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区块链白皮书区块链白皮书（2018 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 2018年年9月月 版权声明版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院和可信区块链推进计划，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明本白皮书版权属于中国信息通信研究院和可信区块链推进计划，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院和可信区块链推进计划来源：中国信息通信研究院和可信区块链推进计划”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。前言前言 2018 年 5 月，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。”区块链凭借其独有的信任建立机制，成为金融和科技深度融合的重要方向。在政策、技术、市场的多重推动下，区块链技术正在加速与实体经济融合，助力高质量发展，对我国探索共享经济新模式、建设数字经济产业生态、提升政府治理和公共服务水平具有重要意义。区块链作为点对点网络、密码学、共识机制、智能合约等多种技术的集成创新，提供了一种在不可信网络中进行信息与价值传递交换的可信通道。当前，基于区块链的应用探索一直在加速推进，跨链、隐私保护、安全监管等区块链关键技术也正在成为研究热点。然而，区块链技术仍处于社会实验阶段，各方对区块链的概念、架构、技术特点、发展路线及治理与监管等尚未形成共识。为推动区块链技术与实体经济深度融合，形成发展共识，中国信息通信研究院和可信区块链推进计划共同组织编写了 区块链白皮书（2018 年）。本白皮书深入解读了区块链内涵概念，提出了区块链技术体系架构，分析了区块链关键技术发展路线，剖析当前区块链在政策、产业、技术和标准方面的最新形势和发展机遇，探讨了区块链发展面临的挑战，并提出相应政策建议。目录目录 一、区块链的概念和特征.1（一）区块链概念.1（二）区块链的特征.2（三）区块链适用的场景条件.3 二、区块链关键技术架构和发展趋势.4（一）区块链的技术架构.4 1.基础设施（Infrastructure）.5 2.基础组件（Utility）.5 3.账本（Ledger）.6 4.共识（Consensus）.7 5.智能合约（Smart Contract）.9 6.系统管理（System Management）.10 7.接口（Interface）.11 8.应用（Application）.11 9.操作运维（Operation and Maintenance）.12（二）区块链的技术发展趋势.13 1.架构方面，公有链和联盟链融合持续演进.13 2.部署方面，区块链即服务加速应用落地.14 3.性能方面，跨链及高性能的需求日益凸显.15 4.共识方面，共识机制从单一向混合方式演变.17 5.合约方面，可插拔、易用性、安全性成为发展重点.18 三、区块链发展现状.19（一）各国竞相布局区块链产业制高点.19（二）区块链与实体经济融合成为主旋律.20（三）区块链技术创新日趋活跃.25（四）区块链标准体系加速构建.29 四、区块链面临的挑战.31（一）技术成熟层面存在隐患.31（二）应用场景模式尚不明确.31（三）行业专业人才相对稀缺.32（四）相关法律法规有待完善.32 五、发展措施和建议.33（一）引导社会客观理性认识.33（二）加强核心关键技术研究.33（三）推动与实体经济深度融合.34（四）完善区块链发展政策环境.34 中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）1一、一、区块链的概念和特征（一）区块链概念（一）区块链概念 区块链（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。典型的区块链系统中，各参与方按照事先约定的规则共同存储信息并达成共识。为了防止共识信息被篡改，系统以区块（Block）为单位存储数据，区块之间按照时间顺序、结合密码学算法构成链式（Chain）数据结构，通过共识机制选出记录节点，由该节点决定最新区块的数据，其他节点共同参与最新区块数据的验证、存储和维护，数据一经确认，就难以删除和更改，只能进行授权查询操作。按照系统是否具有节点准入机制，区块链可分类为许可链和非许可链。许可链中节点的加入退出需要区块链系统的许可，根据拥有控制权限的主体是否集中可分为联盟链1和私有链2；非许可链则是完全开放的，亦可称为公有链3，节点可以随时自由加入和退出。1联盟链：根据一定特征所设定的节点能参与、交易，共识过程受预选节点控制的区块链。2私有链：写入权限在一个组织手里，读取权限可能会被限制的区块链。3公有链：任何人都能读取区块链信息，发送交易并能被确认，参与共识过程，是真正意义上的去中心化区块链，比特币区块链即是公有链最好的代表。区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 2 （二）区块链的特征（二）区块链的特征 相对于传统的分布式数据库，区块链体现了以下几个对比特征：一是从复式记账演进到分布式记账。一是从复式记账演进到分布式记账。传统的信息系统，每位会计各自记录，每次对账时存在多个不同账本。区块链打破了原有的复式记账，变成“全网共享”的分布式账本，参与记账的各方之间通过同步协调机制，保证数据的防篡改和一致性，规避了复杂的多方对账过程。二是从二是从“增删改查增删改查”变为仅变为仅“增查增查”两个操作。两个操作。传统的数据库具有增加、删除、修改和查询四个经典操作。对于全网账本而言，区块链技术相当于放弃了删除和修改两个选项4，只留下增加和查询两个操作，通过区块和链表这样的“块链式”结构，加上相应的时间戳进行凭证固化，形成环环相扣、难以篡改的可信数据集合。三是从单方维护变成多方维护。三是从单方维护变成多方维护。针对各个主体而言，传统的数据库是一种单方维护的信息系统，不论是分布式架构，还是集中式架构，都对数据记录具有高度控制权。区块链引入了分布式账本，是一种多方共同维护、不存在单点故障的分布式信息系统，数据的写入和同步不仅仅局限在一个主体范围之内，需要通过多方验证数据、形成共识，再决定哪些数据可以写入。四是从外挂合约发展为内置合约。四是从外挂合约发展为内置合约。传统上，财务的资金流和商务的信息流是两个截然不同的业务流程，商务合作签订的合约，在人工审核、鉴定成果后，再通知财务进行打款，形成相应的资金流。智能合约的出现，基于事先约定的规则，通过代码运行来独立执行、协同写入，通过算法代码形成了一种将信息流和资金流整合到一起的“内置合约”。4用户可以对本地数据进行删除和修改，但不影响全网共识后的数据一致性。中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）3（三）区块链适用的场景条件（三）区块链适用的场景条件 作为一项新兴技术，区块链具有在诸多领域开展应用的潜力。然而，区块链不是万能的，技术上去中心化、难以篡改的鲜明特点，使其在限定场景中具有较高的应用价值，可以总结为“新型数据库、多业务主体、彼此不互信、业务强相关新型数据库、多业务主体、彼此不互信、业务强相关”。首先，源自于应用场景对数据库的需要。首先，源自于应用场景对数据库的需要。区块链本质上是一种带时间戳的新型数据库，从对数据真实、有效、不可伪造、难以篡改的组织需求角度出发，相对于传统的数据库来说，可谓是一个新的起点和新的要求。其次，需要是一个跨主体、多方写入的应用场景。其次，需要是一个跨主体、多方写入的应用场景。多个主体各自维护账本，往往因为数据信息不共享、业务逻辑不统一等原因，导致“账对不齐”的现象。与之相反，区块链中每个主体都可以拥有一个完整的账本副本，通过即时清结算的模式，保证多个主体之间数据的一致性，规避了复杂的对账过程。再次，适合于在不可信的环境中建立基于数学的信任。再次，适合于在不可信的环境中建立基于数学的信任。区块链在技术层面保证了系统的数据可信（密码学算法、数字签名、时间戳）、结果可信（智能合约、公式算法）和历史可信（链式结构、时间戳），因此区块链提供了一种“机器中介”，尤其适用于协作方不可信、利益不一致或缺乏权威第三方介入的行业应用。最后，根据系统控制权和交易信息公开与否进行归类。最后，根据系统控制权和交易信息公开与否进行归类。公有链允许任一节点的加入，不对信息的传播加以限制，信息对整个系统公开；联盟链只允许认证后的机构参与共识，交易信息根据共识机制进行局部公开；相比而言，私有链范围最窄，只适用于限定的机构之内。区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 4 图 1 区块链适用的场景条件判定 二、二、区块链关键技术架构和发展趋势（一）区块链的技术架构（一）区块链的技术架构 各类区块链虽然在具体实现上各有不同，其整体架构却存在共性，本白皮书建议了一种可划分为基础设施、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 9 部分的架构。来源：中国信息通信研究院，2018 年 8 月 图 2 区块链技术架构图 中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）51.基础设施（Infrastructure）基础设施层提供区块链系统正常运行所需的操作环境和硬件设施（物理机、云等），具体包括网络资源（网卡、交换机、路由器等）、存储资源（硬盘和云盘等）和计算资源（CPU、GPU、ASIC 等芯片）。基础设施层为上层提供物理资源和驱动，是区块链系统的基础支持。2.基础组件（Utility）基础组件层可以实现区块链系统网络中信息的记录、验证和传播。在基础组件层之中，区块链是建立在传播机制、验证机制和存储机制基础上的一个分布式系统，整个网络没有中心化的硬件或管理机构，任何节点都有机会参与总账的记录和验证，将计算结果广播发送给其他节点，且任一节点的损坏或者退出都不会影响整个系统的运作。具体而言，主要包含网络发现、数据收发、密码库、数据存储和消息通知五类模块。1）网络发现 区块链系统由众多节点通过网络连接构成。特别是在公有链系统中，节点数量往往很大。每个节点需要通过网络发现协议发现邻居节点，并与邻居节点建立链路。对于联盟链而言，网络发现协议还需要验证节点身份，以防止各种网络攻击。2）数据收发 节点通过网络通讯协议连接到邻居节点后，数据收发模块完成与其他节点的数据交换。事务广播、消息共识以及数据同步等都由该模块执行。根据不同区块链的架构，数据收发器的设计需考虑节点数量、区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 6 密码学算法等因素。3）密码库 区块链中多个环节使用密码学算法。密码库为上层组件提供基本的密码学算法支持，包括各种常用的编码算法、哈希算法、签名算法、隐私保护算法等。与此同时，密码库还涉及诸如密钥的维护和存储之类的功能。4）数据存储 根据数据类型和系统结构设计，区块链系统中的数据使用不同的数据存储模式。存储模式包括关系型数据库（如 MySQL）和非关系型数据库（如 LevelDB）。通常，需要保存的数据包括公共数据（例如：交易数据、事务数据、状态数据等）和本地的私有数据等。5）消息通知 消息通知模块为区块链中不同组件之间以及不同节点之间提供消息通知服务。交易成功之后，客户通常需要跟踪交易执行期间的记录和获取交易执行的结果。消息通知模块可以完成消息的生成、分发、存储和其他功能，以满足区块链系统的需要。3.账本（Ledger）账本层负责区块链系统的信息存储，包括收集交易数据，生成数据区块，对本地数据进行合法性校验，以及将校验通过的区块加到链上。账本层将上一个区块的签名嵌入到下一个区块中组成块链式数据结构，使数据完整性和真实性得到保障，这正是区块链系统防篡改、可追溯特性的来源。典型的区块链系统数据账本设计，采用了一种按中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）7时间顺序存储的块链式数据结构。账本层有两种数据记录方式，分别是基于资产和基于账户。基于资产的模型中，首先以资产为核心进行建模，然后记录资产的所有权，即所有权是资产的一个字段。基于账户的模型中，建立账户作为资产和交易的对象，资产是账户下的一个字段。相比而言，基于账户的数据模型可以更方便的记录、查询账户相关信息，基于资产的数据模型可以更好地适应并发环境。为了获取高并发的处理性能，且及时查询到账户的状态信息，多个区块链平台正向两种数据模型的混合模式发展。表 1 账本层两种模型对比 基于资产基于资产 基于账户基于账户 建模对象建模对象 资产 用户 记录内容记录内容 记录资产所有权 记录账户操作 系统中心系统中心 状态（交易）事件（操作）计算重心计算重心 计算发生在客户端 计算发生在节点 判断依赖判断依赖 方便判断交易依赖 较难判断交易依赖 并行并行 适合并行 较难并行 账户管理账户管理 难以管理账户元数据 方便管理账户元数据 适用的查询场景适用的查询场景方便获取资产最终状态 方便获取账户资产余额 客户端客户端 客户端复杂 客户端简单 举例举例 比特币、R3 Corda 以太坊、超级账本 Fabric 4.共识（Consensus）共识层负责协调保证全网各节点数据记录一致性。区块链系统中的数据由所有节点独立存储，在共识机制的协调下，共识层同步各节区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 8 点的账本，从而实现节点选举、数据一致性验证和数据同步控制等功能。数据同步和一致性协调使区块链系统具有信息透明、数据共享的特性。表 2 两类共识机制对比 区块链有两类现行的共识机制，根据数据写入的先后顺序判定，如上表所示。从业务应用的需求看，共识算法的实现应综合考虑应用环境、性能等诸多要求。一般来说，许可链采用节点投票的共识机制，以降低安全为代价，提升系统性能。非许可链采用基于工作量、权益证明等的共识机制，主要强调系统安全性，但性能较差。为了鼓励各节点共同参与进来，维护区块链系统的安全运行，非许可链采用发行Token 的方式，作为参与方的酬劳和激励机制，即通过经济平衡的手段，来防止对总账本内容进行篡改。因此，根据运行环境和信任分级，选择适用的共识机制是区块链应用落地应当考虑的重要因素之一。5共识算法代表包括：PoW（Proofof Work）工作量证明机制，PoS（Proofof Stake）股权证明机制，DPoS（Delegated Proof of Stake）授权股权证明机制，PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法，BFT（Byzantine Fault Tolerance）拜占庭容错算法等。第一类共识机制第一类共识机制 第二类共识机制第二类共识机制 写入顺序写入顺序 先写入后共识 先共识后写入 算法代表算法代表5 PoW、PoS、DPoS PBFT及BFT变种 共识过程共识过程 大概率一致就共识 工程学最后确认 确认一致后再共识 共识即确认 复杂性复杂性 计算复杂度高 网络复杂度高 仲裁机制仲裁机制 如果一次共识同时出现多个记账节点，就产生分叉，最终以最长链为准 法定人数投票，各节点间P2P广播沟通达成一致 是否分叉是否分叉 有分叉 无分叉 安全阈值安全阈值 作恶节点权益之和不超过1/2 作恶节点数不超过1/3总节点数 节点数量节点数量 节点数量可以随意改变，节点数越多、系统越稳定 随着节点数增加，性能下降，节点数量不能随意改变 应用场景应用场景 多用于非许可链 用于许可链 中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）9表 3 共识算法对比 特性特性 PoW PoS DPoS PBFT VRF 节点管理节点管理 无许可 无许可 无许可 需许可 需许可 交易延时交易延时 高（分钟）低（秒级）低（秒级）低（毫秒级）低（毫秒级）吞吐量吞吐量 低 高 高 高 高 节能节能 否 是 是 是 是 安全边界安全边界 恶意算力不超过 1/2 恶意权益不超过 1/2 恶意权益不超过 1/2 恶意节点不超过 1/3 恶意节点不超过 1/3 代表应用代表应用 Bitcoin、Ethereum Peercoin Bitshare Fabirc（Rev 0.6）Algorand 扩展性扩展性 好 好 好 差 差 5.智能合约（Smart Contract）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，最大限度的减少人工干预。智能合约的操作对象大多为数字资产，数据上链后难以修改、触发条件强等特性决定了智能合约的使用具有高价值和高风险，如何规避风险并发挥价值是当前智能合约大范围应用的难点。智能合约根据图灵完备6与否可以分为两类，即图灵完备和非图灵完备。影响实现图灵完备的常见原因包括：循环或递归受限、无法实现数组或更复杂的数据结构等。图灵完备的智能合约有较强适应性，可以对逻辑较复杂的业务操作进行编程，但有陷入死循环的可能。对比而言，图灵不完备的智能合约虽然不能进行复杂逻辑操作，但更加简单、高效和安全。6图灵完备（Turing completeness）：指一系列操作数据的规则（如指令集、编程语言、细胞自动机）可以用来模拟单带图灵机的可计算性系统。（Gannon,Paul,Colossus:Bletchley Parks Greatest Secret,London:Atlantic Books,2006-01-10 2006,ISBN 978-184-354-330-5）区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 10 表 4 部分区块链系统的智能合约特性 区块链平台区块链平台 是否图灵完备是否图灵完备 开发语言开发语言 比特币比特币 不完备 Bitcoin Script 以太坊以太坊 完备 Solidity EOS 完备 C+Hyperledger Fabric 完备 Go Hyperledger Sawtooth 完备 Python R3 Corda 完备 Kotlin/Java 当前智能合约的应用仍处于比较初级的阶段，智能合约成为区块链安全的“重灾区”。从历次智能合约漏洞引发的安全事件看，合约编写存在较多安全漏洞，对其安全性带来了巨大挑战。目前，提升智能合约安全性一般有几个思路：一是形式化验证（Formal Verification）。通过严密的数学证明来确保合约代码所表达的逻辑符合意图。此法逻辑严密，但难度较大，一般需要委托第三方专业机构进行审计。二是智能合约加密。智能合约不能被第三方明文读取，以此减少智能合约因逻辑上的安全漏洞而被攻击。此法成本较低，但无法用于开源应用。三是严格规范合约语言的语法格式。总结智能合约优秀模式，开发标准智能合约模板，以一定标准规范智能合约的编写可以提高智能合约质量，提高智能合约安全性。6.系统管理（System Management）系统管理层负责对区块链体系结构中其他部分进行管理，主要包含权限管理和节点管理两类功能。权限管理是区块链技术的关键部分，尤其对于对数据访问有更多要求的许可链而言。权限管理可以通过以下几种方式实现：1）将权限列表提交给账本层，并实现分散权限控制；2）使用访问控制列表实现访问控制；3）使用权限控制，例如评分/子区域。通过权限管理，可以确保数据和函数调用只能由相应的中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）11操作员操作。节点管理的核心是节点标识的识别，通常使用以下技术实现：1）CA7认证：集中式颁发 CA 证书给系统中的各种应用程序，身份和权限管理由这些证书进行认证和确认。2）PKI8认证：身份由基于 PKI的地址确认。3）第三方身份验证：身份由第三方提供的认证信息确认。由于各种区块链具有不同的应用场景，因此节点管理具有更多差异。现有的业务扩展可以与现有的身份验证和权限管理进行交互。7.接口（Interface）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。应用层通过调用 RPC 接口与其他节点进行通信，通过调用 SDK工具包对本地账本数据进行访问、写入等操作。同时，RPC 和 SDK应遵守以下规则：一是功能齐全，能够完成交易和维护分布式账本，有完善的干预策略和权限管理机制。二是可移植性好，可以用于多种环境中的多种应用，而不仅限于某些绝对的软件或硬件平台。三是可扩展和兼容，应尽可能向前和向后兼容，并在设计中考虑可扩展性。四是易于使用，应使用结构化设计和良好的命名方法方便开发人员使用。常见的实现技术包括调用控制和序列化对象等。8.应用（Application）应用层作为最终呈现给用户的部分，主要作用是调用智能合约层的接口，适配区块链的各类应用场景，为用户提供各种服务和应用。7CA:电子商务认证授权机构（Certificate Authority），也称为电子商务认证中心，是负责发放和管理数字证书的权威机构，并作为电子商务交易中受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任。8PKI：公钥基础设施（Public Key Infrastructure），是一种遵循既定标准的密钥管理平台,它能够为所有网络应用提供加密和数字签名等密码服务及所必需的密钥和证书管理体系。区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 12 由于区块链具有数据确权属性以及价值网络特征，目前产品应用中很多工作都可以交由底层的区块链平台处理。在开发区块链应用的过程中，前期工作须非常慎重，应当合理选择去中心化的公有链、高效的联盟链或安全的私有链作为底层架构，以确保在设计阶段核心算法无致命错误问题。因此，合理封装底层区块链技术，并提供一站式区块链开发平台将是应用层发展的必然趋势。同时，跨链技术的成熟可以让应用层选择系统架构时增加一定的灵活性。根据实现方式和作用目的的不同，当前基于区块链技术的应用可以划分为三类场景，如表 5 所示：一是价值转移类，数字资产在不同账户之间转移，如跨境支付；二是存证类，将信息记录到区块链上，但无资产转移，如电子合同；三是授权管理类，利用智能合约控制数据访问，如数据共享。此外，随着应用需求的不断升级，还存在多类型融合的场景。表 5 区块链应用场景分类 类型类型 政府政府 金融金融 工业工业 医疗医疗 法律法律 版权版权 价值转移价值转移 数字票据 跨境支付 应收账款 供应链金融 能源交易医疗保险 存证存证 电子发票 电子证照 精准扶贫 现钞冠字号溯源 供应链金融 防伪溯源电子病历药品追溯公证 电子存证 网络仲裁 版权确权授权管理授权管理 政府数据共享 征信 健康数据共享 版权管理 9.操作运维（Operation and Maintenance）操作运维层负责区块链系统的日常运维工作，包含日志库、监视中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）13库、管理库和扩展库等。在统一的架构之下，各主流平台根据自身需求及定位不同，其区块链体系中存储模块、数据模型、数据结构、编辑语言、沙盒环境的选择亦存在差异，详见表 6，给区块链平台的操作运维带来较大的挑战。表 6 主流平台区块链技术体系架构对比 层级层级 平台差异平台差异 比特币比特币 以太坊以太坊 Hyperledger Fabric R3 Corda 应用应用 比特币 Dapp/以太币 企业级 分布式账本 CorDapp 智能合约智能合约 编程语言 Script Solidity/Serpent Go/Java Java/Kotlin 沙盒环境 EVM Docker JVM 共识共识（数据准入）（数据准入）PoW PoW/PoS PBFT/SBFT/Kafka Raft 账本账本 数据结构 Merkle 树/区块链表 Merkle Patricia 树/区块链表 Merkle Bucket 树/区块链表 无区块 连接交易 数据模型 基于资产 基于账户 基于账户 基于资产 区块存储 文件存储 LevelDB LevelDB/CouchDB 关系数据库基础组件层基础组件层 TCP，P2PTCP，P2P HTTP2 P2P AMQP(TLS)P2P（二）区块链的技术发展趋势（二）区块链的技术发展趋势 1.架构方面，公有链和联盟链融合持续演进 联盟链是区块链现阶段的重要落地方式，但联盟链不具备公有链的可扩展性、匿名性和社区激励。随着应用场景日趋复杂，公有链和联盟链的架构模式开始融合，开始出现公有链在底层面向大众、联盟链在上层面向企业的混合架构模式，结合钱包、交易所等入口，形成一种新的技术生态。例如，在公有链中选取验证节点时，共识算法层区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 14 面存在 PoS 不确定性高、PoW 资源消耗严重、PBFT 无法支持大量节点进行共识等问题，Algorand 算法9通过密码学的方法，从大量节点中选出少量节点，再用 PBFT 算法在少量节点之间达成共识的方式，为公有链和联盟链的混合架构提供了可能。2.部署方面，区块链即服务加速应用落地 区块链与云计算结合，将有效降低区块链部署成本。一方面，预配置的网络、通用的分布式账本架构、相似的身份管理、分布式商业监控系统底层逻辑、相似的节点连接逻辑等被模块化、抽象成区块链服务，向外支撑起不同客户的上层应用。用云计算快速搭建的区块链服务，可快速验证概念和模型可行性。另一方面，云计算按使用量收费，利用已有基础服务设施或根据实际需求做适应性调整，可实现应用开发流程加速，部署成本降低，满足未来区块链生态系统中初创企业、学术机构、开源组织、联盟和金融机构等对区块链应用的服务需求。在云计算当前主要提供的 3 种类型服务（IaaS、PaaS、SaaS）基础之上，区块链与云计算结合发展出 BaaS（Blockchain as a Service，区块链即服务）。BaaS 服务供应商旨在为用户提供更好的区块链服务，因此 BaaS 服务商比区块链底层技术提供商更注重与垂直行业的对接，提供合理的智能合约模板、良好的账户体系管理、良好的资源管理工具和定制化的数据分析和报表系统。9 Algorand 共识算法由图灵奖获得者 Silvio Micali 教授提出。中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）15 来源：中国信息通信研究院，2018 年 8 月 图 3 BaaS 架构图 现阶段，在后台数据存储、应用数据分析、移动终端、应用发布、信息识别等方面都有 BaaS 服务供应商支撑。以云计算平台为依托，区块链开发者可以专注于将区块链技术应用到不同的业务场景，帮助用户更低门槛、更高效地构建区块链服务，同时推动自有产业转型升级，为客户创造全新的产品、业务和商业模式。3.性能方面，跨链及高性能的需求日益凸显 让价值跨过链和链之间的障碍进行直接的流通是区块链越来越凸显的需求之一。跨链技术使区块链适合应用于场景复杂的行业，以实现多个区块链之间的数字资产转移，如金融质押、资产证券化等。目前主流的跨链技术包括：公证人机制（Notary schemes）、侧链/中继（Sidechains/relays）和哈希锁定（Hash-locking）。区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 16 表 7 跨链技术对比 类别类别 公证人公证人 侧链侧链/中继中继 哈希锁定哈希锁定 跨链方向跨链方向 双向 双向/单向 双向 资产交换资产交换 支持 支持 支持 资产转移资产转移 支持 支持 不支持 信任信任 需要第三方 不需要 不需要 类型类型 协议 技术架构 算法 难度难度 中等 困难 容易 案例案例 Ripple BTC relay Poldadot COSMOS Lightning network 为了提高区块链系统的吞吐量，区块链技术和学术专家提出多种高性能方案，如下表 8 所示。表 8 高性能方案对比 类别类别 DAG 并行并行 减少共识节点数减少共识节点数 优化层面优化层面 拓扑 架构 共识 安全性安全性 高 高 可能降低 资源消耗资源消耗 低 低 低 扩展能力扩展能力 好 好 一般 难度难度 较难 中等 保证安全性方案较难性能性能 高 高 中 案例案例 IOTA Byteball Hashgraph Ethereum（分片）TrustSQL（子链）Fabric（多通道）Algorand BitcoinNG PoS 第一类高性能方案是改变块链式拓扑结构为基于交易的有向无环图（Directed Acyclic Graph，简称 DAG）。在这种拓扑结构下，交易请求发起后，广播全网确认，形成交易网络，无打包流程，交易可以从网络中剥离出来或者合并回去。基于 DAG 的设计没有区块的概念，扩容不受区块大小的限制，其可伸缩性取决于网络带宽、CPU处理速度和存储容量的限制10。这种拓扑结构可以应对安全问题、高 10IOTA 白皮书中首次提出了缠结（Tangle）区块链，它便是一种有向无环图（DAG），但其架构不仅存在双花的风险，还存在伪造数字签名的风险。字节雪球（Byteball）为了解决双花问题，在 IOTA 的 DAG 的基础上，提出了主链（Mainchain）的概念，并通过见证人的方式实现了主链选择算法，有效的解决了 DAG的双花问题。中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）17并发问题、可扩展性问题和数据增长问题，以及适应小额支付场景。第二类高性能方案是改变共识策略，通过减少一次参与共识的节点数量以提高吞吐量。这类方案中，为了提高性能，尽量在不影响安全的前提下减少参与共识的节点数，用算法控制一次参与共识的节点不被提前预知。虽然这种方案可以提高性能，但保证安全性的策略实现起来难度较大。第三类高性能方案是通过提高系统横向扩展能力来提高系统整体吞吐量，代表有分片、子链、多通道等技术。对于这类技术，片区内、子链内、通道内需保持数据同步，片区间、子链间、通道间则是异步的。分片技术（Sharding）是把整个 P2P 网络中的节点分为若干相对独立的片区，以实现系统水平扩展。分片的情况下，通过把交易导引至不同节点，多个网络片区并行分担验证交易的工作。目前的分片策略包括网络分片（Network Sharding）、交易分片（Transaction Sharding）和计算分片（Computational Sharding）。子链技术是在主链上派生出来的具有独立功能的区块链，子链依赖主链而存在，并且可以定义自己的共识方式和执行模块。通过定义不同的子链，系统的可扩展性、可用性和性能均得到提高。多通道技术是系统中多个节点组成一个通道，每个节点也可以加入不同的通道中，通道之间互相隔离，通过锚节点互相通信。多通道技术可以消除网络瓶颈，提高系统可扩展性。4.共识方面，共识机制从单一向混合方式演变 共识机制在区块链中扮演着核心的地位，决定了谁有记账的权利，区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 18 以及记账权利的选择过程和理由，因此一直是区块链技术研究的重点。常见的共识机制包括 PoW、PoS、DPoS、拜占庭容错等，根据适用场景的不同，也呈现出不同的优势和劣势。单一共识机制，各自有其缺陷，例如 PoS 依赖代币且安全性脆弱，PoW 非终局且能耗较高。为提升效率，需在安全性、可靠性、开放性等方面进行取舍。区块链正呈现出根据场景切换共识机制的趋势，并且将从单一的共识机制向多类混合的共识机制演进，运行过程中支持共识机制动态可配置，或系统根据当前需要自动选择相符的共识机制。表 9 共识机制的适用场景 场景场景 共识机制共识机制 算法举例算法举例 不可信环境、节点数未确定不可信环境、节点数未确定 权益类 PoW，PoS，DPoS 不可信环境、节点数已确定不可信环境、节点数已确定 拜占庭类 PBFT 等 可信环境、节点数未确定可信环境、节点数未确定 非拜占庭类 Raft 等 可信环境、节点数已确定可信环境、节点数已确定 消息分发机制 Kafka 等 5.合约方面，可插拔、易用性、安全性成为发展重点 智能合约应用是否丰富，取决于智能合约自身及其所在区块链对于智能合约应用的支撑能力，而智能合约的开发和执行效率则取决于开发语言和执行虚拟机。在目前的生态系统中，智能合约的开发语言不够规范，为了适应智能合约，需要创造新的合约语言或为现有语言增加形式更为严格的规范和校验。智能合约在轻量级的执行环境中将实现快速的启动时间和较高的执行效率。智能合约的发展方向包括如下几点：1）可插拔的执行环境架构：默认的执行环境应该不提供持久化存储，让合约默认是一种类似于微中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 区块链白皮书（2018 年）19服务的无状态函数，从而直接进行并发处理。2）明示化的调用关系：即只提供静态调用的功能，从而使得程序的调用关系可以在运行它之前就整理清楚。3）可链外存储的合约代码：通过链上存储散列值、链外存储合约代码实现存储空间的扩展性。4）低耦合度的设计：降低合约语言、执行环境、区块链之间的耦合度，提高智能合约系统的通用性；5）完整安全的防护体系：代码定型与发布时的验证与检查，节点在执行合约中的动态验证，合约执行完毕的合理性判断，相关利益方的申诉机制与自动判决技术。三、三、区块链发展现状（一）各国竞相布局区块链产业制高点（一）各国竞相布局区块链产业制高点 区块链正在被各国认可，并在多领域积极探索技术的推广应用。区块链正在被各国认可，并在多领域积极探索技术的推广应用。2018 年 1 月 22 日英国技术发展部门（Innovate UK）相关人士表示，英国将投资 1900 万英镑用于支持区块链等新兴科技领域的新产品或服务。2018 年 2 月 14 日美国众议院召开第二次区块链听证会，“拥抱技术”与“不要封杀”成为共识。韩国央行鼓励区块链技术，韩国唯一的证券交易所 Korea Exchange（KRX）也宣布开发基于区块链技术的交易平台。澳洲在多领域积极探索区块链技术，澳大利亚邮政将区块链技术应用于身份识别。迪拜建立全球区块链委员会，并成立含Cisco、区块链初创公司、迪拜政府等 30 多名成员的联盟。我国超前布局前沿阵地，积极探索基于区块链的行业应用。我国超前布局前沿阵地，积极探索基于区块链的行业应用。2016年区块链首次被列入国务院印发“十三五”国家信息化规划。2018年 6 月，工信部印发工业互联网发展行动计划（2018-2020 年），区块链白皮书（2018 年）中国信息通信研究院&可信区块链推进计划 20 鼓励推进边缘计算、深度学习、区块链等新兴前沿技术在工业互联网的应用研究。2018 年 5 月 28 日，习近平总书记在两院院士大会上的讲话中指出，“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用。”各地纷纷推出鼓励政策，区块链项目竞相上马。各地纷纷推出鼓励政策，区块链项目竞相上马。截至 2018 年 5月底，北京、上海、广东、河北（雄安）、江苏、山东、贵州、甘肃、海南等 24 个省市或地区发布了区块链政策及指导意见，多个省份将区块链列入本省“十三五”战略发展规划，开展对区块链产业链布局。随着区块链技术在应用层面的不断拓展,各地纷纷推出区块链鼓励政策，越来越多区块链技术企业选择到落户政策优惠地区发展。（二）区块链与实体经济融合成为主旋律（二）区块链与实体经济融合成为主旋律 从行业发展看，区块链的技术正在走向融合，这使得区块链产业逐渐走向细分。按照区块链产业上下游结构，区块链产业自下而上可以划分为四类：底层基础设施及平台开发、技术扩展及通用型服务、行业应用、产业周边服务。相