多个这种背书过的交易之后，会做排序和大区块的打包，并把新生成的 区块广播到网络中去。Peer接收到交易区块之后，就会对这个交易的结构完整性、签名是否 重复以及版本等做一系列的检、验证。通过后就会根据区块来执行交易，来改变账本的状态。

超级账本Fabric：部署和使用

需要先进行本地编译环境安装，然后获取Docker镜像，启动Fabric网络，最后进行链 码（智能合约）开发和调试。

5、区块链技术的演化过程。

比特币到以太坊再到超级账本的演化过程，揭示了区块链技术从1.0（记账功能）到区块 链2.0（智能合约），再到超级账本（商业应用）的演化过程。它们有不同的应用场景，有不 同的核心功能。以太坊和超级账本都是支持图灵完备的智能合约，它们的核心共识算法会有不 同，根据应用场景会有不同的改进。比特币的核心功能只是记账，比特币的区块链底层只是实 现了数字货币的记账体系。以太坊在它的基础上首次实现智能合约的功能。虽然它是一个非常 稳定的公有链，但是它的性能还存在一定问题。超级账本是联盟链方向的应用，是探索在商业 层、企业级的应用场景里，做出的区块链底层的探索，这是一个循序渐进的过程。

1、应用场景概览

区块链具有分布式容错性、不可篡改性和隐私保护性，以其为架构搭建的商务应用通常会 具有以下特征：可信任性，它是去中心化或者弱中心化的，能够解决多方互信的问题；安全 性，利用区块链不可篡改信息的安全技术，提供了安全可靠的账目管理和结算功能；降低成 本，相比传统技术所需的时间、人力和维护成本，用区块链来做会更少；经济激励，这是最重

要的一点，它底层有一套经济激励模型，用来维持生态的繁荣发展。针对实际应用场景的不同 需求，我利用区块链来的特性来解决不同行业的具体问题。

银行业金融管理

区块链技术被认为有可能促使银行业发生革命变化的基点。许多的金融机构已经进行尝 试，比如中国人民银行投入了区块链的研究，加拿大的银行提出自己的数字货币，日本政府取 消了比特币的消费税。以及中国的邮政银行也将区块链技术应用到核心业务系统，部分机构推 出了基于区块链的新型支付业务，也都是非常有创新的。

证券交易

传统中心化的交易系统和验证系统往往极为复杂和昂贵，而区块链技术可以极大的降低处 理时间，减少人工参与，同时作为去中心化的应用保证了多方的互信。但是目前区块链的性能 尚未满足要求(典型要求每秒一万笔以上)，但随着时时间的发展区块链的性能会逐步提高。典 型的应用是15年10月，美国纳斯达克证券交易所推出了自己的区块链平台（Nasdaq Linq），实现了面向一级市场的股票交易流程。通过该平台进行股票发行的发行者，将享有 “数字化”的股票所有权。

众筹投资

作为去中心化众筹管理代表，DAO曾创下历史最高的融资记录，总融资额超过1.6亿美金。 ICO是一种为加密数字货币/区块链项目筹集资金的常用方式，早期参与者可以从中获得初始 产生的加密数字货币作为回报。ICO在17年9月被政府部门关停。区块链给很多应用场景带 来革命性的创新，但是需要理性的对待，在接纳这门技术的同时，也需要有风险意识，需要符 合相应的管理政策。

征信管理

征信管理是一个非常巨大的潜在市场，也是目前大数据应用领域最有前途的方向之一。目前平 台问题有：数据量不足，相关度较差，时效性不足等。而区块链天然具有无法篡改、不可抵赖 的特性，能够将这些数据在时空中准确的定位，严格关联到用户，从而提高信用评估的准确 率，降低相应的成本。典型的应用是2016年7月，德勤、Stratumn和LemonWay共同推 出了一个为共享经济场景设计的“微保险”概念平台，区块链扮演了可信第三方的角色。

权属管理

区块链技术可以用于产权、版权等所有权的管理和追踪。利用区块链技术，物品的所有权 可以直接写到数据链上，任何人都无法篡改。一旦出现合约中规定的情况，区块链技术将保障 智能合约的准确执行，有效减少人工干预和执行成本。

其他应用

2018年将是区块链应用的元年，结合区块链技术的特点，将会给不同的行业带来革命性 的创新。例如：共享经济、贸易管理、物联网、云存储、医疗行业、通信、社交、投票系统 等。

区块链底层技术的发展趋势有三个方面：安全隐私方面、分布式共识方面、交易性能方 面，其中交易性能方面是当前所有公有链平台所存在的，是比较稳定运行公有链平台的关键。 需要提高吞吐量、降低延时来实现不同程度的商业应用。比如需要提升单个节点的性能，高频 交易放到链外，以及在联盟链场景下，基于一定的信任前提和利益约束来优化设计，从而来提 高交易性能等。

今后区块链的发展趋势，联盟链将会被广泛运用。主要是因为它具有两个特性：1、细粒度的权限控制，在一个商业的应用场景里，有多方组织参与进来，每一个组织，都会有不同的 接入或数据读取的权限，利用联盟链是可以实现这种细粒度的权限控制的。1、商业级应用性 能，另外现在比较稳定运行的公有链的性能是达不到商业级标准的，而联盟链是能够达到商用 级的，能够满足商用的一些需求。我们有理由相信，随着性能的提升，区块链将会被更多地用 于各种各样的业务场景。并且在实际的应用中，针对不同应用场景的具体需求，可以修改相应 的底层架构，搭建不同垂直领域的区块链通用底层架构。