清华AI研究院-区块链发展研究报告2020

区块链发展研究 报告 2020 2020 年 第 5 期 清华大学人工智能研究院 北京智源人工智能研究院 清华 － 中国工程 院知识智能联合研究中心 2020 年 7 月 目录 1 概述篇 1 1.1 产生背景 2 1.2 区块链概念 2 1.3 区块链发展阶段 4 1.3.1 区块链 1.0：数字货币 5 1.3.2 区块链 2.0：智能合约 6 1.3.3 区块链 3.0：多行业应用 7 1.4 区块链特征 8 1.5 国内外发展现状 9 1.5.1 相关政策现状 9 1.5.2 行业发展及市场规模 . 14 2 技术及理论篇 . 17 2.1 密码学 . 18 2.1.1 公钥密码体制 . 19 2.1.2 哈希函数 . 22 2.1.3 密码学研究热点 . 23 2.2 分布式系统与共识协议 . 24 2.2.1 共识机制的功能 . 25 2.2.2 共识机制的分类 . 26 2.2.3 共识机制的评价 . 30 2.2.4 分布式系统研究热点 . 30 2.3 博弈论 . 31 2.4 智能合约 . 34 2.5 跨链技术 . 36 2.6 区块链领域必读论文 . 37 2.7 区块链话题模型（ Topic Model） 40 2.8 区块链国 内专利申请情况 . 42 3人才篇 . 45 3.1 区块链领域人才分布 . 46 3.2 区块链代表学者 . 49 3.2.1 密码学 . 49 3.2.2 分布式系统和理论 . 61 3.2.3 博弈论 . 67 4 应用篇 . 73 4.1 数字货币 . 74 4.1.1 数字货币概述 . 74 4.1.2 数字货币分类 . 75 4.1.3 数字货币优点和风险 . 82 4.2 区块链其他应用场景 . 84 4.2.1 金融服务 . 85 4.2.2 智能制造 . 87 4.2.3 物联网与供应链管理 . 88 4.2.4 文化娱乐及传媒 . 89 4.2.5 民生公益 . 90 4.2.6 政府管理 . 93 5趋势篇 . 95 5.1 区块链发展面临的障碍和挑战 . 96 5.1.1 技术问题 . 96 5.1.2 高耗能问题 . 97 5.1.3 安全挑战 . 97 5.1.4 监管风险 . 97 5.2 技术趋势与升级 . 99 5.2.1 技术趋势 . 99 5.2.2 国际趋势 100 5.3 产业趋势与升级 101 参考文献 102 附录 1 区块链期刊 . 106 附录 2 近 10年区块链相关的国家自然科学基金 NSFC项目 . 112 图目录 图 1 区块链 1.0技术架构 6 图 2 区块链 2.0技术架构 7 图 3 区块链 3.0技术架构 8 图 4 近年来主要国家的区块链相关政策动态 . 11 图 5 2018-2020年中国区块链发展相关政策动态 13 图 6 密码体制的基本模型 . 19 图 7 公钥加密流程 . 20 图 8 对称密码体制加密流程 . 20 图 9 百度数字签名证书页面 . 22 图 10 密码学研究技术热点 24 图 11 基于点对点网络的 Sybil Attack原理 . 27 图 12 分布式系统领域研究热点 31 图 13 博弈论研究热点 34 图 14 智能合约领域研究热点趋势 36 图 15 LDA结构图 . 40 图 16 2010至 2019 年期间区块链相关 专利申请量 . 43 图 17 2010至 2019 年期间区块链专利受理局排名 . 43 图 18 2010至 2019 年期间国内区块链相关专利申请排名前十机构 . 44 图 19 区块链领域顶尖人才全球分布 46 图 20 区块链领域顶尖人才 中国分布 48 图 21 区块链主要应用场景 84 图 22 区块链的热点技术趋势图 . 100 图 23 区块链技术国家发展趋势 . 101 表目录 表 1 术语 iii 表 2 缩略语 . iv 表 3 区块链的类型及特性 3 表 4 加解密算法类型 . 21 表 5 典型散列算法特点 . 23 表 6 共识机制及技术水平 . 28 表 7 共识机制分类 . 29 表 8 共识机制评价维度 . 30 表 9 区块链话题模型 . 41 表 10 区块链领域学者数量排名前十的国家 47 表 11 区块链领域中国与各国合作论文情况 49 表 12 主要国家对 Libra的态度 79 i 摘要 区块链是密码学、分布式系统、博弈论的集大成者。目前， 区块链技术正处 在加速演进成熟 的 过程中 ，其应用已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应 链管理、数字资产交易等多个领域。 近两年来， 全球主要国家都在加快布局区块 链技术发展。 在此背景下， 我国更将 区块链作为核心技术自主创新的重要突破口 。 清华大学人工智能研究院 曾 于 2018年 发布 了 《区块链基础理论与研究概况》 报告 。 本报告 在 2018 版 报告 的 基础上 ， 针对近两年 区块链 技术 研究 、应用发展、 人才研究等方面 进展 进行了 更为深入的调查研究 ，其主要内容包括： 一、区块链基本概念梳理和国内外区块链发展现状分析。 简要概括 了 区块链 技术的产生背景和 基本概念，分别探讨区块链 1.0数字货币阶段 、 区块链 2.0智 能合约阶段 和区块链 3.0多行业应用 阶段 的技术架构，总结出区块链技术 6大特 征，并 梳理了 区块链的 国内外最新政策和行业发展现状。 二、 区块链基础理论 和技术 研究现状分析。 通过 AMiner 系统提供的大数据 信息，分别 对 密码学、分布式系统 （共识协议） 和博弈论 等 领域的研究现状进行 全面梳理。 三、区块链领域人才现状分析。 通过 AMiner 系统提供的大数据信息，整理 区块链领域的国内外专家学者、研究机构、代表论文、研究热点及热点变化趋势、 中外研究情况对比，对区块链领域人才现状进行全面梳理。 四 、区块链典型应用场景及典型应用分析。 主要分析了区块链在 以比特币为 代表的数字货币 中的 应用， 以及 区块链在金融服务、智能制造、 物联网与 供应链 管理、文化娱乐、 民生 公益、政府管理 6大方面的应用场景，并对区块链应用价 值进行展望。 最后， 分析 归纳 了 区块链 未来 发展面临的 技术和监管等方面 挑战 ， 挖掘生成 了区块链 技术发展趋势 。 ii 报告说明 编写方法 本报告 在上一版《区块链基础理论与研究概况》报告基础上进行更新， 主要 更新了 区块链 关键 技术 领域的国内外 进展、 技术趋势、 研究学者以及应用 场景 等 。 一是收集国内外区块链最新研究成果和总结报告。 本研究收集了主要国家政 府和国际政府间组织发布的区块链报告和白皮书，如联合国《数字货币和区块链 技术在构建社会团结金融中如何扮演角色》（ How Can Cryptocurrency and Blockchain Technology Play a Role in Building Social and Solidarity Finance?）、 中国人民银行《金融分布式账本技术安全规范》（ JR/T 0184— 2020） 、 工信部《中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）》 和《 2018年中国区块链产 业白皮书 》 、 KPMG 区块链研究报告《共识 — 价值互联的不变协议》、 iiMedia Research《 2017-2018 中国区块链热点专题研究报告》 和《 2019-2020 中国区块 链发展现状、应用场景与未来趋势分析 》 等，从政府、学术研究以及行业发展等 角度全面把握区块链技术的发展动向。 二是利用 AMiner 平台整理区块链基础技术国内外研究状况。 重点分析了密 码学、分布式系统、博弈论领域当前世界学者分布、代表学者、学者关系、研究 成果、研究趋势和中外研究概况对比，以丰富的图文数据展示区块链基础理论在 全球范围内的发展状况和未来的研究潜力。 通过 AMiner系统 对近 10年 （ 2010-2020 年） 发表在 SJR（ Scimago Journal 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 5 融工具 等 。区块链 3.0包括行业中的新兴应用， 拓展了包括 银行和金融科技 在内 的广泛应用 。 区块链的 不同发展阶段呈现出相互影响、相互补充的互动态势。 1.3.1 区块链 1.0：数字货币 区块链是利用密码学方法关联产生的数据块，用于验证信息有效性或防伪， 并生成下一个区块。在区块链 1.0阶段，以比特币为代表的数字货币和支付行为 是最典型的应用。继 2008年 一个自称为 中本聪 的人 提出比特币设想后， 2009年 比特币正式上线运行。随着比特币在世界范围内的普及，人们开始意识到作为比 特币底层技术的区块链具有去中心化的优良性质。区块链采用纯数学方法而不是 中心机构建立信任关系，使得互不信任或弱信任的参与者之间能够维系不可篡改 的 账本记录。 区块链 1.0技术 架构如 图 1所示 。 具体而言，区块链 1.0使用了如下的 相关 技术 ：  分布式账本（ Distributed Ledger） ：分布式账本是 在网络成员之间共享、 复制和同步的数据库 ， 记录网络参与者之间的交易 ，部分国家的银行将 分布式账本作为一项节约成本的措施和降低操作风险的方法。  块链式数据（ Chained-Block Data Structure） ：区块链采用带有时间戳 的链式区块结构存储数据，从而为数据增加了 时间维度，具有极强的可 验证性和可追溯性。  梅克尔树（ Merkle Trees） ：梅克尔树是区块链的重要数据结构，能够快 速归纳和校验区块数据的存在性和完整性。  工作量证明（ Proof of Work, PoW） ：通过引入分布式节点的算力竞争保 证数据一致性和共识的安全性。 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 6 图 1 区块链 1.0 技术架构 [3] 1.3.2 区块链 2.0：智能合约 区块链 2.0进入可编程金融阶段。在这一阶段，区块链系统渗入经济、金融 与资本市场，形成股票、债券、期货、贷款、抵押、产权、智能财产 等 的智能合 约。除了构建货币体系之外，区块链在泛金融领域也有众多应用案例。例如， 智 能合约的核心是利用程序算法替代人执行合同 ， 这些合约包含三个基本要素：要 约、承诺、价值交换 ，可以实现 资产、过程、系统的自动化组合与相互协调。 区块链 2.0技 术架构如 图 2所示， 具体 使用了如下的技术 ：  智能合约 （ Smart Contract） ： 1994 年， Nick Szabo[4]首次提出智能合约 概念 ，即一种 旨在 以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议， 能够在没有第三方的情况下进行可信交易。智能合约是已编码的、可自 动运行的业务逻辑，通常有自己的代币和专用开发语言。  虚拟机 （ Virtual Machine） ： 指通过软件模拟的运行在一个完全隔离环 境中的 完整计算机系统，在区块链技术中，虚拟机用于执行智能合约编 译后的代码。  去中心化应用 （ Decentralized Application,简称 DApp） ： 去中心化应 用是运行在分布式网络上、参与者的信息被安全保护（也可能是匿名的）、 通过网络节点进行去中心化操作的应用。包含用户界面的应用，包括但 3工信部，《中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）》 [S]， http://www.cbdforum.cn/bcweb/index/article/rsr-6.html 4 Szabo N. Smart contracts[J]. Unpublished manuscript, 1994. 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 7 不限于各种加密货币，如以太坊（ Ethereum）的去中心化区块链及其原 生数字货币以太币（ Ether）。 图 2 区块链 2.0 技术架构 [5] 1.3.3 区块链 3.0：多行业应用 继区块链 1.0、区块链 2.0后，目前已开启了区块链 3.0时代，即可编程社 会系统时代。区块链 3.0，代表的是解决了关键性技术难题的全领域生态级别的 底层系统出现以及区块链技术应用到各个垂直行业中去的时代。这个时代的底层 协议能够在保证去中心化、去信任中介的同时，保证了商用级别的高性能。 区块链 3.0的根本特征之一 是 区块链与大数据、人工智能技术融合，通过新 的区块链技术，实现新的存储模式的创新。 区块链 3.0与区块链 1.0 和 2.0最重 要的一个区别在于区块链技术的使用方式与领域。在 3.0时代，区块链技术应用 已超出金融领域，扩展到人类生活的各个方面，为各种行业提供去中心化解决方 案，包括在司法、医疗、物流等领域，利用区块链技术来解决信任问题、实现信 息的共享，将数据进行分布式的存储和连接，实现真正的大数据化 [6]，提高整个 系统的运转效率。 区块链 3.0主要应用在社会治理领域，包括了身份认证、公证、仲裁、审计、 域名、物流、医疗、邮件、签证、投票等领域，应用范围扩大到了整个社会，区 块链技术有可能成为“万物互联” 的一种最底层的协议 [7]。 5 工信部，《中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）》 [S]， http://www.cbdforum.cn/bcweb/index/article/rsr-6.html 6 海外科技风云《什么区块链 3.0 技术？区块链 3.0 技术给未来带来了什么变革？》 [N] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1640688251621987558&wfr=spider&for=pc 7 董宁 , 朱轩彤 . 区块链技术演进及产业应用展望 [J]. 信息安全研究 , 2017, 3(3):200-210. 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 8 区块链 3.0技术架构 如 图 3所示 ，相关技术 又有了新的发展 ：  超级账本（ HyperLedger）： 超级账本是 Linux基金会于 2015 年发起的推 进区块链数字技术和交易验证的开源项目，目标是让成员共同合作，共 建开放平台，满足来自多个不同行业各种用户案例，并简化业务流程。 由于点对点网络的特性，分布式账本技术是完全共享、透明和去中心化 的。通过创建分布式账本的公开标准，实现虚拟和数字形式的价值交换。  分片 技术（ Sharding）： 分片是一种基于数据库分成若干片段的传统概念 扩容技术，它将数据库分割成多个 分 片并将这些 分 片放置在不同的服务 器上，在底层公有链的系统内，网络上的交易将被分成不同的 分 片，其 由网络上的不同节点组成。因此，只需要处理一小部分输入的交易，并 且通过与网络上的其他节点并行处理就能完成大量的验证工作。 图 3 区块链 3.0 技术架构 1.4 区块链特征 区块链共有五大特征：去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改和匿名性。 具体 介绍 如下 。  去中心化 ： 区块链 是 由众多节点共同组成 的 一个端到端的网络，不存在 中心化的设备和管理机构。 区块链数据的验证、记账、存储、维护和传 输都不是基于中心机构，而是利用数学算法实现。去中心化使网络中的 各节点之间能够自由连接，进行数据、资产、信息等的交换。  开放性 ： 区块链 中 的所有数据信息是公开的，每一笔交易都会通过广播 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 9 的方式，让所有节点可见。 区块链具有源代码开源性，即网络中设定的 共识机制、规则都可以通过一致的、开源的源代码进行验证。任何人都 可以加入（公开链），或者通过受控方式加入（联盟链）。  自治性 ： 任何人都可以参与到区块链网络，每个节点都 能获得一份完整 的数据库拷贝。节点间基于一套共识机制，通过竞争计算 来 共同维护整 个区块链。 区块链技术 采用基于协商一致的规范和协议 ， 使得整个系统 中的所有节点能够在去信任的环境自由安全的交换数据，任何人为的干 预不起作用。  信息不可篡改 ： 不可篡改 性 是指单个甚至多个节点对数据库的修改无法 影响其他节点的数据库，除非能控制超过 51%的节点同时修改。 区块链 使用了密码学技术中的哈希函数、非对称加密机制保证区块链上的信息 不被篡改。由于每一个区块都是与前续区块通过密码学证明的方式链接 在一起的，当区块链达到一定的长度后，要修改某个历 史区块中的交易 内容就必须将该区块之前的所有区块的交易记录及密码学证明进行重构， 有效实现了防篡改。  匿名性 ： 由于节点之间的交换遵循固定的算法，其数据交互是无需信任 的 ， 区块链中的程序规则会自行判断活动是否有效，因此 ， 交易对手无 须通过公开身份的方式让对方自己产生信任 。 1.5 国内外发展现状 凭借其独有的信任建立机制，区块链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。 1.5.1 相关政策现状 近年来，随着区块链逐步应用于金融、供应链、工业制造、公益等领域，各 国政府及监管机构对区块链技术 及其 研发应用的态度 逐渐从观望 转向 鼓励 ， 并且 越来越积极 地进行更多 尝试 ，相关政策动态 如 图 4所示 。对于以比特币为代表的 数字货币政策虽然仍然褒贬不一，但是少数国家已开始接纳， 例如德国、 日本 等 。 2016年 1月 19 日，英国 政府发布《分布式账本技术：超越区块链》白皮书， 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 10 积极探索区块链未来在减少金融诈骗、降低交易成本的潜力； 2016 年 6 月，新 加坡金融管理局推出“沙盒计划”（ Sandbox），在可控范围内允许金融科技公司 的发展； 2017年 4 月 1 日，日本正式实施《支付服务法案》，承认比特币的合法 地位；美国各州政府也采取措施学习与探索区块链技术，并尝试通过区块链提高 政府工作的透明度和效率； 2018 年 6 月，日本推出了沙盒制度，以加快推出新 的商业模式和创新技术，如区块链、人工智能和物联网； 2018年 12 月，欧洲议 会呼吁采取措施促进贸易和商 业区块链的采用； 2019 年 1 月，韩国政府将区块 链技术纳入其“研究与开发税收减免中增加了 16个领域 ” 之一，以促进其创新； 2019 年 7 月，美国参议院商业、科学和运输委员会批准了《区块链促进法案》； 2020 年以来，新加坡出台新法案允许全球加密公司在新加坡当地扩展业务；日 本金融监管机构宣布启动其全球区块链治理倡议网络，旨在促进“区块链社区的 可持续发展”。 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 11 来源：根据公开资料整理 图 4 近年来 国外 主要国家的区块链相关政策动态 日本 金融监管机构宣布启动其全球区块链治 理倡议网络，旨在促进“区块链社区的可持 续发展”。 印度 最高法院推翻了中央银行对该国实行的 为期两年的加密货币交易禁令。 韩国政府 将区块链技术纳入其“研究与开发 税收减免中增加了 16 个领域”之一，以促进 其创新。 新加坡 出台新法案允许全球加密公司在新加坡 当地扩展业务。 美国 参议院商业、科学和运输委员会批准了 《区块链促进法案》。 欧洲议会 呼吁采取措施促进贸易和商业区块 链采用。 2020 年 3 月 2019 年 1 月 2018 年 12 月 2020 年 1 月 2019 年 7 月 2019 年 9 月 德国 联邦政府审 议通过并发布《国家区块链战 略》，提出 5 大领域的 44 项行动措施。 2018 年 6 月 日本 推出沙盒制度以加快推出新商业模式和 创新技术 。 日本 实施《支付服务法案》，承认比特币合法 地位。 2017 年 4 月 新加坡 金融管理局推出“沙盒计划”，在可控 范围内允许金融科技公司发展。 英国 发布《分布式账本技术：超越区块链》白 皮书。 2016 年 6 月 2016 年 1 月 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 12 我国 从 2013 年开始陆续出台虚拟货币监管政策， 国内大众也逐渐对 区块链 的技术逻辑和底层价值 开始 了解。 自 2016年 10月工业和信息化部发布《中国区 块链技术和应用发展白皮书（ 2016）》及 2016 年 12 月区块链首次被作为战略性 前沿技术写入国务院发布的《国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知》 以来，各地政府纷纷出台有关区块链的政策指导意见及通知文件。中国互联网金 融协会也成立区块链研究工作组，深入研究区块链技术在金融领域的应用及影响。 2017 年 5 月，中国电子技术标准化研究院联合数十家单位发布《中国区块链技 术和产业发展论坛标准 CBD-Forum-001-2017》，为区块链 的 落地 应用 设定标准。 近两年 来，中国 区块链相关的 最新 政 策动态如 图 5 所示 。 从政策走向来看， 我国政府对区块链发展的鼓励和促进发展态度更加明朗化。 中国政府对区块链技 术给予高度关注，已经 于 2019 年 将区块链技术上升为国家战略，并将其作为核 心技术自主创新重要突破口。 2018年， 为了 避免区块链被人利用、带来不利的社会影响 ，我国开展了 打击 借区块链 之名 进行违法 行为的 活动 。随 后几年，中国政府和监管部门积极支持区 块链技术发展和应用落地。 2019 年 1 月，国家互联网信息 办公室发布《区块链 信息服务管理规定》，为区块链信息服务提供有效的法律依据；同年 10 月 24日 ， 习近平在 中共中央政治局第十八次集体学习 时 指出，要把区块链作为核心技术自 主创新重要突破口，将区块链技术上升为国家战略。 2020 年以来，国务院办公厅发布了《关于支持国家级新区深化改革创新加 快推动高质量发展的指导意见》，指出要加快推动区块链技术和产业创新发展， 探索“区块链 +”模式，促进区块链和实体经济深度融合。相关监管部门相继推 进法定数字货币研发、农业区块链核心技术突破、基于区块链的全球航运服务网 络平台研究应用，以及推进区块链在金融、在线教育等方面的应用。 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 13 来源：根据公开资料整理 图 5 2018-2020 年中国区块链发展相关政策动态 4 月 工信部发布《关于推动工业互联网加快发展的通知》，提出要引导平 台增强 5G、人工智能、区块链等新技术支撑能力，强化设计、生产、 运维、管理等全流程数字化功能集成。 3 月 2019年 10月 习近平总书记在主持中共中央政治局第十八次集体学习时强调，要 把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推动区块链技 术和产业创新发展。 2019 年 1 月 国家网信办发布《区块链信息服务管理规定》，为区块链信息服务提 供有效的法律依据。这也意味着在我国对于区块链的监管更加成熟。 2 月 ⚫ 中央一号文件指出，要依托现有资源建设农业农村大数据中 心，加快物联网、大数据、区块链、人工智能等现代信息技术在农 业领域的应用。 ⚫ 央行等多部门发布《关于进一步加快推进上海国际金融中心建 设和金融支持长三角一体化发展的意见》，探索区块链等新技术在 金融领域应用。 ⚫ 中国 央 行发布《金融分布式账本技术安全规范》金融业标准。 2020 年 1 月 ⚫ 中国 央 行会议，强调 2020 年继续稳步推进法定数字货币研发。 ⚫ 国务院办公厅发布《关于支持国家级新区深化改革创新加快推 动高质量发展的指导意见》指出，要加快推动区块链技术和产业创 新发展，探索“区块链 +”模式，促进区块链和实体经济深度融合。 ⚫ 银保监会发布《关于推动银行业和保险业高质量发展的指导意 见》，提及要充分运用包括区块链在内等新兴技术，改进服务质量， 降低服务成本，强化业务管理。 国家发改委审议通过《产业结构调整指导目录 (2019 年本 )》，并计划 2020 年 1 月 1 日起施行。在“鼓励类”信息产业中增加了“大数据、 云计算、信息技术服务及国家允许范围内的区块链信息服务”。 银保监会、中央网信办、公安部、人民银行和市场监管总局联合发 布的《关于防范以“虚拟货币”“区块链”名义进行风险集资的风 险提示》，旨在打击借区块链进行违法活动。 2019年 8月 工信部印发《工业互联网发展行动计划（ 2018-2020 年）》，鼓励推进 区块链、边缘计算等前沿技术在工业互联网的应用研究。 2018 年 8 月 2018 年 6 月 国家发改委对“新基建”所覆盖的内容作了进一步的解释，区块链被 正式纳入到新基建范畴当中。 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 14 1.5.2 行业发展及市场规模 点对点传输、共识机制、加密算法、博弈论等基础技术及理论的发展与完善， 为区块链技术取得进展奠定 了 坚实基础。 国内外学者与科研机构对区块链领域的 研究成果不断涌现，进一步助力区块链技术的完善与进化。日本经济贸易产业省 《区块链技术及相关服务的调查报告（ 2015）》（ Survey on Blockchain Technologies and Related Services FY2015 Report）、英国政府《分布式账本 技术：超越区块链》（ Distributed Ledger Technology: Beyond Blockchain）、 中国工业和信息化部《中国区块链技术和应用发展白皮书（ 2016）》和《 2018年 中国区块链产业白皮书》 、 工信部下属 中国信通院《区块链白皮书》（ 2019） 、 CB Insights《区块链报告 2020》 以及赛迪区块链研究院《 2019-2020年中国区块链 年度发展报告 》 ，均对区块链及技术发展最新动向进行跟踪总结。 随着区块链技术的发展，其在各行业的应用潜力逐渐得到释放。联合国、国 际货币基金组织，以及美国、英国、日本等国家都对区块链的发展给予高度关注。 数据显示 [8]， 2019 年，全球区块链产业规模呈现稳定增长，达到 24.5 亿美 元，产业 年度 增速 为 30.6%。从国家来看，美国仍处于全球区块链产业的领导地 位，规模为 7.3亿美元，占全球区块链产业 29.9%；中国在全球区块链产业中占 比为 12.1%，位居第二。我国区块链产业受国家政策的积极影响， 2019 年的产业 规模达 20.8亿元（人民币），同比增长 179.5%。其中，广东省区块链产业规模达 到 1.7亿元，占中国区块链产业规模的 8.1%，位居国内第一。其次是浙江省、占 比 7.3%，产业规模达 1.5亿元，位居第二。北京市、江苏省、上海市分别位列第 三至第五。 国内外先后成立各种类型的 区块链产业联盟 ，协调推进区块链技术和应用发 展。 R3区块链联盟于 2015年 9月成立，致力于为银行提供探索区块链技术的渠 道和区块链概念产品。同年， Linux基金会成立超级账本（ Hyperledger），推进 区块链数字技术和交易验证开源项目。中国先后成立中关村区块链产业联盟、中 国分布式总账基础协议联盟（ China Ledger）、金融区块链合作联盟（金链盟） 8 赛迪顾问数字经济产业研究中心，《 2019-2020 年中国区块链产业发展研究年度报告》 [R]， 2020 年 2 月， http://www.mtx.cn/#/report?id=683815 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 15 和区块链微金融产业联盟（微链盟），积极探索推动区块链的应用。 区块链企业数量近年来增长放缓，行业发展逐渐回归理性。 有 数据显示 [9]，截至 2019年 8月全球区块链企业数量 有 2450家，其中美国 区块链企业数量最多，占 21.8%；其次是中国，占 20.4%。从新增企业数量来看， 2017 年全球区块链新增企业数量达到高峰，超过 600 家； 2018 年全球新增区块 链企业数量为 400 余家； 2019 年以来全球区块链新增企业数量锐减，截至 8 月 新增企业数量不足 50家。 另一项数据 显示 [10]]，中国区块链行业在 2016年之前，经营区块链相关业务 的公司不足 1000家，且数量增长缓慢；但从 2016年开始，区块链公司数量也开 始爆发式增长，连续两年增幅均超 250%，成为创业热门领域和资本热捧的目标。 之后几年，区块链企业数量增长放缓。 从区块链企业的经营主体来看， 国内外互联网、 IT、金融 等领域企业涉足区 块链行业 较早 ，着手研发或推出从基础设施到应用案例的一系列解决方案。 全球 主流金融机构布局区块链 ， 2015年 10月，美国纳斯达克推出基于区块链技术的 证券交易平台 Linq，进行金融证券市场去中心化的尝试。高盛、摩根大通、瑞银 集团等银行业巨头分别各自成立各自的区块链实验室、发布区块链研究报告或申 请区块链专利，并参与投资区块链初创公司。 国内 从 2016 年开始， 一些 传统金融机构和金 融科技企业 就 先后涉足区块链 金融场景应用。 目前， 蚂蚁金服、腾讯、阿里巴巴、浪潮、京东和百度 等 重点企 业在区块链专利、底层 BaaS 平台和行业解决方案均取得了一定成绩 ， 主要布局 在 底层平台、行业应用以及区块链硬件三个方向 [11]。 此外， 区块链初创公司及各类投资机构 也纷纷涉足区块链领域，为区块链技 术落地提供资金支持。初创公司 Ripple Labs 致力于推动 Ripple成为世界范围 内各大银行通用的标准交易协议，使货币转账能像发 电子邮件那样成本低廉、方 便快捷 ； R3CEV推出的 BaaS（ Blockchain as a Service）服务，已与美国银行、 9 联合国向全球推荐支付宝区块链应用！中国区块链技术布局现状及发展趋势分析 [J]， 2020 年 3 月 24 日，艾媒网， https://www.iimedia.cn/c1020/70276.html 10 腾讯研究院 .《 2019 腾讯区块链白皮书》 [R]， 2020 年 10 月， https://tisi.org/11408 11 赛迪顾问数字经济产业研究中心，《 2019-2020 年 中国区块链产业发展研究年度报告》 [R]， 2020 年 2 月， http://www.mtx.cn/#/report?id=683815 区块链发展研究报告 2020—— 概述篇 16 花旗银行、招商银行等全球 40 余家大型银行机构签署区块链合作项目，致力于 制定银行业的区块链行业标准与协议。 区块链发展研究报告 2020—— 技术及理论 篇 17 2 技术及理论篇  2 技术理论 篇 区块链发展研究报告 2020—— 技术及理论 篇 18 区块链技术本身并不是一种全新的技术，而是集成了密码学、分布式系统、 博弈论等多种技术的新型组合。本篇主要介绍了区块链 所集成 的密码学、分布式 系统与共识机制、博弈论等技术和理论，同时，还介绍了以区块链为底层技术环 境的智能合约技术，以及实现 区块链 互联互通 、 提升可扩展性 的跨链技术。 为了 帮助读者更多了解区块链技术， 本 篇 还拓展介绍了区块链领域必读论文和专利申 请情况。 2.1 密码学 区块链系统中使用了大量的密码学知识，同时，区块链在不同场景的应用也 促进了密码学的发展。早期密码学将通俗易懂的明文转换成为普通听众无法理解 的密文，并设计特殊规则让合法听众将密文还原为明文。早期简单密码的设计体 现在实现方式上，即通过替换、换位方式进行密码变化，如古罗马 Caeser 密码、 法国 Vigenere密码。 伴随着信息通信即计算机技术的飞跃式进步，密码学在实现效率和实现方式 上均实现了前所未有的系统发展。 1949年， Shannon 发表“保密系统的通信理论” [12]，奠定密码学数学基础。 1973年， IBM开发 Feistel分组密码结构 [13]，其物理 上的对称性和反复性极大降低了对硬件实施中编码量和线路传输的要求，奠定了 数据加密标准（ Data Encryption Standard, DES）的结构基础。 1976 年， Diffie 和 Hellman 提出“密码学新方向” [14]，打破 DES 加密安全性对密钥保密的依赖， 开辟公钥密码理论，为密钥协商、数字签名技术提供新解法。 《中华人民共和国密码法》（简称《密码法》）于 2019 年十三届全国人大常 委会第十四次会议表决通过，并于 2020年 1月 1日正式施行。《密码法》明确规 定，密码分为核 心密码、普通密码和商用密码。国家对密码实行分类管理。 其中， 核心密码、普通密码属于国家秘密，用于保护国家秘密信息 ， 都由密码管理部门 依法实行严格统一管理。商用密码用于保护不属于国家秘密的信息，其广泛应用 于国民经济和社会生产生活的方方面面，影响着老百姓的日常生活。 12 Shannon C E. Communication theory of secrecy systems[J]. Bell Labs Technical Journal, 1949, 28(4): 656-715. 13 Meyer C H. Design considerations for cryptography[C]//Proceedings of the June 4-8, 1973, national computer conference and exposition. ACM, 1973: 603-606. 14 Diffie W, Hellman M. New directions in cryptography[J]. IEEE transactions on Information Theory, 1976, 22(6): 644-654. 区块链发展研究报告 2020—— 技术及理论 篇 19 当前，中国 国家密码局认定的国产商用密码算法已经形成一套完整体系：既 有 SM1、 SSF33、 SM4、 SM7、祖冲之密码算法等对称密码算法，又有 SM2、 SM9非 对称密码算法，同时还有 SM3杂凑密码算法 [15]。其中， SM1为对称加密算法， 不 公开，主要用于电子政务等加密； SM2为非对称加密算法， 公开，主要用于数字 签名、密钥交换等加密； SM3为哈希算法， SM4 是在国内广泛使用的 WAPI无线网 络标准中使用的加密 算法。 这几 种国密算法满足多种密码应用的安全需求，为建 设行业网络安全环境提供技术基础。 目前，密码学广泛应用于网络信息加解密、身份认证、数字签名，以及关于 完整性、安全电子交易（ Security Electronic Transaction,简称 SET）等的安 全通信标准和网络协议安全性标准中 [16]。 区块链的安全主要依赖于密码学 技术。在基于区块 链的交易中，确保交易数 据安全和客户隐私是区块链能够进一步发展的必要条件 [17]。 密码学为区块链数据 不可伪造、不可篡改、可公开验证和隐私保护提供了基础保障。密码学在区块链 中的具体应用主要体现在防止 交易数据 被篡改， 对 网络节点进行数字身份认证， 通过多重签名实现多人共同管理某个账户的比特币交易 ，以及 使用同态加密技术 提高 用户 隐私安全性 等方面 。 2.1.1 公钥密码体制 公共密钥密码 体制于 1976 年提出，其原理是加密密钥和解密密钥分离。 密 码体制的基本模型如 图 6所示 。 图 6 密码体制的基本模型 公钥加密流 程如 图 7 所 示。 用户可以将自己设计的加密密钥和算法公诸于 众，而只保密解密密钥。任何人利用这个加密密钥和算法向该用户发送的加