2019区块链白皮书.pdf
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1、 区区 块块 链链 白白 皮皮 书书(2019 年)年)中国信息通信研究院中国信息通信研究院 可信区块链推进计划可信区块链推进计划 2019 年年 10 月月 前前 言言 2019 年 10 月 24 日下午,中共中央政治局就区块链技术发展现状和趋势进行第十八次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调,区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。我们要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口,明确主攻方向,加大投入力度,着力攻克一批关键核心技术,加快推动区块链技术和产业创新发展。区块链开创了一种在不可信的竞争环境中低成本建立信任的新型计算范式和协作模式,凭借其独有的信任建
2、立机制,实现了穿透式监管和信任逐级传递。区块链源于加密数字货币,目前正在向垂直领域延伸,蕴含着巨大的变革潜力,有望成为数字经济信息基础设施的重要组件,正在改变诸多行业的发展图景。为加快推动区块链技术和产业创新发展,中国信息通信研究院于 2018年发起可信区块链推进计划,组织编写了区块链白皮书(2018)。本白皮书是在去年的基础上,结合习总书记中央政治局学习内容及要求,对国内外行业发展状况重新进行了整理分析,阐述了区块链技术近期的演变和发展趋势,梳理了区块链的应用逻辑和落地实践,分析了当前国内外区块链在产业、应用方面的最新形势和发展机遇,剖析了区块链的监管挑战,并提出相应政策建议。目目 录录 一
3、、区块链技术发展现状及趋势一、区块链技术发展现状及趋势.1(一)技术架构现状.1(二)技术发展热点.4 二、区块链产业发展状况二、区块链产业发展状况.8(一)全球区块链产业现状.8 1.赋能领域应用,落地步伐加快.8 2.资本热度下降,企业增速放缓.10 3.技术创新活跃,产业生态初现.14(二)我国产业现状分析.16 1.聚焦数字经济创新,实践特色应用场景.16 2.布局工程技术研发,深度赋能实体经济.21 三、区块链行业应用现状三、区块链行业应用现状.22(一)赋能数字经济模式创新.23(二)金融服务领域成效显著.24(三)产品溯源领域优先起步.26(四)政务民生领域重点探索.28(五)电
4、子存证领域多点铺开.30(六)数字身份领域备受关注.32(七)供应链协同领域渐落地.33 四、区块链面临的监管问题四、区块链面临的监管问题.35(一)分布式共享记录导致相关监管责任主体分散.36(二)智能合约自动强制执行法律有效性仍待商榷.37(三)上链数据难以篡改带来隐私及内容监管风险.39(四)激励机制的数字资产特性引发金融监管问题.41 五、区块链发展的制约因素五、区块链发展的制约因素.42(一)社会认知层面,大众争议与行业疑虑蔓延.42(二)监管环境层面,我国监管需增强政策弹性.43(三)技术应用层面,大规模推广落地尚存难点.43(四)人才培养层面,区块链专业人才相对稀缺.44 六、政
5、策建议六、政策建议.44(一)多方协同推进,加强关键技术研究.44(二)以点带面探索,加速行业应用推进.45(三)近期远期结合,开展审慎包容监管.45 图表目录图表目录 图 1 区块链系统架构图(2018).2 图 2 区块链即服务平台 BaaS 的总体架构.4 图 3 各国政府部门推动区块链项目数量.10 图 4 2018-2019 年国内互联网投融资金额.11 图 5 全球区块链产业投融资金额.11 图 6 美、中、韩、瑞、加五国近年区块链融资金额对比.12 图 7 全球区块链企业增长趋势.13 图 8 全球区块链企业 Top10 国家.13 图 9 全球区块链企业分类.13 图 10 区
6、块链专利全球主要国家申请趋势.14 图 11 全球区块链典型行业组织节点图.16 表 1 互操作性相关技术性能对比.7 表 2 全球区块链专利申请逐年新增地区.15 表 3 我国各地方区块链项目梳理.17 表 4 专栏一:金融服务细分领域典型案例.24 表 5 专栏二:产品溯源细分领域典型案例.26 表 6 专栏三:政务民生细分领域典型案例.28 表 7 专栏四:电子存证细分领域典型案例.31 表 8 专栏五:数字身份领域典型案例.33 表 9 专栏六:供应链协同领域典型案例.34 表 10 区块链技术特征与监管挑战.35 区块链白皮书(2019 年)1 一、一、区块链技术发展现状及趋势 区块
7、链(Blockchain)是一种由多方共同维护,使用密码学保证传输和访问安全,能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术,也称为分布式账本技术(Distributed Ledger Technology)。典型的区块链以块-链结构存储数据。作为一种在不可信的竞争环境中低成本建立信任的新型计算范式和协作模式,区块链凭借其独有的信任建立机制,正在改变诸多行业的应用场景和运行规则,是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一。各类区块链虽然在具体实现上各有不同,但在功能架构存在共性。本章在总结各种区块链系统实现方案的基础上,将区块链的功能架构划分为基础设施、基础组件、账本、共识、智
8、能合约、接口、应用、操作运维和系统管理等模块,同时阐述了区块链即服务(Blockchain as a Service,BaaS)1的架构。(一)技术架构现状(一)技术架构现状 区块链功能架构保持稳定。2018 年,中国信通院发布的区块链白皮书(2018)中给出了一种通用型的区块链系统技术架构,将区块链系统划分为基础设施、基础组件、账本、共识、智能合约、接口、应用、操作运维和系统管理九部分。其中,基础设施层为上层提供物理资源和计算驱动,是区块链系统的基础支持;基础组件层为区块链系统网络提供通信机制、数据库和密码库;账本层负责交易的收 1 区块链即服务(BaaS,Blockchain as a S
9、ervice)是一种帮助用户创建、管理和维护企业级区块链网络及应用,通常作为云服务的区块链设施租用平台。区块链白皮书(2019 年)2 集、打包成块、合法性验证以及将验证通过的区块上链;共识层负责协调保证全网各节点数据记录一致性;智能合约层负责将区块链系统的业务逻辑以代码的形式实现、编译并部署,完成既定规则的条件触发和自动执行;接口层主要用于完成功能模块的封装,为应用层提供简洁的调用方式;系统管理层负责对区块链体系结构中其他部分进行管理;操作运维层负责区块链系统的日常运维工作。2 资料来源:区块链白皮书(2018)图 1 区块链系统架构图(2018)区块链实现技术持续演进。在功能架构保持稳定的
10、同时,不同系统的实现技术出现很多新的变化:账本层:随着区块链系统存储总量的不断增加,区块链存储及节点的可扩展性问题逐渐凸显。对于这一问题的解决方案主要分为两个方向:1)通过弱化区块链的可追溯性来降低单链的存储负担,如归档功能通过删除部分冷数据来减少存储量;2)通过多链融合和跨链互操作实现区块链系统的可扩展,如同构多链和异构多链。其中,多链协同成为主要发展方向。2 上述功能的详细描述见:中国信通院 区块链白皮书(2018)区块链白皮书(2019 年)3 新版架构图在账本层添加了这两类扩展方向。共识层:区块链系统的共识机制在交易吞吐量与共识节点数上同样存在可扩展性问题。解决问题的三种探索方向分别是
11、:1)采用混合共识,通过组合不同共识机制来提升共识效率,如 Ontology;2)采用分片并行共识,将区块链网络进行分片,多个网络分片中的共识机制并行,如 Ethereum2.0;3)采用双层网络构造,分担底层网络共识负载,如闪电网络,Nervos。新版架构图在共识层添加了这三类探索方向。智能合约层:多样性竞争激烈,发展势头猛烈,应用场景也大幅增加。智能合约不再仅仅作为区块链系统的一个技术组件,而是成为了一个日益独立的新技术进行研究和应用。智能合约的治理模式逐渐改善并被业内接受,公平治理成为新趋势。新版架构图在智能合约层添加了这两类发展方向。多种成熟虚拟机和解释器被引入智能合约应用,如 JVM
12、 和Python。运维管理:区块链系统的管理水平逐步提升,运维成熟度显著提高。随着区块链系统中的各个模块不断发展,区块链技术架构的模块化程度也变得越来越高。Devops 的运维理念被引入区块链,多种成熟的运维工具开始被用于区块链。区块链和云管理理念融合而生的区块链服务应用模式大幅提高了区块链的可用性。区块链即服务(BaaS)逐渐成熟。区块链即服务作为一种新的系区块链白皮书(2019 年)4 统交付形态,与原有部署模式相比,在系统扩展性、易用性、安全性、运维管理等方面有很大优势。BaaS 把云计算与区块链结合起来,采用容器、微服务以及可伸缩的分布式云存储技术等创新方案,往往也提供多种不同底层链的
13、技术选项,有助于简化区块链的开发、部署及运维,降低区块链应用门槛,提高应用灵活性。主流云厂商和区块链技术公司在今年纷纷推出了 BaaS 服务。实现上,区块链即服务系统可分为管理平台和运行态两个部分,如图 2 所示,详见可信区块链推进计划区块链即服务平台 BaaS 白皮书。资料来源:可信区块链推进计划区块链即服务平台 BaaS 白皮书,2019 年 1 月 图 2 区块链即服务平台 BaaS 的总体架构(二)技术发展热点(二)技术发展热点 区块链技术仍然处于高速发展阶段,各种创新方案不断涌现,发展热点主要体现在以下几个方面:一是多种技术措施保障区块链安全。在账本数据、密码算法、网络通信、智能合约
14、、硬件等方面采用技术措施保障区块链安全。在账本数据方面,为满足账本数据的一致性和可用性等安全要求,业界普遍采用数据校验、数据容灾备份等技术方区块链白皮书(2019 年)5 案,以保证各节点数据在上链过程中的一致性,及链上数据因系统故障导致丢失损毁后及时恢复,同时国内已有多家区块链技术提供商采用数据归档技术来应对账本数据日益增加带来的挑战。在密码算法方面,随着区块链技术在供应链金融、司法存证、政务数据共享等对数据安全有强需求的领域推广落地,在签名验签、链上数据授权访问等业务流程中,国密加密逐渐成为区块链应用的主流选择;在网络通信方面,节点认证机制、账本隔离技术、数据分片技术等网络准入技术及网络防
15、护不断完善,攻击者利用网络协议漏洞进行日蚀攻击、路由攻击及 DDoS 攻击(分布式拒绝服务攻击)的威胁程度在不断降低;在智能合约方面,智能合约问题主要集中在合约代码漏洞、业务逻辑漏洞,合约运行环境问题及区块链系统自身源码存在的接口漏洞等,随着形式化验证技术更加完善,代码审计手段日益丰富,由合约漏洞导致的安全事件也有所降低;在硬件方面,为平衡安全性与性能之间的矛盾,防止代码运行过程中被篡改,主流硬件供应商在近些年纷纷推出了以可信执行环境(TEE)为代表的硬件安全防护解决方案,目的是为链上数据及运行过程中产生的中间数据提供一个受保护的存储和执行环境的安全策略。例如 Intel 的 SGX,ARM
16、的 TrustZone、RISC-V 的 KeyStone、AMD 的 SME/SEV 等。可信执行环境结合区块链技术,实现了一种可行的速度快、成本低的数据安全防护方案。二是隐私保护手段日趋多样化。在以比特币为代表的区块链系统发展的早期阶段,隐私保护的主要手段通过“假名”来实现用户真实身份的匿名化。但随着区块链技术的深入发展,“假名”的隐私方案区块链白皮书(2019 年)6 已经满足不了现实的需求,诸多公链、联盟链项目在积极探索隐私保护方案。从保护的对象来看,隐私保护手段可以分为三类:一是交易信息的隐私保护,对交易的发送者、交易接受者以及交易金额的隐私保护,有混币、环签名、机密交易(Confi
17、dential Transaction)和Mimblewimble 方案等。二是智能合约的隐私保护,针对合约业务数据的保护方案,包含零知识证明、多方安全计算(MPC)、同态加密等。三是链上数据的隐私保护,主要有账本隔离、私有数据和数据加密授权访问等解决方案。目前,混币、机密交易、零知识证明等方案多出现在公链项目,在供应链金融等对隐私保护有强烈需求的应用场景中,则由以往以数据加密、账本隔离为主的实现方式,逐步出现了基于零知识证明、安全多方计算等隐私保护技术的应用落地。三是互操作性成为应用需求新热点。区块链技术在发展早期聚焦在各个独立链自身的技术创新与生态建设,网络逐渐被拥有特定利益的子群体隔离,
18、当前多链并存的情况下,区块链的互操作性由于可以带来价值自由流动,促进链间协同工作,是区块链向着网络效应规模化发展的强力推手,逐渐成为应用需求的新热点。互操作性技术包括哈希锁定、公证人机制、侧链与中继链等技术。应用场景从双链资产互通逐步过渡到多链间全状态的自由流通,同时中继链这一融合公证人机制与侧链的技术在新型区块链互操作性平台中发挥影响力。虽然当前区块链的网络效应初显,但仍需要技术上针对相关组件进行趋同化设计,如各链统一跨链消息的输入输出口径,构建标准消息格式,设计高效可验证的数据结构等;同时需要提升应用层交互的用户体验;区块链白皮书(2019 年)7 增进链上与链下现实世界互操作性的认知。区
19、块链互操作性目前处于技术发展早期,随着从业者的持续研究,将会加速技术的不断突破,带来应用的不断迭代与创新。表 1 互操作性相关技术性能对比 哈希锁定哈希锁定 公证人机制公证人机制 侧链侧链 中继链中继链 信任模型信任模型 链自身安全 大多数诚实的公证人 链自身安全 大多数诚实的中继链验证人或接入链自身安全 传递消息类别传递消息类别 仅限资产 不限 不限 不限 参与链数量参与链数量 双链 使用中间路由连接实现多链 双链 多链 实现难度实现难度 简单 中等 中等 困难 局限性局限性 场景单一,发起人握有主动权,可挑选时机完成交易套利 依赖第三方公证人集合 有效性验证对区块数据结构有要求 适合拥有绝
20、对一致性共识的链接入 来源:中国信通院 四是链上存储可扩展性需求日益迫切。区块链采用链式累加的方式对增长的数据进行管理,但存储会随着时间推移而不断扩大,并没有上限控制,导致运行全节点需要更多的存储资源,提高了全节点的运行门槛,造成当前全节点数量减少,网络分布式程度降低;同时,存储受限于单节点的存储瓶颈,上层应用业务数据膨胀将会带来巨大的运维成本,数据迁移也将变得十分复杂。因此,链上存储的潜在问区块链白皮书(2019 年)8 题在今年逐渐引起行业重视,为了提高链上存储可扩展性,涌现的解决方案包括第一种方案,即从单点存储转换为多点分布式存储,将存储与计算进行隔离,从而缓解节点压力;第二种方案则为了
21、追求性能和存储可扩展性,降低链上数据可追溯性效率,链动态维护最新状态快照3,而放弃维护不同链高度对应的状态,从而方便链上数据裁剪,链上逻辑主要聚焦在事务性和一致性,有关查询追溯的工作交由链外完成。总之,随着区块链技术的不断发展,链上存储可扩展性需要加强研究,以便支撑业务数据爆发的场景。五是可维护性需求日益受关注。区块链的可维护性,主要体现在越来越多的项目更加重视区块链的自动化运维,通过引入传统互联网的一些成功经验,区块链产品在代码的研发、单元测试、性能测试、自动化部署、自动化运维等方面均与已有的最佳实践结合,大大提高了区块链产品的工程开发效率,不断降低区块链底层链的接入门槛。二、二、区块链产业
22、发展状况(一)全球区块链产业现状(一)全球区块链产业现状 1.赋能领域应用,落地步伐加快 政策方面,各国政府对区块链发展持不同态度。当前,区块链产业在各国发展阶段和发展特色各有不同,鼓励技术与政策监管各有侧重。多数国家重视区块链技术在实体经济中的应用,少数国家对区块链及加密货币持“积极拥抱”的态度,部分国家对加密货币明确了监管 3 快照(Snapshot)是在某个特定时间点记录数据库的各项参数,提供一个瞬时数据的副本。这种方案仅需维护最新的数据状态,大大减少了数据存储的占用。区块链白皮书(2019 年)9 政策。例如,澳大利亚、韩国、德国、荷兰、塞浦路斯、阿联酋、马耳他等国积极发展区块链产业,
23、制定了产业总体发展战略;美国、中国、韩国、英国、澳大利亚及欧盟重视区块链技术研究与应用探索;与此同时,中国及澳大利亚、法国、瑞士、芬兰、列支敦士登等国家已经陆续制定了区块链监管方面的法规。2019 年 9 月 18 日,德国政府审议通过并发布区块链战略。德国政府的区块链战略明确了五大领域的行动措施,包括在金融领域确保稳定并刺激创新;支持技术创新项目与应用实验;制定清晰可靠的投资框架;加强数字行政服务领域的技术应用;传播普及区块链相关信息与知识,加强有关教育培训及合作等方面。应用落地方面,区块链源于加密数字货币,正向多领域延伸。2019年以来,区块链在各领域应用落地的步伐不断加快,正在贸易金融、
24、供应链、社会公共服务、选举、司法存证、税务、物流、医疗健康、农业、能源等多个垂直行业探索应用。截止 2019 年 8 月,由全球各国政府推动的区块链项目数量达 154 项,主要涉及金融业、政府档案、数字资产管理、投票、政府采购、土地认证/不动产登记、医疗健康等领域。其中,荷兰、韩国、美国、英国、澳大利亚等国的政府推动项目数排名前五,在探索区块链技术研发与应用落地方面表现更加积极主动。2019 年 6 月 18 日脸书(Facebook)牵头发布全球数字加密货币项目天秤座(Libra)的白皮书,天秤座(Libra)将作为一种简单、无国界的货币和为数十亿人服务的金融基础设施,为数十亿人提供无国界、
25、低成本、普惠的金融服务。天秤座项目一经宣布就受到了区块链白皮书(2019 年)10 全球各界的关注与讨论,各国监管部门先后发声,显示出区块链技术在重塑全球金融基础设施方面的巨大潜力。数据来源:中国信通院,截至 2019 年 4 月 图 3 各国政府部门推动区块链项目数量 2.资本热度下降,企业增速放缓 投融资层面,区块链产业投融资交易热度下降。2009 年至 2019年 8 月,全球区块链产业累计投融资金额达到 103.69 亿美元。其中,2017、2018 是区块链产业投融资最活跃的时期。进入 2019 年,整个互联网投融资市场活跃度低位运行,2019 年Q2 中国市场互联网投融资总金额 8
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