目录
摘要
第一章 区块链技术概述
1.1 区块链技术起源
1.2 区块链的技术特征
1.3 区块链的类型
第二章 区块链技术的应用场景
2.1 区块链1.0阶段: 可编程货币
2.2 区块链2.0阶段: 可编程金融
2.3 区块链3.0阶段: 可编程社会
第三章 区块链的信息安全问题及解决方案
3.1 区块链技术的安全特征
3.2 区块链面临的安全挑战与应对措施
3.3 构建安全的区块链系统
结束语
参考文献
摘要：区块链技术起源于比特币，是一种新型去中心化基础架构和分布式计算范式，其本质是去中心化和去信任的分布式数据库。作为一种信息技术的集成应用模式，区块链具有去中心化、安全可靠、集体维护等特点，在泛金融服务、物联网、智慧医疗、供应链、智能制造、等众多领域有广阔的应用前景。区块链技术尽管得到不断的研究与应用，但是也存在安全问题，在技术层和业务层面临诸多风险。本文侧重于三个核心问题：1. 什么是区块链技术？2. 区块链技术的应用场景？3. 区块链的安全挑战与应对措施？希望通过介绍区块链技术的理念、应用和安全，为区块链研究者提供有益指导与借鉴。
关键词：区块链技术 应用场景 安全挑战
第一章 区块链技术基础
区块链技术是一种新型去中心化基础架构和分布式计算范式，在智能化对等网络中，由多个节点共同维护基于共识机制，密码学和时序数据所构建的分布式数据库，用来存储、传播和识别比特币交易或其他数据1。通过区块链技术可以打造去中心化、去第三方、智能化、集体协作的隐私、高效和安全的价值互联网，使价值能低成本、安全、高效地流通，具有巨大的社会和经济价值2。目前，大部分的成熟区块链是基于密码学的去中心化分布式数据库，其基本概念包括交易、区块和链，比如比特币就是一个分布式账本。交易指对区块链的一次操作，如增加一条记录；区块指对某段时间内发生的交易与账本状态结果的记录；链指
3区块按时间串联成一个线性序列，是记录区块变化状态的日志。区块链技术是
比特币的底层技术，也是FinTech(金融科技) 的核心。
1.1 区块链技术起源于比特币
2008年10月31日，中本聪(Satoshi Nakamoto)在一个隐秘的密码学讨论组上发布比特币系统的白皮书--《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System 》，全面地阐述了比特币的原理以及对虚拟货币的看法4。中本聪认为，传统的货币的根本问题是信任，而法定货币却充满了背叛。公民被动地，无隐私地信任银行，可是银行却通过信用泡沫将货币抛洒出去。他对银行体系和信用货币的失望，促使了比特币的诞生。比特币是依据特定算法，通过大量计算产生的总量固定、发行有规律的数字货币，并借助在开源软件基础上构建的价值互联网点
4对点传输。比特币作为一种准货币发行系统，不仅解决了信用货币的超发问题，而且实现了低成本、准实时、去中心化的货币结算。与其它虚拟货币相比，比特币摆脱了对第三方信任的以来，其实现价值流通的过程如图15。
图1. 区块链网络中价值流通的过程。比如A 想要发送钱给B ，则会产生一个新的账本数据，即一个区块。这个区块会由分布在全球的多个独立计算机组成的无结构点对点传输(P2P)网络扩散到每个节点，然后有验证权限的节点会验证交易的有效性。验证后的区块会再次通过P2P 网络进行扩散，最后所有对达成一致的交易结果进行记帐，即将这个区块添加到链上，记完帐后资金才会从A 转移到B 。
区块链概念起源于比特币，具有公开性、安全性和唯一性。区块链技术最初目的是支持比特币的产生与流通。区块链的本质是去中心化、去信任化，集体维护的安全可靠数据库，适用于缺乏信任的领域6。区块链技术通过去中心化的智能P2P 网络，结合密码学、时序数据和共识机制，以确保分布式数据库的可靠性，使信息能准实时验证、可追踪、但难以伪造和屏蔽，进而望构建一个隐私、高效、安全的共享价值互联网。如果说互联网实现了信息的去中心化，那么区块链有望实现价值的去中心化5。
1.2 区块链的技术特征
根据区块链的定义，区块链有四个主要特征：去中心化、去信任、集体维护和可靠数据库，并由这些主要特征引申出的开源性和匿名性7。
去中心化：区块链技术基于去中心化的P2P 对等网络，不依赖中心化的硬件设施或者管理机构, 没有中心化的认证和管理机制。网络中各节点通过分布式计算和存储，实现信息的即时验证，传播和管理，没有对中心单点节的强依赖问题。
去信任：系统中的所有节点能自动安全地验证和交换数据，无需互相信任。利用成熟的加密技术、公开透明的运作规则和数据内容，来保障各节点间的交易的不可欺骗性。
集体维护：系统中所有具有维护功能的节点共同维护数据块，而且任何人都可参与维护节点的功能。例如，比特币为激励全网参与集体维护，采取了挖矿的机制，即给拥有记账权的节点分发比特币。
可靠数据库：以分布式数据库的形式，让各个参与节点都能获取完整数据库的拷贝。若无法同时控制系统中超过51%的节点，则单节点修改数据库是无效的, 也不会影响其他节点上的数据。随着系统中的节点增多和计算能力，系统中的数据安全性会变强。
开源：因为区块链的运作规则必须是公开透明的，所以区块链所使用的加密技术，点对点通信技术和分布式共识技术等必定是开源的。
隐私保护：区块链去信任的特点使系统在无需公开验证各个参与节点的身份的情况下，尽心数据的验证和交换，保护了各个参与节点的隐私。
1.3 区块链的类型
区块链系统根据访问和管理权限的不同，可分为公有链、私有链、联盟链8。公有链每秒的写入速度为3-20次，联盟链和私有链每秒的写入速度为1000次以上9。目前，除比特币区块链外，还演变出竞争币、彩币和侧链等多种子区块链模式10-11，16。
公有链是完全公开的区块链，任何人或组织都可自由的加入或退出网络，，参与区块链数据的访问、写入和共识，并且都可以参与系统维护工作。公有链是最早也是目前应用最广泛的区块链，由系统中的，例如以比特币为代表的虚拟数字货币均基于公有链。
联盟链在开放程度和去中心化程度上有所限制，通过授权的公司或组织才能加入与退出网络，并由各机构组成的利益联盟共同维护区块链。区块链数据的访问权限可能是公开的，也可能是像写入权限只属于联盟中的节点。
私有链的写入权限收归于个人或一个公司的中心化控制，而访问权限有选择性的对外公开。因为私有链与云计算相似，所以私有链没有得到认可和使用，传
统金融机构纷纷退出所参与的私有链项目。
第二章 区块链技术的应用场景
区块链技术随着比特币出现后，经历了3个不同的发展阶段：区块链1.0，实现可编程货币；区块链2.0，实现可编程金融；区块链1.0，实现可编程社会12。区块链1.0是以比特币为代表的密码学货币的应用，去中心化地发行、支付与汇兑虚拟化货币。区块链2.0是在金融领域的应用，例如股票、众筹和按揭。区块链3.0是在货币、金融和市场以外的应用，在政府、医疗、文化等社会活动的中，协调和分配社会资源。目前，区块链技术已经渗透到经济社会中各个领域9，具有丰富的应用场景，如图2。其中，金融区块链应用较为成熟，其他领域的应用仍处在起步探索过程中9。
图2. 区块链场景应用概览
2.1 区块链1.0阶段: 可编程货币
区块链1.0阶段的应用核心是虚拟货币和支付系统，以比特币为代表。区块链技术能加速资金的流动和简化清算流程，在跨境支付中能降低成本并提高交易
5效率。虽然虚拟货币遇到价格波动剧烈，通货紧缩，挖矿浪费能源和各国政府监管的限制等多重问题，但是其底层的区块链技术受到越来越多的重视13。区块链技术更加宏伟的愿景是全球货币的统一，及货币的发行、支付及汇兑不再依赖各国的央行等中心化金融机构。若要形成这样一个全球的区块链网络，需要很多个体和机构共同协作，将会是一个漫长而艰巨的过程。
区块链技术的共识机制和信息的不可篡改，解决了数字货币的双花问题和网
14络节点的拜占庭将军问题。双花问题是指货币被重复使用和记录的问题15。在
区块链技术出现之前，由于数字货币可无限复制，若没有一个中心化的管理机构，则无法判断数字货币是否被花掉。使用区块链技术的新型虚拟货币，采用网络中所有节点记总账，并由加密协议和挖矿节点确认交易的方式解决了双花问题，实现了去信任和去中心化的交易。拜占庭将军问题原指由于2个军队的信使出错，导致军队间传递的信息有误，影响了军队的一致性，甚至会给双发带来重大损失15。在去中心化的网络中，一些坏掉的节点可能对外不传播信息或传播错误信息情况，如何验证数据传输的准确性至关重要。区块链的共识算法对新增数据达成
共识，使用户只要相信区块链系统，解决了拜占庭将军问题。
2.2 区块链2.0阶段: 可编程金融
区块链2.0应用的核心是智能合约，其基石是经济、市场和金融，例如股票、
9期货、期权、贷款、众筹、产权、债券、对冲基金等。智能合约泛指系统上自
动运行的程序13，当预先设定的多方协议条款被满足时，程序就会被系统自动执行。以自动售卖机为例，当用户塞进钱并选择商品后，机器就会自动弹出商品并找零。基于区块链的智能合约具有自治、自足和去中心化的特点，大幅降低了合约“建立-执行-强制实施”流程所需的人力资源，不仅降低了成本，而且提高了执行和强制实施的效率。自治指智能合约启动后就会自动运行，无需发起者做任何干预。自足是指智能合约可以通过服务或发行数字资产来资助获得资源。去中心化是指智能合约在分布式网络中自动运行，规避了第三方操纵的风险。智能合约与智能资产、自动化的过程和系统的协作，使区块链从最初的货币体系拓展泛金融领域。结合了智能合约的可编程区块链，使可编程金融变为可能。
若区块链1.0的远景是货币和支付手段的去中心化，则区块链2.0的远景是整个市场的去中心化。区块链2.0尝试建立一个共享的技术平台，向开发者提供BaaS(Blockchain as a service) 服务, 提高交易速度，降低能源消耗，简化分布
9式应用的开发过程，并支持PoW 、PoS 和DPoS 等多种共识算法。智能合约，分
布式应用，图灵完备的虚拟机是区块链2.0的典型特征。例如，区块链众筹（如图3）相比于传统众筹，速度更快，结算周期更短，费用更低，安全性更强17。在众筹业务初期，发起人、众筹平台、领投人等多方协议出一份众筹合约，以规范各自的权力与义务，并以智能合约的形式嵌入到区块链。基于区块链的众筹合约具有难以篡改，即时验证和可追溯的特征，并且启动后由智能合约自动强制执行，不受第三方机构的干预。
图3. 区块链众筹合约示意流程。若用户A 发起500万元的众筹项目，则需要发起人、众筹平台、领投人、保荐人等多方协议签署的一份众筹合约，并写入众筹区块链中。依据智能合约预先设定的条件，众筹区块链会创建第一个事务(TX1)，即创建一个联名账户，由合约方共同拥有和维护。其中，领投人汇入300万，余下的200万由投资人跟投。接着，同时创建事务TX2和TX3。TX2约定若在规定时间内完成200万的跟投任务，则发给人会收到来自联名账户的500万。TX3约定若跟投任务未完成，则众筹失败并由系统核算交易记录后全额退款。众筹合约
由系统自动履行，不受第三方干预。
2.3 区块链3.0阶段: 可编程社会
区块链3.0是价值互联网的内核，是超越货币、金融和市场等领域的应用，目标是实现可编程社会13。价值互联网是建立在信息互联网之上的，以区块链底层技术来实现无中心价值传输的组织社会生产的网络。区块链能以代码的形式存储、验证和计量互联网上有价值的事物体，例如公民信息，数字资产，保险理赔等，从而使价值在网络中上可被追踪、控制和转移。随着区块链技术的不断发展，其公开公正的应用能拓展到众多有信用需求的领域，例如共享经济、审计公证、公共卫生、物流管理等。区块链可以改变人与人，人与机器，机器与机器价值交换的方式，使网络中的参与者更加自由和平等。区块链技术让所有人和机器都连接到一个全球性的网络中，实现日趋自动化的物理资源和人力资源的全球化分配，促进金融、医疗、教育、科学、文化等领域的大规模协作，进而重塑整个社会的生产方式。
目前，区块链3.0尚无成熟的商业应用，最先可能落地的应用是物联网与云计算5。在物联网市场的龙头企业中，除PTC 没有正式公布区块链项目外，IBM 、GE 和微软都在各自云平台上开放区块链服务（BaaS ），为海量物联网设备接入准备了弹性资源池。基于中心化架构的传统云-端物联网，由一个数据中心收集所有接入设备的信息，难以满足海量终端交互的需求。有预测称2020年物联网的接入设备江大260亿个12，物联网中心系统的通信压力加大，延时也会相应变长。除此之外，传统物联网还有其它不足：1. 成本高：中心化云服务的建设、使用和维护成本高，包括人力资源和大型服务器的投入；2. 设备安全：僵尸网络能规模更大奴役物联网设备，发起DDoS 攻击，让其他网站服务器瘫痪；3. 个人隐私：中心化的机构可在未经授权的情况下，收集和分析用户资料，用户隐私数据泄露事件时常发生；4. 通信兼容：全球物联网平台有多个竞争性的标准和平台，阻碍物联网设备间的通信；5. 多主体协同：很多物联网运营商自组织网络，致使多个主体间协作时的信用成本很高。采用区块链技术可以打造新一代去中心化的物联网（如图4）23，能很好解决传统物联网遇到的问题，具有低成本、安全可靠等优势19。
图4. 区块链与物联网应用融合框架。利用区块链技术，打通物联网产业链和物联网设备的数据通道，促进物联网生态圈的共识，推进数据在整个物联网生态中的应用。
第三章 区块链的信息安全问题及解决方案
面对越来越复杂的应用场景、智能设备、通信网络和计算方式等，信息安全面临巨大的挑战。尚未成熟的区块链技术，也面临着平台安全与应用安全的严峻形势20。2016年6月，依托区块链技术的全球最大众筹项目The Dao 被黑客劫持了价值约为6000万美元的以太币，导致以太币分叉为ETC 和ETH 两条区块链，引起业内高度关注22。此外，基于区块链技术的比特币因其匿名性，曾被广泛用于非法交易，例如“丝绸之路”网站利用比特币和洋葱路由，进行毒品交易、洗钱、恐怖活动等20。虽然区块链技术能在一定程度上降低数据集中化风险和集中式黑客攻击，保证系统的可持续服务，但是区块链也不是万能的，目前还无法解决业务逻辑、技术漏洞、钓鱼软件和初始身份认证等信息安全问题。
3.1 区块链技术的安全特征
区块链技术在信息安全领域，具有如下特征：1. 写入安全：共识机制确保写入数据安全性，只有当系统中大多数参与者达成一致后，数据才能写入到区块链中；2. 读取安全：非对称加密技术确保读取数据安全性，采用多私钥规则对访问权限进行控制；3. 可靠数据库：点对点、去中心的分布式架构抵抗分布式拒绝服务，保证数据库的安全可靠。
3.2 区块链面试的安全挑战与应对措施
理论上，区块链技术具有公开透明、不可篡改、可靠加密、标识唯一、防分布式拒绝服务攻击等优势。但是，区块链系仍然受到诸多挑战，如图5所示24。 在实施安全防护时，需要分析安全需求，制定风险模型，从技术和管理方面全局考虑地方案的准确性。
基础设施：1. 对识机制的挑战：区块链的共识算法只能在特定范围内保障数据的安全，最常见的是Pow （工作证明）和PoS （股份证明）机制25。使用PoW 共识的区块链主要面临51 % 攻击问题, 即节点通过控制网络中超过51 % 的算力，就可以篡改和伪造区块链数据。使用PoS 共识过程的区块链在一定程度上解决51 % 攻击问题的同时，也引入了区块分叉时的 N@S (Nothing at stake) 攻击问题。因此，更为安全和有效的共识机制尚有待于更加深入的研究和设计。2. 网络公开不设防：公有链中的所有数据都在公网传输，节点的加入与退出不受限制，易导致数据的泄露。因此，对于安全性要求较高的行业，如金融行业，可以采用专线接入区块链网络，对接入节点进行身份验证，以及通过协议栈级别防火墙的安全防护措施，以防止网络攻击。
隐私保护：交易数据：区块链上的交易数据是公开透明的，参与节点可以跟踪这些交易, 不利于隐私的保护。区块链系统内各节点并非完全匿名，而是通过地址标识来实现数据传输。随着各类反匿名身份甄别技术的发展，定位和识别地址标识直接关联的真实世界的人物身份成为可能。因此，可以限制数据的访问权限和传播范围、由认证机构代理用户交易、隐私保护算法等方式规避隐私风险9。 系统设计：区块链缺乏统一的技术规范和可靠性。当系统漏洞被黑客利用时，没有明确的失效保护和止损方式来保护系统的安全。例如，比特币设计的限额为2100万个，而整数溢出漏洞导致了1840亿个比特币的凭空创造27。因此，区块
链技术急需设计合理的架构、协议、技术规范、安全系统等。
操作管理：1. 私钥的安全：私钥由用户生成并保管，没有第三方参与。私钥一旦被丢失或被窃取，将会给用户带来重大损失。因此，设计合理的私钥管理机制并加强用户保护私钥的能力，仍待进一步的探索。2. 算法的实现：区块链技术使用了大量密码学技术，属于算法高度密集工程，在实现上容易出安全隐患。例如，NSA 曾在RSA 算法实现上埋入缺陷，使其能轻易破解他人的加密信息26。因此，在实现上需要经过多次审查以避免漏洞。
技术更新迭代：随着数学、 密码学和计算技术的快速发展，区块链的非对称加密机制的安全性逐渐变弱。量子计算机等技术的持续演进，使破解区块链加密算法成为可能。因此，应尽早设计适合区块链的对抗量子攻击的加密算法。
图5. 区块链技术面临的诸多挑战，包括基础设施、隐私保护、系统设计、操作管理。
3.3 构建安全的区块链系统
针对区块链技术的安全特征和安全挑战，应综合技术手段和规范标准构建安全体系，从物理、数据、系统、私钥、风控等方面，整体提升区块链系统的安全性能。国家或相关机构应展开区块链安全问题的研究，制定区块链规范或标准以提升安全监控能力，保障区块链产业将康发展和持续创新。
物理安全:1. 设计合理的共识机制，规避51 % 攻击和区块分叉时N@S攻击等安全风险。2. 根据业务的监管要求，使用不同的隔离机制，如VPN ，防火墙等，使区块链系统的通信网络和参与节点处于受保护的状态。
数据安全：1. 区块链系统内的节点进行数据交换时，应使用加密算法以确保数据的安全。针对敏感数据，应采取脱敏措施并严格控制读取权限。2. 使用由认证机构代理用户交易、隐私保护算法等方式规避交易双方身份的泄露。
系统安全：应用系统应该具有设计合理的架构、协议、应用场景、安全系统和技术开发规范，以防止黑客的攻击以及防止非法交易。相关机构应综合考虑身份认证、权限体系、交易规则、防欺诈策略等因素，使运行人员、交易节点与数据可控、可审计。
私钥安全：1. 私钥应该执行严格的生命周期管理，到达一定的时间周期后需要更换私钥。2. 私钥应该用加密后，妥当保管在多个节点上。3. 制定私钥的失效机制，使系统能识别原私钥的相关记录，如账号控制等，并实施响应措施使原私钥失效。
风险控制：1. 制定明确的失效保护和止损方式，防止系统漏洞危害的进一步扩大。2. 制定系统检查的机制，维护网络层、参与节点和应用系统的可靠运行。
3. 设置“信号兵”机制，对可疑操作进行警告、记录和审查等。若遇到非法操作，应该在技术和技术层面进行补救，追查其来源以阻止类似攻击。
结束语
区块链技术是在当前信息互联网基础上构建价值互联网的底层框架，应用范围将加速从可编程金融向可编程社会扩散。其中，区块链与云计算、物联网结合越发紧密，BaaS （区块链作为服务）有望成为公共信任的基础设施，激发数字经济的高速发展。虽然区块链技术在数学上具有完备性，但是仍存在平台与应用的安全问题。面对日益严峻安全的挑战，既需要从工程和管理等层面上全局考虑，也需要国家或相关机构制定区块链技术规范和标准。
参考文献
[1]《区块链 技术驱动金融：数字货币与智能合约技术》 作者: 阿尔文德·纳拉亚南、约什·贝努等 出版社: 中信出版集团 出版时间:2016年08月
[2]《区块链：价值互联网的基石》 作者: 赵刚 出版社: 电子工业出版社 出版时间:2016年06月
[3] Crosby, Michael; Nachiappan; Pattanayak, Pradhan; Verma, Sanjeev; Kalyanaraman, Vignesh. BlockChain Technology: Beyond Bitcoin
[4] 中本聪 / 比特币：一种对等网络电子现金系统.
[5] 区块链：互联网的诗和远方。作者：安信证券 出版时间:2016年4月7日
[6] Iansiti, Marco; Lakhani, Karim R. The Truth About Blockchain. Harvard Business Review (Harvard University). January 17, 2017.
[7] 什么是区块链 网址：http://chainb.com/?P=Cont&id=6
[8] O'Connell, Justin. What Are the Use Cases for Private Blockchains? The Experts Weigh In — Bitcoin Magazine. Bitcoin Magazine. 2017-06-17.
[9] 《中国区块链技术和应用发展白皮书》. 作者：中国区块链技术和产业发展论坛. 出版时间:2016年10月18日.
[10] 论文Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains 网址：https://www.blockstream.com/sidechains.pdf
[11] Blockstream Moves Ahead with Sidechain Elements, the First Implementation of Sidechains 网址：
https://bitcoinmagazine.com/articles/blockstream-moves-ahead-sidechain-elements-first-implementation-sidechains-1433883105
[12]《当金融科技遇到区块链——世界金融技术体系500年后的再重构》. 国金证券. 2016年6月20日
[13] 《区块链：去中心化利器，重塑信用机制》. 光大证券 .2016年4月17日
[14] 区块链入门（一）：区块链1.0：货币 网址：
http://www.ethchinese.com/?p=80
[15] 拜占庭将军问题和双花问题的克星：区块链 网址：http://www.szhbkx.com/service_list.html?faqs_id=311
[16] 申银万国券商发布区块链研究报告.
[17] 区块链经济蓝图及导图
[18] 扒一扒物联网与区块链的关系. 网址：
http://iot.ofweek.com/2016-12/ART-132209-8120-30081350_2.html
[19] 区块链在物联网中的应用. 卿苏德. 2017年6月8日.
[20] 区块链产业生态、存在问题及政策建议. 中国信息通信研究院与腾讯研究院区块链联合课题组. 2017年3月7日.
[22] 深入解析ETH 和ETC 的区别：以太坊(ETH)与以太坊经典(ETC). 2016年10月31日.
[23] 中国区块链与物联网融合创新应用蓝皮书. 2017年9月10日
[24] 全球区块链应用十大趋势. 中国信息通信研究院.2017年5月26日
[25] 区块链技术发展现状与展望. 袁 勇、王飞跃.
[26] 安全性将是区块链应用最大的障碍.
[27] 全球著名黑客教授发出区块链失败警告：我们不应太狂热，这项技术还很早期. 2017年5月1日
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第一章 区块链技术概述
1.1 区块链技术起源
1.2 区块链的技术特征
1.3 区块链的类型
第二章 区块链技术的应用场景
2.1 区块链1.0阶段: 可编程货币
2.2 区块链2.0阶段: 可编程金融
2.3 区块链3.0阶段: 可编程社会
第三章 区块链的信息安全问题及解决方案
3.1 区块链技术的安全特征
3.2 区块链面临的安全挑战与应对措施
3.3 构建安全的区块链系统
结束语
参考文献
摘要：区块链技术起源于比特币，是一种新型去中心化基础架构和分布式计算范式，其本质是去中心化和去信任的分布式数据库。作为一种信息技术的集成应用模式，区块链具有去中心化、安全可靠、集体维护等特点，在泛金融服务、物联网、智慧医疗、供应链、智能制造、等众多领域有广阔的应用前景。区块链技术尽管得到不断的研究与应用，但是也存在安全问题，在技术层和业务层面临诸多风险。本文侧重于三个核心问题：1. 什么是区块链技术？2. 区块链技术的应用场景？3. 区块链的安全挑战与应对措施？希望通过介绍区块链技术的理念、应用和安全，为区块链研究者提供有益指导与借鉴。
关键词：区块链技术 应用场景 安全挑战
第一章 区块链技术基础
区块链技术是一种新型去中心化基础架构和分布式计算范式，在智能化对等网络中，由多个节点共同维护基于共识机制，密码学和时序数据所构建的分布式数据库，用来存储、传播和识别比特币交易或其他数据1。通过区块链技术可以打造去中心化、去第三方、智能化、集体协作的隐私、高效和安全的价值互联网，使价值能低成本、安全、高效地流通，具有巨大的社会和经济价值2。目前，大部分的成熟区块链是基于密码学的去中心化分布式数据库，其基本概念包括交易、区块和链，比如比特币就是一个分布式账本。交易指对区块链的一次操作，如增加一条记录；区块指对某段时间内发生的交易与账本状态结果的记录；链指
3区块按时间串联成一个线性序列，是记录区块变化状态的日志。区块链技术是
比特币的底层技术，也是FinTech(金融科技) 的核心。
1.1 区块链技术起源于比特币
2008年10月31日，中本聪(Satoshi Nakamoto)在一个隐秘的密码学讨论组上发布比特币系统的白皮书--《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System 》，全面地阐述了比特币的原理以及对虚拟货币的看法4。中本聪认为，传统的货币的根本问题是信任，而法定货币却充满了背叛。公民被动地，无隐私地信任银行，可是银行却通过信用泡沫将货币抛洒出去。他对银行体系和信用货币的失望，促使了比特币的诞生。比特币是依据特定算法，通过大量计算产生的总量固定、发行有规律的数字货币，并借助在开源软件基础上构建的价值互联网点
4对点传输。比特币作为一种准货币发行系统，不仅解决了信用货币的超发问题，而且实现了低成本、准实时、去中心化的货币结算。与其它虚拟货币相比，比特币摆脱了对第三方信任的以来，其实现价值流通的过程如图15。
图1. 区块链网络中价值流通的过程。比如A 想要发送钱给B ，则会产生一个新的账本数据，即一个区块。这个区块会由分布在全球的多个独立计算机组成的无结构点对点传输(P2P)网络扩散到每个节点，然后有验证权限的节点会验证交易的有效性。验证后的区块会再次通过P2P 网络进行扩散，最后所有对达成一致的交易结果进行记帐，即将这个区块添加到链上，记完帐后资金才会从A 转移到B 。
区块链概念起源于比特币，具有公开性、安全性和唯一性。区块链技术最初目的是支持比特币的产生与流通。区块链的本质是去中心化、去信任化，集体维护的安全可靠数据库，适用于缺乏信任的领域6。区块链技术通过去中心化的智能P2P 网络，结合密码学、时序数据和共识机制，以确保分布式数据库的可靠性，使信息能准实时验证、可追踪、但难以伪造和屏蔽，进而望构建一个隐私、高效、安全的共享价值互联网。如果说互联网实现了信息的去中心化，那么区块链有望实现价值的去中心化5。
1.2 区块链的技术特征
根据区块链的定义，区块链有四个主要特征：去中心化、去信任、集体维护和可靠数据库，并由这些主要特征引申出的开源性和匿名性7。
去中心化：区块链技术基于去中心化的P2P 对等网络，不依赖中心化的硬件设施或者管理机构, 没有中心化的认证和管理机制。网络中各节点通过分布式计算和存储，实现信息的即时验证，传播和管理，没有对中心单点节的强依赖问题。
去信任：系统中的所有节点能自动安全地验证和交换数据，无需互相信任。利用成熟的加密技术、公开透明的运作规则和数据内容，来保障各节点间的交易的不可欺骗性。
集体维护：系统中所有具有维护功能的节点共同维护数据块，而且任何人都可参与维护节点的功能。例如，比特币为激励全网参与集体维护，采取了挖矿的机制，即给拥有记账权的节点分发比特币。
可靠数据库：以分布式数据库的形式，让各个参与节点都能获取完整数据库的拷贝。若无法同时控制系统中超过51%的节点，则单节点修改数据库是无效的, 也不会影响其他节点上的数据。随着系统中的节点增多和计算能力，系统中的数据安全性会变强。
开源：因为区块链的运作规则必须是公开透明的，所以区块链所使用的加密技术，点对点通信技术和分布式共识技术等必定是开源的。
隐私保护：区块链去信任的特点使系统在无需公开验证各个参与节点的身份的情况下，尽心数据的验证和交换，保护了各个参与节点的隐私。
1.3 区块链的类型
区块链系统根据访问和管理权限的不同，可分为公有链、私有链、联盟链8。公有链每秒的写入速度为3-20次，联盟链和私有链每秒的写入速度为1000次以上9。目前，除比特币区块链外，还演变出竞争币、彩币和侧链等多种子区块链模式10-11，16。
公有链是完全公开的区块链，任何人或组织都可自由的加入或退出网络，，参与区块链数据的访问、写入和共识，并且都可以参与系统维护工作。公有链是最早也是目前应用最广泛的区块链，由系统中的，例如以比特币为代表的虚拟数字货币均基于公有链。
联盟链在开放程度和去中心化程度上有所限制，通过授权的公司或组织才能加入与退出网络，并由各机构组成的利益联盟共同维护区块链。区块链数据的访问权限可能是公开的，也可能是像写入权限只属于联盟中的节点。
私有链的写入权限收归于个人或一个公司的中心化控制，而访问权限有选择性的对外公开。因为私有链与云计算相似，所以私有链没有得到认可和使用，传
统金融机构纷纷退出所参与的私有链项目。
第二章 区块链技术的应用场景
区块链技术随着比特币出现后，经历了3个不同的发展阶段：区块链1.0，实现可编程货币；区块链2.0，实现可编程金融；区块链1.0，实现可编程社会12。区块链1.0是以比特币为代表的密码学货币的应用，去中心化地发行、支付与汇兑虚拟化货币。区块链2.0是在金融领域的应用，例如股票、众筹和按揭。区块链3.0是在货币、金融和市场以外的应用，在政府、医疗、文化等社会活动的中，协调和分配社会资源。目前，区块链技术已经渗透到经济社会中各个领域9，具有丰富的应用场景，如图2。其中，金融区块链应用较为成熟，其他领域的应用仍处在起步探索过程中9。
图2. 区块链场景应用概览
2.1 区块链1.0阶段: 可编程货币
区块链1.0阶段的应用核心是虚拟货币和支付系统，以比特币为代表。区块链技术能加速资金的流动和简化清算流程，在跨境支付中能降低成本并提高交易
5效率。虽然虚拟货币遇到价格波动剧烈，通货紧缩，挖矿浪费能源和各国政府监管的限制等多重问题，但是其底层的区块链技术受到越来越多的重视13。区块链技术更加宏伟的愿景是全球货币的统一，及货币的发行、支付及汇兑不再依赖各国的央行等中心化金融机构。若要形成这样一个全球的区块链网络，需要很多个体和机构共同协作，将会是一个漫长而艰巨的过程。
区块链技术的共识机制和信息的不可篡改，解决了数字货币的双花问题和网
14络节点的拜占庭将军问题。双花问题是指货币被重复使用和记录的问题15。在
区块链技术出现之前，由于数字货币可无限复制，若没有一个中心化的管理机构，则无法判断数字货币是否被花掉。使用区块链技术的新型虚拟货币，采用网络中所有节点记总账，并由加密协议和挖矿节点确认交易的方式解决了双花问题，实现了去信任和去中心化的交易。拜占庭将军问题原指由于2个军队的信使出错，导致军队间传递的信息有误，影响了军队的一致性，甚至会给双发带来重大损失15。在去中心化的网络中，一些坏掉的节点可能对外不传播信息或传播错误信息情况，如何验证数据传输的准确性至关重要。区块链的共识算法对新增数据达成
共识，使用户只要相信区块链系统，解决了拜占庭将军问题。
2.2 区块链2.0阶段: 可编程金融
区块链2.0应用的核心是智能合约，其基石是经济、市场和金融，例如股票、
9期货、期权、贷款、众筹、产权、债券、对冲基金等。智能合约泛指系统上自
动运行的程序13，当预先设定的多方协议条款被满足时，程序就会被系统自动执行。以自动售卖机为例，当用户塞进钱并选择商品后，机器就会自动弹出商品并找零。基于区块链的智能合约具有自治、自足和去中心化的特点，大幅降低了合约“建立-执行-强制实施”流程所需的人力资源，不仅降低了成本，而且提高了执行和强制实施的效率。自治指智能合约启动后就会自动运行，无需发起者做任何干预。自足是指智能合约可以通过服务或发行数字资产来资助获得资源。去中心化是指智能合约在分布式网络中自动运行，规避了第三方操纵的风险。智能合约与智能资产、自动化的过程和系统的协作，使区块链从最初的货币体系拓展泛金融领域。结合了智能合约的可编程区块链，使可编程金融变为可能。
若区块链1.0的远景是货币和支付手段的去中心化，则区块链2.0的远景是整个市场的去中心化。区块链2.0尝试建立一个共享的技术平台，向开发者提供BaaS(Blockchain as a service) 服务, 提高交易速度，降低能源消耗，简化分布
9式应用的开发过程，并支持PoW 、PoS 和DPoS 等多种共识算法。智能合约，分
布式应用，图灵完备的虚拟机是区块链2.0的典型特征。例如，区块链众筹（如图3）相比于传统众筹，速度更快，结算周期更短，费用更低，安全性更强17。在众筹业务初期，发起人、众筹平台、领投人等多方协议出一份众筹合约，以规范各自的权力与义务，并以智能合约的形式嵌入到区块链。基于区块链的众筹合约具有难以篡改，即时验证和可追溯的特征，并且启动后由智能合约自动强制执行，不受第三方机构的干预。
图3. 区块链众筹合约示意流程。若用户A 发起500万元的众筹项目，则需要发起人、众筹平台、领投人、保荐人等多方协议签署的一份众筹合约，并写入众筹区块链中。依据智能合约预先设定的条件，众筹区块链会创建第一个事务(TX1)，即创建一个联名账户，由合约方共同拥有和维护。其中，领投人汇入300万，余下的200万由投资人跟投。接着，同时创建事务TX2和TX3。TX2约定若在规定时间内完成200万的跟投任务，则发给人会收到来自联名账户的500万。TX3约定若跟投任务未完成，则众筹失败并由系统核算交易记录后全额退款。众筹合约
由系统自动履行，不受第三方干预。
2.3 区块链3.0阶段: 可编程社会
区块链3.0是价值互联网的内核，是超越货币、金融和市场等领域的应用，目标是实现可编程社会13。价值互联网是建立在信息互联网之上的，以区块链底层技术来实现无中心价值传输的组织社会生产的网络。区块链能以代码的形式存储、验证和计量互联网上有价值的事物体，例如公民信息，数字资产，保险理赔等，从而使价值在网络中上可被追踪、控制和转移。随着区块链技术的不断发展，其公开公正的应用能拓展到众多有信用需求的领域，例如共享经济、审计公证、公共卫生、物流管理等。区块链可以改变人与人，人与机器，机器与机器价值交换的方式，使网络中的参与者更加自由和平等。区块链技术让所有人和机器都连接到一个全球性的网络中，实现日趋自动化的物理资源和人力资源的全球化分配，促进金融、医疗、教育、科学、文化等领域的大规模协作，进而重塑整个社会的生产方式。
目前，区块链3.0尚无成熟的商业应用，最先可能落地的应用是物联网与云计算5。在物联网市场的龙头企业中，除PTC 没有正式公布区块链项目外，IBM 、GE 和微软都在各自云平台上开放区块链服务（BaaS ），为海量物联网设备接入准备了弹性资源池。基于中心化架构的传统云-端物联网，由一个数据中心收集所有接入设备的信息，难以满足海量终端交互的需求。有预测称2020年物联网的接入设备江大260亿个12，物联网中心系统的通信压力加大，延时也会相应变长。除此之外，传统物联网还有其它不足：1. 成本高：中心化云服务的建设、使用和维护成本高，包括人力资源和大型服务器的投入；2. 设备安全：僵尸网络能规模更大奴役物联网设备，发起DDoS 攻击，让其他网站服务器瘫痪；3. 个人隐私：中心化的机构可在未经授权的情况下，收集和分析用户资料，用户隐私数据泄露事件时常发生；4. 通信兼容：全球物联网平台有多个竞争性的标准和平台，阻碍物联网设备间的通信；5. 多主体协同：很多物联网运营商自组织网络，致使多个主体间协作时的信用成本很高。采用区块链技术可以打造新一代去中心化的物联网（如图4）23，能很好解决传统物联网遇到的问题，具有低成本、安全可靠等优势19。
图4. 区块链与物联网应用融合框架。利用区块链技术，打通物联网产业链和物联网设备的数据通道，促进物联网生态圈的共识，推进数据在整个物联网生态中的应用。
第三章 区块链的信息安全问题及解决方案
面对越来越复杂的应用场景、智能设备、通信网络和计算方式等，信息安全面临巨大的挑战。尚未成熟的区块链技术，也面临着平台安全与应用安全的严峻形势20。2016年6月，依托区块链技术的全球最大众筹项目The Dao 被黑客劫持了价值约为6000万美元的以太币，导致以太币分叉为ETC 和ETH 两条区块链，引起业内高度关注22。此外，基于区块链技术的比特币因其匿名性，曾被广泛用于非法交易，例如“丝绸之路”网站利用比特币和洋葱路由，进行毒品交易、洗钱、恐怖活动等20。虽然区块链技术能在一定程度上降低数据集中化风险和集中式黑客攻击，保证系统的可持续服务，但是区块链也不是万能的，目前还无法解决业务逻辑、技术漏洞、钓鱼软件和初始身份认证等信息安全问题。
3.1 区块链技术的安全特征
区块链技术在信息安全领域，具有如下特征：1. 写入安全：共识机制确保写入数据安全性，只有当系统中大多数参与者达成一致后，数据才能写入到区块链中；2. 读取安全：非对称加密技术确保读取数据安全性，采用多私钥规则对访问权限进行控制；3. 可靠数据库：点对点、去中心的分布式架构抵抗分布式拒绝服务，保证数据库的安全可靠。
3.2 区块链面试的安全挑战与应对措施
理论上，区块链技术具有公开透明、不可篡改、可靠加密、标识唯一、防分布式拒绝服务攻击等优势。但是，区块链系仍然受到诸多挑战，如图5所示24。 在实施安全防护时，需要分析安全需求，制定风险模型，从技术和管理方面全局考虑地方案的准确性。
基础设施：1. 对识机制的挑战：区块链的共识算法只能在特定范围内保障数据的安全，最常见的是Pow （工作证明）和PoS （股份证明）机制25。使用PoW 共识的区块链主要面临51 % 攻击问题, 即节点通过控制网络中超过51 % 的算力，就可以篡改和伪造区块链数据。使用PoS 共识过程的区块链在一定程度上解决51 % 攻击问题的同时，也引入了区块分叉时的 N@S (Nothing at stake) 攻击问题。因此，更为安全和有效的共识机制尚有待于更加深入的研究和设计。2. 网络公开不设防：公有链中的所有数据都在公网传输，节点的加入与退出不受限制，易导致数据的泄露。因此，对于安全性要求较高的行业，如金融行业，可以采用专线接入区块链网络，对接入节点进行身份验证，以及通过协议栈级别防火墙的安全防护措施，以防止网络攻击。
隐私保护：交易数据：区块链上的交易数据是公开透明的，参与节点可以跟踪这些交易, 不利于隐私的保护。区块链系统内各节点并非完全匿名，而是通过地址标识来实现数据传输。随着各类反匿名身份甄别技术的发展，定位和识别地址标识直接关联的真实世界的人物身份成为可能。因此，可以限制数据的访问权限和传播范围、由认证机构代理用户交易、隐私保护算法等方式规避隐私风险9。 系统设计：区块链缺乏统一的技术规范和可靠性。当系统漏洞被黑客利用时，没有明确的失效保护和止损方式来保护系统的安全。例如，比特币设计的限额为2100万个，而整数溢出漏洞导致了1840亿个比特币的凭空创造27。因此，区块
链技术急需设计合理的架构、协议、技术规范、安全系统等。
操作管理：1. 私钥的安全：私钥由用户生成并保管，没有第三方参与。私钥一旦被丢失或被窃取，将会给用户带来重大损失。因此，设计合理的私钥管理机制并加强用户保护私钥的能力，仍待进一步的探索。2. 算法的实现：区块链技术使用了大量密码学技术，属于算法高度密集工程，在实现上容易出安全隐患。例如，NSA 曾在RSA 算法实现上埋入缺陷，使其能轻易破解他人的加密信息26。因此，在实现上需要经过多次审查以避免漏洞。
技术更新迭代：随着数学、 密码学和计算技术的快速发展，区块链的非对称加密机制的安全性逐渐变弱。量子计算机等技术的持续演进，使破解区块链加密算法成为可能。因此，应尽早设计适合区块链的对抗量子攻击的加密算法。
图5. 区块链技术面临的诸多挑战，包括基础设施、隐私保护、系统设计、操作管理。
3.3 构建安全的区块链系统
针对区块链技术的安全特征和安全挑战，应综合技术手段和规范标准构建安全体系，从物理、数据、系统、私钥、风控等方面，整体提升区块链系统的安全性能。国家或相关机构应展开区块链安全问题的研究，制定区块链规范或标准以提升安全监控能力，保障区块链产业将康发展和持续创新。
物理安全:1. 设计合理的共识机制，规避51 % 攻击和区块分叉时N@S攻击等安全风险。2. 根据业务的监管要求，使用不同的隔离机制，如VPN ，防火墙等，使区块链系统的通信网络和参与节点处于受保护的状态。
数据安全：1. 区块链系统内的节点进行数据交换时，应使用加密算法以确保数据的安全。针对敏感数据，应采取脱敏措施并严格控制读取权限。2. 使用由认证机构代理用户交易、隐私保护算法等方式规避交易双方身份的泄露。
系统安全：应用系统应该具有设计合理的架构、协议、应用场景、安全系统和技术开发规范，以防止黑客的攻击以及防止非法交易。相关机构应综合考虑身份认证、权限体系、交易规则、防欺诈策略等因素，使运行人员、交易节点与数据可控、可审计。
私钥安全：1. 私钥应该执行严格的生命周期管理，到达一定的时间周期后需要更换私钥。2. 私钥应该用加密后，妥当保管在多个节点上。3. 制定私钥的失效机制，使系统能识别原私钥的相关记录，如账号控制等，并实施响应措施使原私钥失效。
风险控制：1. 制定明确的失效保护和止损方式，防止系统漏洞危害的进一步扩大。2. 制定系统检查的机制，维护网络层、参与节点和应用系统的可靠运行。
3. 设置“信号兵”机制，对可疑操作进行警告、记录和审查等。若遇到非法操作，应该在技术和技术层面进行补救，追查其来源以阻止类似攻击。
结束语
区块链技术是在当前信息互联网基础上构建价值互联网的底层框架，应用范围将加速从可编程金融向可编程社会扩散。其中，区块链与云计算、物联网结合越发紧密，BaaS （区块链作为服务）有望成为公共信任的基础设施，激发数字经济的高速发展。虽然区块链技术在数学上具有完备性，但是仍存在平台与应用的安全问题。面对日益严峻安全的挑战，既需要从工程和管理等层面上全局考虑，也需要国家或相关机构制定区块链技术规范和标准。
参考文献
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[25] 区块链技术发展现状与展望. 袁 勇、王飞跃.
[26] 安全性将是区块链应用最大的障碍.
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