1 区块链简介
将有意义的事件记录下来，是形成人类文明的重要内容之一。《史记》生动地记录和展开了古代社会人们生活广阔的画面，历史价值弥足珍贵。如果从5000年前开始，人类就将事件记录下来，并且不能篡改、没有丢失，那么追溯早期人类的社会生活状况就无须现代的考古和历史学研究了。
区块链也是一种记录事件的方式，是记录历史的新形态。区块链技术的本质是通过密码学建立了一个不依赖任何中心的、完全分布式的数据库，要在虚拟的空间创造一种记录数据的方法，记录能被所有节点共享，同时不被任何节点所控制，谁都不能随意删除和修改（但可以增加且持续增长）。
这种公开、共同确认、不可篡改的记录开始具备一种重要的属性——约束参与人的行为且形成可以信赖的预期，即信用。完整的交易历史使得参与人在全体参与人的见证下，以理性克制主体的违约动机。这种弱化第三方强制力、实现成员自觉守信的模式，对于不见面交易、互不信任者之间的交易，具有简便易行、大幅降低交易成本的优势。现实世界中大量的场景都具有这种模式的发挥空间，这是区块链目前被人们寄予厚望的原因所在。
区块链是由多个独立节点参与的分布式数据库系统，也称分布式账簿（Distributed Ledger Technology，DLT），所有参与的节点共同维护账簿，具有不易篡改和伪造、可追溯等特点。完整的分布式记账是对传统的中心记账的颠覆，其含义包括以下几个方面：
（1）分布式记账——会计责任的分散化；
（2）分布式传播——每一次交换都传播到网络中的所有节点；
（3）分布式存储——数据信息的可容错性极高；
（4）完全分布式——任意节点宕机不会导致网络崩溃，也不会导致记录丢失。
链式区块构建区块链数据的基本结构，区块通过特定的哈希指针链接到上一个区块的后面，区块环环相扣形成一个链条，链条节点只能增加、不能删除。
区块链数据结构如上图所示。
区块链数据结构的关键要素包含以下四点。
（1）块链结构：每一个区块都有时间戳，使用前一个区块的哈希加密信息，对每个交易进行验证。
（2）多个节点独立复制存储：每个节点操作权力平等，都存储同样的数据，且互相之间为独立作业，互相监督。
（3）拜占庭容错：在少于三分之一的节点恶意作弊或被黑客攻击，仍然能保证系统正常工作。
（4）链上代码（chain code），区块链载入的合同或法律文件为可执行的程序，条件满足时自动执行，称为“链上代码”或“智能和约”。把合同执行转换为类似“if …then…”的代码并执行，可以消除合同文本因文字而存在的“二义性”。
要素（1）表示区块链是一个“公共账簿”，要素（2）表示区块链是一个分布式账簿，要素（3）表示区块链是一个“一致性的同步分布式账簿”，要素（4）表示区块链具有可执行的功能。区块链可选择不同的加密方法，如RSA、我国的国密算法、Ed25519等签名算法，可达到金融级别的安全性。
区块链的计算架构是以一种比较笨拙的方法，即分布式的、重复的账簿备份，把现有“主—客”架构变成多个平等节点的分布式架构。区块链在存储空间上属于奢侈的行为，但在当今存储成本非常低廉的背景下，可以容忍以牺牲存储空间的方式和通信速度，来实现对安全性和防篡改的社会需求。
节点的最大范围是互联网中所有的人都可以参与。未来，如果区块链作为物联网通信的基础架构之一，物体也作为节点参与，那么节点的范围将大得难以估计。区块链的共识机制，就是所有分布式节点之间怎样达成共识，通过算法生成和更新数据，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。
根据应用的开放程度的不同，分为公有链和许可链，其中许可链又分为联盟链、私有链、企业链。公有链因节点多（例如向全球公开），导致交易速度非常慢，比特币网络交易的速度逐年下降说明了这种机制的不足。
在许可链中，只有被许可的节点才能参与投票、记账、建块，交易速度快，不需要挖矿机制，交易成本低。多数商业应用的参与节点是有限的，经许可才能参与，即半开放状态。许可链采用共识机制，即数据一致性机制，主要使用PBFT（拜占庭容错）和CBFT（区块链建块方法）。PBFT需要3轮投票，采用广播式通信方式，每次通信都需要签名、解签，每笔交易也需要签名和解签，因此，主要算力都花在共识处理机制中。
联盟链（consortium blockchains，共同体区块链）与当前商业领域的生态架构较为相似，存在对等的不信任节点，如企业联盟、供应链节点、商业生态圈、商会、行业协会等。联盟链是本书研究的主要模式，本书没有特别指明的区块链结构即为联盟链，其特点如下。
（1）联盟链中所谓的共同体为半封闭、半开放的生态，可以有新的节点加入，也可以退出，但节点的进入、退出需要按商业组织的规则进行事先选择。
（2）节点之间的关系多由近乎平等的商业交易关系形成，可协商、可谈判，链中不存在绝对控制权的超级节点。
（3）区块链数据在链内是公开的，也可以是节点内部的，参与节点之间的连接状态较好、验证效率较高，交易处理效率高，只需要较低的成本即可维持运行，可扩展性良好，数据具有一定的隐私性。
2 区块链信用机制
区块链存在于不安全的环境下，即互不信任的节点之间的交易记账规则。反之，在安全环境下、相互信任的节点之间，无须区块链作为解决方案。在本质上，区块链就是一种创造信用的机制：在互不信任的节点的博弈之下，大家至少认可、承认已经共同确认的交易，这是人的理性行为底线。所以，无论何种规则，都是以人的理性为前提、为底线的。
在现实社会的商业世界中，大量第三方信用机构的存在就是为交易提供信用服务的。人类因信用付出的成本是极其高昂的，信用成本在多数交易中属于占比最大的成本之一。税收很大一部分用于社会化的第三方信用服务机构，如商检、质检、交易所、律法、法院、仲裁、协会、担保、保险等，大量的人力资源服务于第三方信用机构。
将第三方信用与区块链弱中心化的信用机制进行比较，其区别如下表。
在上表中，区块链可以减少甚至不需要第三方信用中介的参与，由数字资产的所有交易历史、参与者的共同监督来形成信用，在主体都为理性人的假设下，这种机制使得主体按规则行事，即形成信用。这种机制的主要优点如下。
（1）弱中心化
弱中心化是区块链技术的颠覆性特点，减少交易当事人之外的资源参与交易，达到节约资源、交易自主化、流程简单化的目标，排除被中心化代理控制的风险。传统的交易由于点对点都互不信任，就必须依靠第三方信用的介入，区块链实现了在无中介机构的情况下双方相互转账，比特币就是区块链目前最成功的数字货币实验。
（2）点对点交易
点对点交易具有高效率、大规模、无中心化代理的优点，所有成员参与对价值传递的监督、控制和审计，包括地址、链、公钥、私钥、摘要等几乎所有数据记录的要素，具有全生命周期的信用连续性。同时，所有节点实时同步，谁也无法实现全局控制，且永不宕机。
（3）价值传递
区块链可以完整、“不可篡改”地记录价值转移的全过程，这使得账本证明交易记录具有唯一性，即同一个标的物不可能同时卖给两个人，即避免“双花”问题。
（4）合约的自动执行
将合约的规则由编程固化在代码中，自动判别各节点执行合约的条件和需履行的义务，自动执行满足条件时的合约事项，在没有中心机构的监督下保证合约有序执行，提升执行效率并减少资源浪费。例如，合同条款规定一家公司债权发生转移的条件，转换为区块链中的编码，当条件发生时，智能合约执行定义的合同条款，避免人工干预的不可预期性。
（5）自治性
区块链采用基于协商一致的规范和协议（比如一套公开透明的算法），使得整个系统中的所有节点都能够在去信任的环境下自由而安全地交换数据，使得对“人”的信任变成了对机器的信任，而单一节点对区块链的干预不起作用。
与第三方信用相比较，区块链的信用机制具有巨大优点。但经验告诉我们，世上不可能存在十全十美的事物和规则，目前区块链技术至少存在以下不足。
（1）效率问题
在区块链中，数据的一致性与可用性存在背反性，严格的一致性导致交易时间延长，交易吞吐量降低，因此两者必须平衡。保证数据的一致性是区块链的首要任务，所以平衡的结果必须是适用性的降低。公有链为保证数据一致性，主要使用工作证明PoW机制和股权证明PoS机制，从而降低了交易速度。
（2）存储成本和处理性能
小规模应用可以不考虑账本的存储成本，但随着大型应用和账本规模的增长，节点的硬件资源门槛必须提高，云存储最终将作为解决方案，这在一定程度上牺牲了节点的安全性。
（3）安全性局限
以比特币为例，采用“工作量证明”，只有在控制了全网超过51%的记账节点的情况下，才有可能伪造出一条不存在的记录。但这并非不可能，区块链技术的安全问题还有待验证。所以，需要引入大量节点，如果节点太少，那么51%的攻击则很容易实现。
（4）私钥与终端安全
私钥相当于账号主体的身份证明，私钥可以解开公钥加密的数据，说明付款方确实是当前操作人。私钥必须妥善保存，一旦丢失，就丢失了账户内的所有数据，也包括所有的财产。私钥的存储，物理存在于用户终端，如果私钥被窃取，就可能出现冒名操作和资金损失。
（5）共识机制安全
目前，PoW和PoS共识机制的安全性缺乏严格的科学证明和大规模科学实验。
3.区块链的应用场景
促进跨组织节点之间形成信用关系，这是区块链商业应用的基本功能。在现实中，凡是具有公正、公平、诚信需求的场景——资产或权益的交易，区块链技术对这类场景具有天然的匹配性。
区块链是建立在非安全环境中的分布式数据库系统（如果是安全环境就没有必要加密了）；作为分布式架构，就必然具有跨组织协调的功能与价值。所以，区块链不适用于具有绝对控制权节点的环境，也不适用于十分安全的环境。
区块链技术如何走向成熟、如何广泛应用于实践，是业界最为关心的问题。
2015年12月，麦肯锡标题为“超越炒作：资本市场中的区块链”的报告，提出区块链技术在金融领域的广泛应用要经历以下四个阶段。
第一阶段（2014—2016年），技术评估阶段。每一个企业的法人实体将充当分布式总账中的“节点和簿记员”，类似以私有区块链来实现。例如，银行移除人工操作程序来扩展区块链记录，可以改善业务操作的效率。
第二阶段（2016—2018年），概念验证阶段。金融机构的所有法人实体都联合起来试验区块链技术。
第三阶段（2017—2020年），基础设施形成阶段，市场由交易中间商主导。
第四阶段（2021年以后）：全面应用阶段，买卖双方组成公开市场。
总结目前各国正在实践的区块链应用，目前较为清晰的应用及其进程如下图。
目前比较成熟的技术和应用是数字代币（ICO）和区块链存证，数字票据和数字货币将是区块链应用的下一个热点领域。
（1）数字代币（ICO）
比特币的大热让人们对数字代币不再陌生，但现有数字代币存在总量一定、价格波动剧烈、没有法律保障或公信力低等缺点。数字代币的应用仍然处在试验阶段，未来将对数字代币政策的制定与实施、支付结算体系、反洗钱等经济金融的多个方面产生一系列深远影响。
（2）区块链存证
商业领域和民生领域的存证应用都具有显著的效果，民生领域在出生证明、精准扶贫、慈善（募捐）、遗嘱、婚姻登记、财产公证和学历证书等领域采用区块链解决方案，可有效解决传统信用中介效力不足的情况，区块链公开记账方式形成公平化、透明化、可查询的公用信息（部分需要依据权限查询），将极大地提高这类社会基础信息的公信力，避免部分不良分子利用信息不公开、难以查证等来进行违法活动，长远来看可以建立起一个集体参与和集体维护的社会治理系统。
商业领域的存证功能，关键在于形成有效的电子证据，将证据的形成时间、签署主体、文件哈希值等数字指纹信息广播到链内所有成员，信息一经存储，任何一方无法篡改，从而达到电子证据的可信性要求。另外，为提高存证的信用级别，使得存证可以直接用于司法审判，可以采用更加完善的“私证+公证+电子签名+区块链”的数据链模式。
（3）数字票据
票据是企业之间支付最常用的方式，传统纸质票据存在诸多不足。当以电子数据的形式存在“区块链+数字票据”时，区块链上持有的票据被各个机构节点所确认、背书，有数据保全的安全性，以点到点的直接交易使得数字票据的交易远比线下交易更为便捷、低成本，且无须清算。
（4）数字货币
数字货币不同于数字代币，前者是国家央行授权发行的真实货币。数字货币应当具有非稀缺性、价值稳定性、低成本或零成本、不可伪造或篡改，以及赢得共同的信仰五大技术特征 。只有当数字货币得到应用与推广时，区块链的去中心化价值交易功能才能真正得以实现。但目前对于数字货币，各国央行仍然未能推出实用方案，多数处在研发、试验阶段。
（5）信用链（价值传递）
在数字货币的基础上，通过点对点的机制，以机器信用代替第三方信用，能够在多个节点的链式网络上传递价值，同时能够避免重复支付。
（6）智能合约
尼克·萨博提出“一个智能合约是一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议” 。在传统的中心化机制下，合约存在被机构管理者修改、停止的威胁，主观意志可以干预合同的执行。区块链赋予智能合约一个绝佳的执行环境，因为写入区块链的执行条件不能再被修改，参与方不能人为干预合同的执行，合同不以参与人的意志为转移，只要条件满足，合同就执行下去。自动执行可大幅降低交易成本。智能合约可以支持复杂的逻辑计算。
（7）自治组织
自治组织完全以软件的形式构建，不受人为的影响和控制，被认为是最纯粹的去中心化理念，能够杜绝管理人员在人性上的不足（如自私、腐败）。通过人工智能或智能程序进行工作是去中心化组织的终极模式，自治代理、智能程序、不断进步的人工智能和人工智能算法将提供可自我维持的运作和价值创造。这个设想有待真实的试验来证明。
（8）其他发展
智能合约与自治组织的出现，使得区块链技术将交易成本大幅下降，社会与商业信任关系重构，社会管理效率与商业组织治理模式也将发生巨大变化，这方面的创新将留给人们巨大的想象空间。
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下面给出与身份证明有关的案例。**
【案例分析】出生证明的区块链存证
2017年8月，美国伊利诺伊州已经开始新的区块链试点，重心是出生证明的数字化，由区块链身份初创企业Evernym开发。婴儿出生时在场的父母和医生正式在许可型区块链上记录其出生。企业和政府可以通过加密访问可验证的声明来验证公民身份。在提议的框架内，现任政府机构可以验证个人的出生信息，加密签署名称、出生日期、血型等在内的个人数据。这些信息存储在防篡改的分布式账本中，只有法定监护人允许才可以访问，直到信息相关人达到法定成年年龄。在试点初期，工作重点是创建用户界面，父母和医生都可以通过这个界面完成出生证明的数字化，同时支持其他后端流程。
