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區塊鏈結構、參與主體及應用展望

發布時間:2020-02-15所屬分類:計算機職稱論文瀏覽:1

摘要:由于區塊鏈具有去中心化、公開透明、記錄不可篡改等諸多特點,有希望大幅降低傳統金融行業基礎設施的成本、風險,滿足理想中的金融行業基礎設施的需要,被認為是將來可能顛覆未來金融業態的重要技術。作為一項創新性技術,目前區塊鏈已成為研究的熱點

  摘要:由于區塊鏈具有去中心化、公開透明、記錄不可篡改等諸多特點,有希望大幅降低傳統金融行業基礎設施的成本、風險,滿足理想中的金融行業基礎設施的需要,被認為是將來可能顛覆未來金融業態的重要技術。作為一項創新性技術,目前區塊鏈已成為研究的熱點,本文總結了區塊鏈的數據結構,分析了區塊鏈的實現模型和應用架構,闡述了區塊鏈的參與主體及其改進方向,對區塊鏈在金融行業應用進行了展望。

區塊鏈結構、參與主體及應用展望

  關鍵詞:區塊鏈數字貨幣去中心化

  區塊鏈(blockchain)最早源于比特幣,是實現比特幣的底層技術。中本聰(2008)發表了一篇名為《比特幣:一種點對點的電子現金系統》的論文,該文詳細描述了“比特幣”這一極具創新性的構想以及實現它的關鍵技術——區塊鏈。比特幣官方網站(www.bitcoin.org)這樣描述區塊鏈:“一是從功能和作用來看,區塊鏈是保存比特幣系統所有交易記錄的公共賬本;二是從技術角度來看,是一種精心設計的存儲交易記錄信息的數據結構,并實現比特幣所有特征的基礎性技術”。通過區塊鏈,比特幣實現了完全去中心化的電子現金系統,使得收款方和付款方能夠直接交易而不需要通過任何中介。比特幣采取了與傳統的中心化支付清算系統完全不同的架構,它能夠在沒有銀行、清算中心等第三方機構參與下完成支付結算過程。在大量的資料中,區塊鏈會被稱為分布式賬本(distributedledgers)。分布式賬本和區塊鏈這兩個術語在概念上有交集,但不是所有分布式賬本都使用區塊鏈技術,本文為描述方便不將區塊鏈和分布式賬本做顯式區分。

  一、區塊鏈的數據結構及其主要優缺點

  (一)區塊鏈的基本數據結構

  區塊鏈包含兩類基礎結構——區塊(block)和交易(transaction),每個區塊(block)都可包含若干個交易(transactions)。如果區塊鏈是賬本,那么交易可以理解為一條一條的記錄。區塊和交易都有保存靜態數據的能力,但交易還具有保存邏輯業務代碼的能力,是區塊鏈可編程性的集中體現,同時也是實現“智能合約”的技術基礎。

  1.區塊鏈的數據結構。區塊鏈主要功能是保存數據信息,圖1是簡化的區塊鏈示意圖,表明所有交易信息記錄于不同區塊鏈中。區塊(Block)是構成區塊鏈的基本單元,它由區塊頭部(BlockHeader)和區塊交易信息(BlockTransaction)兩部分組成。區塊頭部引用了上一個區塊的散列值①,通過散列值值區塊之間形成了引用關系,看起來就好像是一個鏈條。所有的歷史數據都保存在鏈條上。表1是比特幣中實現的區塊鏈格式,并詳細列出了各個字段作用。

  2.交易的數據結構。區塊交易信息部分保存了一個或者多個新產生的交易記錄,每一個交易記錄包含了該筆交易的金額以及交易付款方的款項來源地址和收款方的收款地址信息。表2是比特幣中區塊交易信息部分txns的格式。在tx_out中,有一個ScriptPubKey字段,其中保存了腳本,包含OP_DUP、OP_HASH160、OP_EQUALVERIFY、OP_CHECKSIG等指令,供區塊鏈執行業務邏輯,是實現“智能合約”的結構基礎。在比特幣中,其主要用來檢查、驗證比特幣所有權。

  (二)區塊鏈的主要優點

  1.去中心化的信任。區塊鏈網絡通過算法自我約束,使得任何惡意欺騙系統的行為都會遭到其他節點的排斥和抑制,從而保證交易雙方的信任,因此可以在沒有中央權威機構支撐和信用背書的情況下實現共識或一致,區塊鏈的這種特點顛覆了傳統的中心化的系統架構。

  2.穩定性、可靠性和可用性。區塊鏈是一個分布式架構,不依賴于任何單一節點,這樣的設計使它能夠有效容忍節點故障和網絡攻擊。即使出現大量節點離線、部分節點(計算能力規?偤驼急炔怀^50%)遭受攻擊提供篡改過的交易信息等極端情況,都不會影響區塊鏈的正常運行,其系統容錯能力遠超一般的中心化系統。

  3.公開透明性。區塊鏈技術本身是開源、開放的,任何一筆交易數據信息都會被同步至整個區塊鏈。區塊鏈上所有節點看到的信息都是一致,保證了“我所看到的,就是你所看到的;你的所作所為,我都能看到”,消除了信息的不對稱,本質上是創造了一個可信任的計算環境。

  4.安全性。區塊鏈技術本身基于嚴密的、成熟的密碼學設計,應用了SHA256、RIMPED160散列函數、secp256k1橢圓曲線非對稱加密算法等密碼學工具。一旦新產生的交易信息經過驗證被添加到區塊鏈上,就會被永久存儲起來,除非能夠同時控制區塊鏈網絡中超過51%的計算能力②,否則交易信息將不可篡改。交易信息必須要經過其他節點確認才能生效,在單個節點上對信息的任何篡改都是無效的,會被區塊鏈網絡其它節點排斥和抑制。非對稱加密算法中生成的私鑰是支配區塊鏈上資產的唯一憑證,該私鑰只保存在用戶本地,不在網絡上傳輸,確保了用戶對資產的掌控。

  5.可編程特征。區塊鏈中除了可以保存數據外,還可以保存可編程運行代碼,供區塊鏈網絡的各個節點執行。這使得區塊鏈不僅可以保存數字化資產,還可以用來設計業務邏輯,構建在特定條件下自動觸發執行的智能合約。這種特性為區塊鏈技術應用提供了廣闊的前景。

  6.技術的創新性和先進性。區塊鏈技術第一次運用在比特幣上,實現了真正意義上的可以實際運用的數字貨幣,它以創新性工作量證明機制(PoW)解決了實現數字貨幣的兩個核心問題:“雙花”③問題和“拜占庭將軍”④問題。工作量證明就是比特幣中通常所說的“挖礦”,它通過求解一個需要大量計算的問題(比特幣中是求解一個區塊的特定散列值)來證明參與節點投入了工作量,工作量證明機制求解困難但驗證容易。

  相關期刊推薦:《金融縱橫》(月刊)創刊于1987年,由江蘇省金融學會主辦。雜志依托強勢金融資源,以長三角地區金融業和中產階級為市場主體,定位銀行、證券、保險行業的經營管理者,大中型企業高管人員和金融業VIP貴賓客戶為讀者對象,同時向江蘇的全國人大代表、全國政協委員和省級機關各廳局、各省轄市主要負責同志贈閱。

  (三)區塊鏈的缺點

  1.交易確認效率不高。以比特幣系統為例,由于該系統使用的區塊鏈限制區塊大小為1MB,而且限制了大約每10分鐘生成一個區塊。這導致在單位時間內能夠被確認的交易量不超過7筆/秒,而現代化的、大規模交易系統每秒的處理能力至少是上萬筆。很顯然,這樣的處理能力和速度無法滿足大規模應用中的高頻交易和支付場景。

  2.存儲效率不高。區塊鏈是不“瘦身”的,區塊鏈系統上任何信息的更新都會記錄在鏈上。隨著系統的運行,交易不斷增加,一方面系統存儲空間不斷膨脹(目前區塊鏈副本的大小已達70GB⑤),另一方面每個節點都要保存一份完整的副本,而副本中絕大部分數據是和本節點無關的。這兩方面的問題會影響區塊鏈在手機等移動設備和非寬帶環境中的應用。

  3.工作量證明機制運算量大。比特幣的區塊鏈使用了工作量證明算法來實現共識機制,但該算法通過窮舉的方法求解,需要進行海量的計算,并消耗大量電力,這些運算絕大部分都沒有實際的用途。

  二、區塊鏈的實現模型和應用架構

  (一)區塊鏈技術的實現模型

  區塊鏈技術已成為全球金融創新領域最受關注的話題。區塊鏈的特性能夠改變金融體系間的核心準則:因其安全、透明及不可篡改的特性,金融體系間的信任模式將不再依賴中介者,許多銀行業務都將“去中心化”,實現實時數字化的交易。目前,區塊鏈技術在銀行、證券、保險領域已有一些應用實例,但多數還在驗證測試階段。要使區塊鏈技術真正運用在金融行業,還存在一些問題需要解決,如投資收益問題、行業標準問題、安全性問題、管理問題等。在資本市場,預計未來兩年區塊鏈技術將在小范圍內、有限參與者中間出現早期的應用原型,2至5年內將被市場小范圍采用,5至10年內將出現較大范圍的使用,而區塊鏈技術要在參與者眾多、監管嚴格的應用領域采用,還要經歷更長的時間。

  1.概念驗證階段。概念驗證階段主要是指銀行和公司對區塊鏈技術的使用進行測試,旨在評估區塊鏈技術能否在買方和賣方之間順利進行資產交易,能否減少金融中介并實現金融脫媒,能否在性能、成本、速度、規模分析方面超越現有技術,能否大規模、高效地減少支出。

  2.搭建共享基礎設施平臺階段。遵循金融行業標準的區塊鏈共享基礎設施平臺是區塊鏈底層技術,使參與者專注于開發行業導向的應用程序、平臺和硬件系統,以此來支持交易處理;確保不同區塊鏈應用之間的相互操作性,從而實現參與者在透明、協作的環境中進行開發和管理,以達到區塊鏈技術的最佳發展道路。

  3.資產轉移階段。隨著區塊鏈技術的完善和效率的提高,為了降低經營成本,提高信息的可用率,更多的金融資產將會轉移到區塊鏈上。一方面,來自于監管者、互聯網金融和網絡犯罪壓力使得金融機構亟需更新其老舊的IT系統,而區塊鏈為此提供了契機。另一方面,區塊鏈技術的某些特點對促進業務發展有幫助。比如有的保險公司認為,在交叉檢查個人行為的時候,區塊鏈技術的嚙合記錄(Intermeshingrecords)的作用會非常大。

  (二)區塊鏈技術的應用架構

  1.區塊鏈在TCP/IP模型中的層次。區塊鏈系統一般采用對等式網絡(Peer-to-Peer)來組織散布全球的參與數據驗證和記賬的節點,實現其參與節點的分布式、自治性、開放可自由進出等特性。也就是說,區塊鏈系統的本質是利用全球互聯網這樣一個巨大的基礎設施達到去中心化、去信任化的功能,是基于互聯網TCP/IP四層模型中傳輸層協議的網絡應用(見圖2)。

  2.區塊鏈的層次模型。類似于互聯網應用構建在TCP/IP、HTTP等開放的技術之上,區塊鏈本身也可以按照功能的不同劃分成若干層次,主要包括共享數據層、共享協議層、應用程序編程接口(APIs)和應用程序(Apps),區塊鏈的層次模型如圖3所示。“共享數據層和協議層”類似于互聯網的基礎協議,是開放的且不受個人或企業的控制,而應用是根據需要定制的。圖3區塊鏈的層次模型

  共享數據層包括基礎區塊鏈和覆蓋網絡;A區塊鏈是區塊鏈的基礎數據結構,包括區塊、鏈式結構、哈希算法、時間戳等。“覆蓋網絡”是一個系統,用來擴展和補充基礎區塊鏈沒有的功能。

  共享協議層封裝了區塊鏈系統的組網方式、消息傳播協議和數據驗證機制等要素,也封裝了分布式系統中各節點的共識機制,還封裝了實現全網共識所必要的節點激勵機制。

  應用程序編程接口(APIs)是面向應用程序開發人員的。它向應用程序開發人員提供了訪問區塊鏈數據結構和過程的能力,而且不需要了解共享協議層和共享數據層的實現細節。

  應用程序是面向區塊鏈用戶的。對用戶而言,不需要了解技術細節,可以像使用普通應用程序那樣使用區塊鏈應用程序。

  三、區塊鏈在金融行業的參與主體

  2014年之后,由于風險投資機構和傳統的金融機構的加入,隨著資金和人員方面投入的增加,區塊鏈得到快速發展。研究的重點也從原來的數字貨幣擴大到支付系統、交易平臺、銀行、保險、證券等許多領域,有的研究內容涵蓋金融服務、中間件/服務組件、基礎架構和協議等領域。

  (一)金融機構

  目前,金融機構在推動區塊鏈技術的研究、用例測試、行業標準制定等方面扮演著領導者的角色。這里的金融機構是廣義的范疇,是指從事金融服務業有關的金融中介機構,包括銀行、證券、保險、信托、交易所等。全球領先的金融機構在推動區塊鏈技術應用方面進展迅速,包括花旗銀行、德意志銀行、摩根大通、高盛、匯豐銀行等在內的44家金融機構共同建立了R3聯盟,旨在推動制定適合金融機構使用的區塊鏈技術標準,推動技術落地。除了加入R3聯盟,許多大型銀行也以其它形式在區塊鏈領域開展一系列探索,歸納來看有三種途徑:

  一是商業銀行成立內部的創新實驗室或產品孵化器。如花旗銀行、瑞銀、紐約梅隆銀行等已相繼成立區塊鏈研發實驗室,重點圍繞支付、數字貨幣和結算模式等方面測試區塊鏈的應用,有的還擴大到其員工內部系統中測試。

  二是投資區塊鏈初創公司。2015年以來,許多跨國大型金融集團紛紛以風險投資的形式進入區塊鏈領域,比如高盛聯合其它投資公司向比特幣公司Circle注資5000萬美金,西班牙對外銀行通過旗下子公司以股權創投方式參與了Coinbase的C輪融資等。

  三是與初創公司合作,共同開發用例。例如,巴克萊銀行在技術孵化和加速器項目中與區塊鏈初創公司合作,澳大利亞聯邦銀行和開源軟件Ripple合作組隊,創建了一個在其子公司之間互相支付轉賬的區塊鏈系統等。

  (二)行業聯盟

  最著名的區塊鏈聯盟R3成員包括全球知名的44家⑥銀行、證券、保險機構,中國平安是加入R3的第一家中國公司⑦。R3開發了基于區塊鏈的Corda系統。國內也有金融區塊鏈合作聯盟、中關村區塊鏈聯盟、ChinaLedger聯盟等,主要致力于金融領域區塊鏈的行業應用開發以及制定行業標準和協議。例如,金融區塊鏈聯盟(深圳)成立的主要目的是“整合及協調金融區塊鏈技術研究資源,形成金融區塊鏈技術研究和應用研究的合力與協調機制,提高成員在區塊鏈技術領域的研發能力,探索、研發、實現適用于金融機構的金融聯盟區塊鏈,以及在此基礎之上的應用場景”。

  (三)傳統科技、區塊鏈初創公司

  全球各地的區塊鏈初創公司和知名科技公司都在努力搭建技術本身與其實際應用之間的橋梁。成立于2014年的科技公司DigitalAssetHoldings(DAH)將自己定位為“企業級區塊鏈服務和客戶端API服務”,為客戶提供咨詢和系統集成服務,從可行性研究、商業案例評估到操作模型設計?萍脊綛lockstream是業內第一家旨在擴大比特幣協議層功能的公司,也就是側鏈的擴展機制,研究重點是允許各種創新在一個開放、可互操作的平臺上發生。部分科技巨頭也進入這一領域,如微軟公司在區塊鏈技術上看到了巨大的商機,其Azure公共云平臺為客戶提供“區塊鏈即服務(BaaS,BlockchainasaService)”——基于云端的工具、服務以及基建,幫助客戶開發、測試和部署分布式臺賬。同時,微軟公司還和R3區塊鏈聯盟達成戰略合作協議。英特爾發布了分布式賬本平臺試驗項目“SawtoothLake”,相關代碼已經在GitHub及超級賬本會議上公布。

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