2.2.2 区块链：构建元宇宙经济系统的基础
区块链是一种按时间顺序将不断产生的信息区块以顺序相连方式组合而成的一种可追溯的链式数据结构，是一种以密码学方式保证数据不可篡改、不可伪造的分布式账本。区块链是非对称加密算法、共识机制、分布式存储、点对点传输等相关技术通过新方式组合形成的创新应用。区块链技术的最大优势与努力方向是“去中心化”，通过运用密码学、共识机制、博弈论等技术与方法，在网络节点无须在相互信任的分布式系统中实现基于去中心化信用的点对点交易（见图2-28）。区块链具有四大特点：（1）利用块链式数据结构验证、存储数据；（2）通过分布式节点与共识算法生成、更新数据；（3）利用密码学方式保证数据传输与访问安全；（4）利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据。
图2-28 区块链核心技术
资料来源：头豹研究院。
区块链核心技术主要有四个，即共识算法、非对称加密算法、分布式存储技术以及点对点传输技术。
（1）共识算法。共识算法可被定义为使区块链网络达成共识的机制。去中心化的区块链不依赖于中央权威，须建立一个使各分散节点就交易有效与否达成一致的机制，确保所有节点遵守协议规定并保证所有交易能以可靠的方式进行，共识算法可用于保证系统中不同节点数据在不同环境下的一致性和正确性。在共识机制协调下，各节点实现节点选举、数据一致性验证和数据同步控制等功能，使区块链系统具有信息透明、数据共享的特性。目前，广泛应用的共识机制包括PoW、PoS、DPoS和PBFT等。不同的共识机制会对区块链系统整体性能产生不同影响，一般采用安全性、扩展性、性能效率和资源消耗四个性能指标评价共识机制的技术水平（见表2-5）。
表2-5 区块链共识机制简介
资料来源：头豹研究院。
（2）非对称加密算法。非对称加密算法利用一对密钥（公开密钥和私有密钥）对数据的存储和传输进行加密和解密，利用其中一个密钥把明文加密后得到密文，另一个对应密钥用于解开密文得到原本的明文。如区块链系统基于非对称加密算法生成公钥和私钥对，若公钥用于数据信息加密，对应私钥则用于数据解密；若用私钥对数据信息进行数字签名，对应的公钥则用于验证数字签名。密钥对中的其中一个可公开，称为公钥，可任意对外发布；另一个密钥则为私钥，由用户秘密保管，无须透露给任何信息获取方。
在非对称密码体制中，公钥和私钥的配对使用是明文加解密的关键，密钥对的使用大幅提高数据加密安全性，由公钥推出私钥在计算上是极为困难的，公钥密码体制的建立，对密码学具有革命性的意义。常见的公钥加密算法有RSA、Elgamal、椭圆曲线加密算法等，其中目前使用最广泛的公钥加密算法为RSA。对称与非对称加密方法对比见图2-29。
图2-29 对称与非对称加密方法对比
资料来源：头豹研究院。
（3）分布式存储技术。分布式存储是将数据分散存储于网络中的多个数据节点上，数据库中的所有数据实时更新并存放于所有参与记录的区块链网络节点中，每个节点都有数据库中的完整数据记录以及数据备份，形成一个大规模的存储资源池。在分布式存储方式下，黑客破解和数据篡改的成本较高，篡改者需要同时修改网络上超半数系统节点的数据才能实现数据篡改，操作量过大，导致篡改无法真正执行。中心式和分布式存储对比见图2-30。
图2-30 中心式和分布式存储对比
资料来源：头豹研究院。
（4）点对点网络技术。点对点网络技术使网络上的各节点无须经过中央权限授权，即可直接相互访问并共享节点拥有的资源，如存储能力、网络连接能力和处理能力等。网络中的所有节点可互相传输，整个网络中没有任何中心，任意两节点都可进行数据传输（见图2-31）。
图2-31 点对点网络传输路径
资料来源：头豹研究院。
相比各种单一技术应用，区块链技术具有如下五大优势（见图2-32）：（1）去中心化的分布式记账。区块链上的信息计算与记录不集中于单一服务器中，而是分布于网络上的区块中，各区块间独立且互相连接，可直接进行信息与价值交换。（2）不可篡改。信息经验证添加到区块链上后将被永久存储，系统中各节点都拥有最新的完整数据库，单个节点无法对数据进行篡改，保证区块链的数据稳定与可靠性。区块链系统中每生成一个新区块，都会产生对应时间戳，并依照区块生成时间的先后顺序相连成区块链，各独立节点通过点对点网络建立联系，为信息数据记录形成去中心化的分布式时间戳服务系统。时间戳使更改记录的困难程度随时间流逝呈指数倍增加，区块链运行时可越久，数据篡改难度越高。（3）集体维护。系统由所有具有维护功能的节点共同维护，所有节点都可通过公开接口查询区块链数据和开发相关应用。（4）有限访问。各方仅在经过认证、拥有权限的情况下可对共享账本进行访问。访问权限类型与范围均可在系统控制下进行分配，保障数据的安全性。（5）匿名性。区块链各节点数据交换在固定算法下进行，由区块链程序规则判断交易的有效性，交易方可在不公开身份的情况下获取交易对手方信任，有利于在保护用户隐私前提下保障交易信用。
图2-32 区块链技术的五大优势
中国区块链行业正处于2.0时代。区块链技术应用起源于2008年比特币的提出，2014年以太坊推出智能合约，将区块链技术推到2.0时代。3.0时代实现了区块链行业应用的普及，区块链与各行业结合，在各行业中广泛应用。中国的区块链行业仍处于2.0时代，目前较为成熟的区块链应用集中于金融和防伪溯源行业，但市场规模较小，仍属于初期发展阶段，其他行业领域普及较少。由于众多应用场景尚未被开发，规模化行业应用尚未诞生，截至2018年底，中国共有703家以区块链为主营业务的企业，其中90%的企业处于创业阶段，可商业化的区块链应用屈指可数，区块链3.0时代的到来尚需时间（见图2-33）。
图2-33 中国区块链行业发展历程
区块链产业链由上游基础设施层、中游技术扩展层以及下游的行业应用层组成。其中，基础设施层包括硬件基础设施及区块链基础协议，负责为技术扩展层和行业应用层提供必要基础设施服务，市场主体主要涉及硬盘、交换机、芯片、路由器等硬件供应商。技术扩展层主要负责区块链通用技术及技术扩展平台研发，为行业应用层提供技术支持，主要涉及提供智能合约、快速计算、信息安全、数据服务、BaaS平台等服务的企业。行业应用层主要为不同行业用户提供针对性的区块链行业应用服务（见图2-34）。
图2-34 中国区块链产业链
资料来源：头豹研究院。
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，具体包括网络资源（如网卡、交换机、路由器等）、存储资源（如硬盘和云盘等）以及计算资源（CPU、GPUASIC等芯片）。上游基础设施层为中游的技术扩展和下游的行业应用层提供物理资源和驱动，是区块链架构的基础。
（1）硬件。区块链硬件主要包括矿机、路由器和存储硬盘。
其中矿机是区块链应用中最主要的硬件设备，其功能单一，核心为芯片，主要为区块链应用提供算力，路由器、存储硬盘等硬件则起充分利用用户闲置的网络带宽与存储资源的作用。随着区块链应用的推广，分布式记账对网络节点的算力要求大幅提高，矿机芯片开始从CPU、GPU、FPGA向ASIC专用芯片发展转变，目前ASIC是区块链应用中的主流运算芯片（见图2-35）。中国本土企业在区块链硬件领域具有绝对优势，全球大部分区块链硬件均由中国厂商生产，世界排名前三的区块链硬件设备厂商比特大陆、嘉楠耘智和亿邦科技均为中国企业。
图2-35 ASIC芯片相对其他芯片在算力及能耗层面表现
资料来源：头豹研究院。
（2）基础协议。基础协议作为区块链的操作系统，负责维护网络节点，为各节点提供AI调用，通常采用P2P网络组网，结合各类密码学安全机制和共识机制，为区块链应用构建对等、安全、信任的网络和通信基础。通过共识机制，未建立信任关系的区块链节点遵循多数节点达成一致的信任构建方式，共同对数据写入等行为进行监管，舍弃传统中心化网络中心集权的模式，摆脱对网络中心的依赖。基础协议是区块链运行的基础，无论何种区块链应用均须基于区块链基础协议运行。目前，无论是创业企业还是大企业，均积极布局区块链基础协议，以求抢占行业发展先机，典型代表企业有NEO和迅雷。
随着区块链技术架构的完善以及区块链应用的普及，中游技术扩展层开始出现，专门为区块链技术或应用开发者提供服务，使开发者可在基础设施层和行业应用层间，以可执行代码的方式调用通用区块链技术应用，在此基础上继续开发区块链应用，大幅降低区块链技术开发门槛，缩短区块链技术开发时间，使区块链应用可快速、蓬勃兴盛。
（3）快速计算应用。如闪电网络系统，主要用于优化基础区块链算力不足问题，提高区块链的交易速度。添置闪电网络系统使区块链扩容，在不改变区块链底层架构的基础上，提高链上交易处理速度。
（4）智能合约技术。智能合约是自动执行合约条款的计算机化程序，通过智能合约技术，区块链系统可自动完成既定规则的条件触发和任务执行，减少人工干预程度。智能合约与区块链结合，优化了区块链的执行功能，使区块链在各类应用场景中能自动执行任务，提高交易效率和公平性，降低系统运行成本。目前，研发智能合约技术的代表企业有秘猿科技和全息互信。
（5）BaaS平台。BaaS是一种区块链与云计算深度结合的服务形式，是一个基于云服务的企业级的区块链开放平台，接受用户一键式快速部署接入，拥有去中心化信任机制，支持私有链、联盟链或多链，拥有较强私有化部署和运维管理能力。在BaaS平台建设方面，大企业较为活跃，典型代表企业有百度，腾讯和华为。
（6）区块链解决方案。区块链解决方案在基础区块链架构上，为客户提供针对具体业务场景的解决方案，方便开发者基于区块链技术开发产品和应用。区块链解决方案为企业级应用，对于多数传统企业和中小型企业而言，在推动区块链技术落地的过程中，须克服许多技术障碍，完全依靠自主解决耗时费力，采用解决方案服务商提供的区块链解决方案，可有针对性地解决难题或避免难题，降低技术落地难度，例如百度推出的超级链解决方案，适用于众多行业，开发区块链行业应用的企业可利用超级链解决方案研发区块链行业应用，免去基础区块链架构部署环节。目前，提供区块链解决方案的企业较多，包括BAT等大型科技企业以及区块链创业企业，如复杂美、智链、趣链等。
2018年底，金融区块链应用市场份额约占整体区块链应用市场份额的45%。行业应用层主要为不同行业或各类应用场景提供区块链应用服务，覆盖金融、物流、医疗、能源、公益、娱乐、法律等行业，具体应用包括区块链跨境支付、数字货币、区块链供应链金融、区块链公益、区块链版权保护等。与区块链基础设施层和区块链技术扩展层相比，行业应用层直观地体现了区块链技术的应用价值，目前中国企业对区块链行业应用探索逐渐活跃，区块链应用布局的行业领域逐渐扩张。当前区块链在金融行业的应用探索表现最为亮眼，2018年底，金融区块链应用市场份额约占整体区块链应用市场份额的45%，其中涉及数字票据，智能合约、供应链金融、支付交易清算、权益登记和转让等众多金融细分场景的区块链应用，以及物流、医疗、电商、娱乐、交通等领域的区块链应用。
2014—2018年，中国区块链行业营收增长主要受到加密货币市场驱动，从6亿美元赠长至152亿美元，其间年复合增长率达124.3%。中国区块链行业处于初期发展阶段，区块链行业应用尚未成熟，能真正产生商业化收入的项目屈指可数，因此行业应用类项目的市场营收有限。但区块链应用发展前景较为明朗，市场需求旺盛，企业愿意相信区块链拥有未来，不断加入区块链的研发行列。在金融、物流、医疗、电商、娱乐、交通等领域对区块链技术的需求增长的形势下，区块链市场营收规模将继续增长（见图2-36）。
图2-36 2014—2023年中国区块链行业营收规模（单位：十亿美元）
资料来源：头豹研究院。