分布式账本

中生代技术群分享第四十二期
编辑：友强
讲师：黄步添

摘要：区块链是一套可信任的分布式数据库账簿。其通过去中心化的、无需信任积累的信用建立范式，并集体维护一个可靠数据库，形成一种几乎不可能被更改的分布式共享总账。黄步添，云象区块链创始人兼CEO，浙江大学计算机博士，中国从事区块链技术研究的先行者；
IEEE、ACM会员，中国计算机学会会员；2016百人会英才奖候选人之一，西湖区第七届优秀青年科技工作者；已申请的发明专利有20项，涉及领域包括数据挖掘、操作系统虚拟化、区块链技术等。

互联网领域最知名的“预言家”凯文·凯利在《失控》一书中指出，未来世界的趋势是去中心化的。亚当·斯密的“看不见的手”就是对市场去中心化本质的一个很好的概括。点与点之间直线距离最短，人与人之间沟通的最佳模式也应该是直接沟通，无论从哪个方面切入，去中心化的市场本质都是无可辩驳的。
我们可能正面临一场革命的晨曦，这场革命始于一种新的、边缘的互联网经济。世界经济论坛（即达沃斯论坛）创始人克劳斯·施瓦布（Klaus Schwab）说，自蒸汽机、电和计算机发明以来，人们又迎来了第四次工业革命——数字革命，而区块链技术就是第四次工业革命的成果。区块链作为下一代的可信互联网，必将颠覆所有在其之上的业务，让整个基于互联网的企业、生态、产业链彻底做一次变革创新。
马云曾经说过：“很多人还没搞清楚什么是PC 互联网，移动互联网来了，我们还没搞清楚移动互联的时候，大数据时代又来了。”现在，我们是否可以在后面加上一句：“人们还没搞清楚大数据是什么，区块链又来了。”威廉·吉布森曾说过：“未来已经发生，只是尚未流行。”相信区块链技术能够引领未来5 ～ 10 年的计算机和互联网领域的发展，我们已隐约能听见不远的未来，由区块链技术掀起的革命的滚滚风雷。

区块链系统
区块链是一套可信任的分布式数据库账簿。其通过去中心化的、无需信任积累的信用建立范式，并集体维护一个可靠数据库，形成一种几乎不可能被更改的分布式共享总账。
区块链系统是指通过去中心化的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。该技术方案让参与系统中的任意多个节点，把一段时间系统内全部信息交流的数据，通过密码学算法计算和记录到一个数据块block，并且生成该数据块的指纹用于链接chain下个数据块和校验，系统所有参与节点来共同认定记录是否为真。
区块链是一个基于共识打造的对等分布式账簿，包含了一个智能合约与其它辅助技术的系统。在此基础上，可以构建新一代的事务应用，具有核心的可信任、可问责和透明性，同时简化业务流程和法律约束。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。
它被认为是继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后，目前最有潜力触发第五轮颠覆性革命浪潮的核心技术。
《华尔街日报》将其誉为“500”年以来金融领域最重要的创新。
华尔街的清算和结算所——美国证券托管清算公司CEO兼主席Michael Bodson评价它是“一个可以将交易后环境进行现代化的千载难逢的机会”。

现代共识机制的基础于1962年提出。RAND Corporation的一名工程师Paul Baran在论文《论分布式通讯网络》中提出了加密签名的概念。这些数字化签名不久就成为了系统对修改数据或文档的用户进行验证的方法。
二十年后，三名学者发表了一篇关于去中心化系统可靠性问题的论文。在《拜占庭将军问题》中，作者Leslie Lamport、 Robert Shostak、和Marshall Pease提出了一个思维实验：假设有一组将军，各自统领着拜占庭军队的一部分，包围了一个敌军城市。将军之间只能靠信使进行通讯。但为了攻占这个城市，他们必须就作战计划达成一致。
问题在于，一个或多个将军已可能发生叛变，并试图误传信息以破坏作战计划。对此，我们的问题是，这支军队可存在多少已叛变的将军而仍可正常地统一作战？
此情景可与在没有中央机构验证相关资产和交易的情况下的数字化货币、资产托管和价值转移进行直接类比。在分布式账本中，不同的参与者节点就像将军，需确定一个可接受的失效水平：在系统不需要拒绝交易的情况下，可容许多少恶意交易（可容许多少已叛变的将军）？这是因为一定数量的失效可能不会损害系统整体的可靠性。
在这些作者提出的情景中，由于每两个将军由信使联系，我们可以制定一套算法，在肯定三分之二或以上将军是忠诚时，该系统（拜占庭军队）便是可靠的。
对于计算机上的分布式金融交易而言，问题更为复杂；有一段时间，业界甚至认为这个问题是不可解决的。
Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出实用拜占庭容错算法（PBFT），成为该问题的解决方案。PBFT可以最小延迟处理大量的直接点对点（或分布式）信息。这意味着程序员可建立安全和适应性强的私人分布式网络。从1999年起，PBFT已通过多种途径得以实施，并进一步发展成各种技术迭代。
首先在1999年发展起来的是“工作量证明”。工作量证明是指系统用户须重复运行算法以验证系统内其他参与者的交易。到目前为止，该方法仍然是最受业界认可的共识实现方法。
工作量证明系统以去中心化的点对点加密协议来运行区块链。这些系统不设中央机构，但假定“忠诚”节点至少控制系统的大部分计算能力。（至少半数军人受忠诚将军掌控。）这些系统是公开或无需设置权限的系统，即系统内节点不需要知道其他节点的身份。

比特币是工作量证明系统的最知名应用。一个名为中本聪的个人或团队于2008年以一篇名为《比特币：一种点对点电子现金系统》的论文提出了比特币技术。该技术随即作为开源代码被应用，并于2009年1月发布，成为当前最有名的电子货币。比特币技术基于“挖矿”，即参与者电脑验证交易并将其加入公有账本，就此赚取新的比特币。
很多其他方法紧随比特币陆续涌现。
股权证明产生于2012年。此方法旨在创建一个机制，以惩罚那些不遵循共识协议的节点。参与者必须以预设数额的电子资产（比特币）对共识结果下注。如果结果没有实现，恶意节点将损失这些资产。
在股权证明系统中，比特币挖矿要求参与者“下注”，参与者需根据他们已拥有的比特币数量来开采新币或输入新交易。在工作量证明系统中，能否成功挖矿则取决于实际的计算工作。
与工作量证明系统对比，股权证明系统的优势在于其要求更少的计算工作。由于相关计算需要高昂成本，计算量的减少可降低系统成本和准入门槛。参与者拥有越多比特币和更高受控计算能力，开采新区块的可能性就越高。
另一个名为股权委托证明（DPOS）的系统尝试结合股权证明系统和工作量证明系统的特点。DPOS通过所谓“见证人”来执行一个去中心化的投票程序，以防止潜在的网络中心化。
开发者一直致力于提出新的机制以提升比特币应用。2014年，法国企业家FlavienCharlon创建了Coinprism，通过使用名为“彩色币”的开源协议在比特币区块链基础上创造数字化资产，使比特币区块链可用于货币以外的用途。某些大型金融市场企业（如花旗集团和美国纳斯达克）已于2015年开始尝试使用彩色币。
同时出现的还有Metacoin，一种以新层级形式建立于另一种区块链基础上的币种。尽管这些技术拥有各种显而易见的潜力，但将其应用于高度监管的金融机构仍是不可行的，原因如下：

源自比特币及其它基于工作量证明的区块链的安全系统不适用于受监管的金融结算（其激励被扭曲）
结算的法律终局性不足
–\监管风险仍较高。

为寻找能可靠应用于金融机构并被监管者接受的共识机制，开发者将注意力投向不是基于比特币或工作量证明系统的技术方案。于2014年开发的Ripple就是首个有重要影响的新方案。Ripple的代码库基于比特币区块链，但并非使用工作量证明共识。
于2014年开发和发布的RAFT旨在提升早前一个叫Paxos的系统。RAFT应用暂时中心化来执行工作：各节点暂时性地选举一个节点作为领袖，负责验证交易。RAFT的变种系统Tangaroa在2015年面世，其作用是更好地防止恶意攻击和软件错误。
在2015年7月发布的Ethereum是另一个试图将区块链应用扩展至比特币的点对点货币系统之外的尝试。该方案就分布式账本提出了分布式数据计算的智能订约概念，即一个实体可在合同中反映有形产品或金融产品的价值，并使用区块链来分配这些价值。Ethereum进一步促进了传统金融合同与区块链技术的融合。
同在2015年，Coin Sciences发布了MultiChain，这是首个免费提供的现成区块链平台。MultiChain现允许在网络层面发出和跟踪资产，并引入权限管理系统以实现隐私保护、挖矿控制和向特定交易方授权。
2016年2月，Linux Foundation的Hyperledger项目发布了基于模板的PBFT以作为区块链的创建基础。该项目意图通过建立一个跨行业、开放标准的开源开发程序库，使商业用户可建立自定义的分布式账本方案。Hyperledger的模板可自定义特定交易，并通过私有区块链或其他注册表进行记录。

分布式账本技术-横向剖析图
1、行业联盟包括：Hyperledger、Chinaledger、R3CEV、PTDL
2、典型的应用案例：跨境支付、资产确权、贸易结算等
3、共识机制：工作量证明、股权证明、PBFT等
4、平台技术：Linq、Ripple、Corda、Hyperledger、Ethereum等

智能合约的理念可以追溯到1995年，几乎与互联网（world wide web）同时出现。因为比特币打下基础而受到广泛赞誉的密码学家尼克·萨博（Nick Szabo）首次提出了“智能合约”这一术语。从本质上讲，这些自动合约的工作原理类似于其它计算机程序的if-then语句。智能合约只是以这种方式与真实世界的资产进行交互。当一个预先编好的条件被触发时，智能合约执行相应的合同条款。

在区块链领域，智能合约定义如下：一段代码（智能合约），被部署在分享的、复制的账本上，它可以维持自己的状态，控制自己的资产和对接收到的外界信息或者资产进行回应。

Hyperledger是目前全球影响力最大的区块链开源项目。该项目希望能够出现众多区块链网络，使每个网络账本都能执行不同的业务。Hyperledger除了能够实现这种网络独立运行之外，还有一个寻址系统，能够通过一个账本的交易，发现并利用另一账本中的正当交易与智能合约。

会员制服务
负责管理的是网络上的身份识别、隐私与机密。参与者通过注册来获取身份，然后属性授权机构才能发放秘钥来进行交易。
区块链服务
负责管理分布式账本，通过在超文本传输协议2.0建立的点对点协议进行。数据结构经过优化能够有效维护参与者重复的整体状态。
链上代码服务
负责提供安全又轻便的沙盒装载路径，供链上代码执行验证节点。

Ethereum（以太坊）是一个平台和一种编程语言，使开发人员能够建立和发布下一代分布式应用。Ethereum可以用来编程，分散，担保和交易任何事物：投票，域名，金融交易所，众筹，公司管理，合同和大部分的协议，知识产权，还有得益于硬件集成的智能资产。

TheDAO是基于以太坊区块链平台开发的去中心化自治的VC。每个参与众筹的人按照出资数额(以太币),获得相应的DAO 代币(token),具有审查项目和投票表决的权利,其中投票权重与出资额相关。传统风投基金中,投资策略是由经验丰富的基金经理等专业人士制定的;而The DAO 则是基于The DAO 众筹项目的参与者的群体智慧。

北京时间2016年6月17日发生了在区块链历史上留下沉重一笔的攻击事件。由于其编写的智能合约存在着重大缺陷，区块链业界最大的众筹项目TheDAO(被攻击前拥有1亿美元左右资产)遭到攻击, 导致300多万以太币资产被分离出TheDAO资产池。
TheDAO编写的智能合约中有一个splitDAO函数，攻击者通过此函数中的漏洞重复利用自己的DAO资产来不断从TheDAO项目的资产池中分离DAO资产给自己。

BitShares是一种支持包括虚拟货币、法币以及贵金属等有价值实物的开源分布式交易系统。该系统主要能够提供一个去中心化交易所的解决方案。让每个人都成为交易所。BitShares将区块链的创新延伸到实际应用中，包括银行、证劵交易所、博彩、投票、音乐等，通过一个数字公共总账便能够成立相对应的分布式自治公司(DACs)，DACs运作成本远远小于传统中心化的机构，让公司在无需人为管理的情况下，提升现实世界的效率，解放臃肿的组织机构。

BitShares的共识机制如下：
1、股东们可以选举出任意数量的见证人来产生区块，每一个账户都有选举权，其权重是正比于股份数量的，得票最多的N位见证人被选中，N的确定原则是有超过一半的票数认为N对于去中心化是足够的。
2、见证人按一定的规则轮流产生区块，成功产生区块时，他们会获得奖励，而如果在轮值到的时间产生区块失败，就由下一个见证人产生下一个区块，而未能完成任务的见证人不会获得奖励，并且有可能因为表现差而在将来被选掉。

R3CEV是一家总部位于纽约的区块链创业公司，由其发起的R3区块链联盟，至今已吸引了42家巨头银行的参与，其中包括富国银行、美国银行、纽约梅隆银行、花旗银行、德国商业银行、德意志银行、汇丰银行、三菱UFJ金融集团、摩根士丹利、澳大利亚国民银行、加拿大皇家银行、瑞典北欧斯安银行（SEB）、法国兴业银行等。

Corda是一个分布式账本平台，设计从头开始到记录，管理和同步受监管的金融机构之间的金融协议。它是建立在行业标准工具之上，支持多种共识机制并且没有本地货币。
没有多余的全局数据共享：只有有合法需求的参与方可以按照协议获取数据；
Corda编写和配置在企业间流转，无中心控制者；
Corda在企业间单个交易水平达成共识，而不是在系统水平上；
系统设计直接支持监管观察员节点；
交易直接由交易双方验证，而不是由一大群不相干的验证者进行；
支持多种共识机制；
记录了智能合约代码和人类语言法律文件的清晰联系；
用行业标准工具创建；
没有原始加密货币。

区块链可应用在金融服务、医疗健康、IP版权、慈善公益、物联网等领域

特别在金融领域的金融服务、资本市场、支付等场景

金融业务推进顺序如下：
场外业务
场外业务是与分布式账本业务场景契合度最高的业务，也是法律监管环境最容易随着技术进步调整适应的业务。对于已经存在的场外市场，可以尝试在单市场利用分布式账本技术去单独支持个别新推出的业务，也可以联合多市场利用分布式账本技术进行云化整合，在云化整合的场景下注意技术上保障市场间交易信息的有效隔离。
场内业务的交易后业务处理
目前各相关机构（证券公司、交易所、登记结算公司）花在交易后清算结算和对账处理上的时间很长，采用分布式账本技术可以大大缩短这一时间。

业务沙箱
在指定的资本市场业务“特区”内，封闭运行由分布式账本技术支持的场内业务，在鼓励技术创新的同时，审慎观察市场表现，严格控制风险范围，使之不会扩散。
国际化业务
随着世界各国对分布式账本技术认知的不断加深和应用的不断推进，中国的资本市场在今后的对外开放中一旦与境外资本市场对接，使用分布式账本技术促进对接将成为可能的选项。

区块链场景实施的过程，需要分析的重要问题如下：
范围：需要考虑哪些因素。
交易方：哪些实体创建并发布交易？
流程：实施的流程与之前应用相比如何？业务及数据层面的一致意见/?共识如何达成？谁被允许验证交易的有效性？
数据：哪些数据需要分享？与谁？什么时候？哪类资产将被转让？应该在何处储存数据？是否需要验证及公证？
技术：现存的基本技术格局如何？将受到何种影响？基本的技术成本如何？
人员：需要哪些技能及组织变革？

监管：该解决方案是否能够帮助我的企业以更有效的方式满足监管要求？
行业：是否有行业驱动的时间要求重新聚焦当前业务，更快更具信任地处理事务？
业务案例：什么是整体业务案例，包括对事实成本的考虑？投资回报如何？是否有充分的规模效应？
性能/安全：解决方案是否满足我的需要？是否满足了我的安全要求？
交易记录是否需要引发进一步的事件（智能合同）

区块链场景实施的落地方法如下：
解决关注的问题的最简单方法是什么？
分布式账本技术是否是你正在寻求解决的问题的正确的解决方案？你是否甚至需要区块链？如果是，对应的资产类别是什么？处于使用周期的哪一阶段？
你正在寻求解决的具体问题是什么？
使用分布式账本技术的设计假设及目标是什么？
目前的业务状况是否涉及到第三方？

是否了解并信任他们？
是否实施了中央权限？
用例是否可能需要治理控制框架？
使用分布式账本技术的设计假设及目标是什么？
你是否同意交易的不可变记录（共识）？

联盟链；
成员要经过许可认证;
完备的智能合约升级机制；纠错机制；
结合现有法律框架；
私募股权业务处理周期的各个阶段是有其各自的特点，可以认为是不同的业务领域，需求针对不同业务领域DSL定制相应的合约执行环境，以简化合约开发难度，避免差错；

为了保障性能的可扩展性，以及解决数据可见与隐私保护之间的矛盾，我们设计了分层多链的系统架构。这需要底层的区块链平台提供跨链操作，以及跨链事务一致性的保障；

区块链应用的实质是一种发布式协同系统，需要有不同的参与方，具有开放开源的需求，解决方案需要尽可能被所有参与方认可的，所以我们认为区块链底层技术需要有强大的社区共同推进。

传统股权交易系统的一些弊端:
当今的股权交易涉及到以下参与主体：发行人，投资人，中介机构，管理人，监管部门等。为了执行一个完整的交易，各参与主体的交易信息需要实时交互与更新。然而依靠现有的交易系统，各交易系统间实时的信息交互、更新是很难实现的。各主体之间存在一个相互验证的过程，部分逐级的验证过程导致了信息更新的滞后性。有时为了执行一笔特殊的交易，几笔额外的交易操作需要被执行，这使得整个交易过程更加复杂，交易周期更加漫长。这就是市面上所说的“T n”。

应用区块链技术，买卖双方能够通过智能合约直接实现配对，交易执行的效率可大幅度提升，并通过分布式的数字化登记系统，自动实现结算和交割。
股权交易就是公司转让一部分权利给的交易。
通常只有非上市公司才进行股权转让
比如说，把半个公司或百分之几的公司股份让给你，如果你买了你就算是半个老板或是小老板的意思。
或是盈利或上市后都能按股权分红的，通常比二级市场上买卖的股票要更便宜。
常见的股权交易：
一种是按《公司法》、《证券法》等法律法规依法设立并经证券监管部门核准，公开发行募集股份。
另一种是带有定向募集性质的非上市股份有限公司，因企业发展的自身需求，这些非上市公司股权也有通过一定的渠道扩大资本或进行流通转让的要求，而产权交易市场就为此提供了一个重要平台。

区块链有助于人工智能实现契约管理，并提高人工智能的友好性。例如通过区块链对用户访问进行分层注册，让使用者共同设定设备的状态，并根据智能合约做决定，不仅可以防止设备被滥用，还能防止用户受到伤害，可以更好地实现对设备的共同拥有权和共同使用权。通过引入区块链技术，有助于提升人工智能的用户体验及安全可靠性。

根据Gartner预测，2015年全球的物联网设备数量将达到49亿台，2020年将达到250亿台左右。随着物联网中设备数量的增长，如果以传统的中心化网络模式进行管理，将带来巨大的数据中心基础设施建设投入及维护投入。此外，基于中心化的网络模式也会存在安全隐患。区块链的去中心化特性为物联网的自我治理提供了方法，可以帮助物联网中的设备理解彼此，并让物联网中的设备知道不同设备之间的关系，实现对分布式的物联网的去中心化控制。

随着互联网大数据时代的兴起，传统的关系型数据库在应付WEB2.0网站，特别是超大规模和高并发的SNS类型的WEB2.0纯动态网站已经显得力不从心，暴露了很多难以克服的问题，而NoSQL的数据库则由于其本身的特点得到了非常迅速的发展。NoSQL，泛指非关系型的数据库，具有高并发性和可拓展性，它的产生就是为了解决大规模数据集合多重数据种类带来的挑战，尤其是大数据应用难题。
但是构建在这之上的大数据，最大的问题就是无法解决信任问题。因为互联网将使得全球之间的互动越来越紧密，伴随而来的就是巨大的信任鸿沟。目前现有的主流数据库技术架构都是私密且中心化的，在这个架构上是永远无法解决价值转移和互信问题。所以区块链技术将成为下一代数据库架构。通过去中心化技术，将能够在大数据的基础上完成全球互信这个巨大的进步

Q&A

问题1，现在业界特别强调区块链技术的去中心化价值，这似乎与政府和大企业的权利集中是背道而驰的。如何与银行合作？您怎么看？
黄老师：区块链解决的核心问题是多个参与方交互的信任问题，跟银行合作，可以先切入场外业务。
问题2，目前区块链技术用于高并发的业务还比较困难。比如证券交易，股票交易一秒钟上万次交易。您怎么看？
黄老师：云象区块链可以做到1000～3000tps，目前只适合场外业务，相对低频，监管要求不高，股票交易还不适合。
问题3，关于区块链，业界有哪些落地的应用？你们有哪些项目？能介绍一下你们公司和团队吗？
黄老师：业界的应用包括积分兑换、数据存证、互助保险等，云象落地的应用包括积分、产品溯源、数字存证等，云象区块链的介绍可见公司公众号，公众号名称：云象区块链。
问题4，上个十年，是电驴，bittorrent等p2p技术蓬勃发展的十年，区块链技术是不是和p2p技术一脉相承的关系？另外，区块链技术是如何应用merkle tree算法的？
黄老师：区块链技术核心包括共识机制、p2p通信、隐私保护等，p2p技术只是一部分，区块链应用梅克尔树减小数据存储空间。
问题5，区块链用于跨境清算，如何做不同国家货币的转换?
黄老师：跨境支付场景主要要联合多家银行或金融机构组成联盟链，可以替代传统的swift，区块链技术保证安全，无需清结算。
问题6，区块链感觉为信任背书，目前有那些国内官方组织参与？
黄老师：官方组织主要是工信部、央行。
问题7，能解释下区块链去中心是怎么理解的？
黄老师：去中心非完全去中心化，准确的说是非中心化，让多方参与共识，建立可信的分布式账本。