中信銀行信息技術管理部陳志明：企業級區塊鏈技術平台選擇及實踐

區塊鏈數據ETbit | 2017-11-27

中信銀行信息技術管理部陳志明：企業級區塊鏈技術平台選擇及實踐

近年來，區塊鏈受到資本市場和金融機構特別是商業銀行的廣泛關注，普華永道數據顯示，已有20多個國家投資區塊鏈技術研發，有80%的銀行2017年會開始實施區塊鏈相關的項目。區塊鏈是由金融業主導發展的，它是一種點對點的分布式賬本的底層技術，具有去中心化、信任度高、追溯性強、自治度高等特征。國內外商業銀行積極擁抱區塊鏈技術，快速推動業務場景應用的落地實施，降低交易成本，提升資源配置效率，促進信息的共享。目前，國內外商業銀行在數字貨幣、支付結算、貿易融資、供應鏈金融等領域開展了一系列研究和應用探索。

區塊鏈技術內涵與特征

區塊鏈概念首次由中本聰在論文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》中提出，目前尚沒有一個統一的定義。廣義上講，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式來保證數據安全、利用智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式架構與計算範式[3]。區塊鏈可以讓人們在沒有中心節點的情況下，通過互相協作建立信任，減少欺詐；提高交易的透明度和效率，降低交易成本，促進多方安全的交易；重構業務流程及機構的運作方式。

區塊鏈本質上是去中心化的分布式數據庫，與傳統的中心式系統相比，具有去中心化、去信任、分布式、防篡改、匿名性和開放性6大特征，其中去中心化和去信任是區塊鏈技術的核心特征。去中心化使用分布式核算和存儲數據記錄，沒有中心化的硬件或管理機構，任意節點的權利和義務都是均等的，任一節點的損壞都不影響整個系統的運作。去信任是指參與整個系統的節點之間能夠在去信任的環境下自動安全地交換數據，整個系統的運作規則、數據內容公開透明，不需要人為的幹預，在系統指定的規則範圍和時間範圍內，節點之間無法欺騙其它節點。

按照鏈接的開放程度，可以把區塊鏈劃分為三種類型：公有鏈、聯盟鏈、私有鏈。其中聯盟鏈屬于半開放方式，具有安全性和創新性比較均衡的特點，被認為是目前最有潛力的區塊鏈應用模式。

圖1 區塊鏈技術的特征和分類

圖1 區塊鏈技術的特征和分類

聯盟鏈主要技術平台和發展趨勢

從根本上來說，區塊鏈就是一種分布式的體系，不同節點在保證數據一致的前提下存儲全量數據，使得所有節點都信任數據的真實性，從而構建一套沒有中心節點的可信數據交互平台。

區塊鏈技術有兩個重點，第一點是怎樣存儲數據，目前大部分的區塊鏈技術架構都采用參與驗證的節點存儲全量數據的方式，這種帶來了巨大可擴展性問題，目前主要的解決方案有sharding和state channels兩個方向。

state channels的主要思想是大部分交易兩兩直接進行，區塊鏈只作為最終的爭議仲裁手段，這其實只解決了時間戳問題，並沒有解決創造信任的問題，如果兩個節點串通作假，是很難被發現的。Sharding問題有人提出使用merkle樹解決存儲問題，但是目前筆者還沒有看到比較令人信服的整體解決方案。

第二點就是怎樣在分布式環境下形成數據的一致性，也就是所謂的共識算法，目前的主流共識算法主要有PoW、PoS(包括DPoS和Casper等變種)、PBFT以及最新提出的AlgoRand等方法，以下我們逐一進行簡介。

PoW要求參與記賬的節點都計算滿足一定規則的哈希值，最先計算出該值的節點獲得生成區塊的權利，將區塊廣播至其它節點。這種方式的壞處是占用大量無效計算資源，生成區塊的效率非常低，同時因為網絡延遲的原因，容易形成分叉，更加降低了整個系統的性能。本文認為PoW是一種低效的、不成熟的共識算法，不能滿足實際應用的需要，但是作為區塊鏈技術的首個共識算法，在技術上有較大象征意義。

PoS權益證明根據每個節點所占代幣的比例和時間,等比例的降低挖礦難度，從而加快生成找隨機數的速度。它將PoW算法中挖礦是否成功的標准由“工作證明”轉變為了“權益證明”，即根據礦工持有電子貨幣的數量和時間(相乘即得到“幣齡”)來決定挖礦的難度系數：幣齡越高，相應的難度系數越低。當一個礦工挖礦成功，即該節點獲得創建當前區塊的權利之後，該礦工所持有的電子貨幣對應的時間清零，同時系統發給礦工一定數量的電子貨幣作為獎勵。Pos的最大缺陷就是容易被巨頭控制，同時生成多個區塊形成分叉，雖然有校驗機制，巨頭可以把自己的代幣分給多個傀儡，降低作惡後的懲罰代價。

拜占庭容錯算法（ByzantineFault Tolerance）采取一個節點一票的方案確定記賬結果，少數服從多數投票，性能較好，主要用于聯盟鏈。拜占庭算法的兩個問題一是只能應用于聯盟鏈，加入節點必須有一定的信任基礎，不能防止Sybil攻擊（即控制很多沒有任何貢獻的傀儡節點進行攻擊，相當于網絡上的DDoS攻擊）；二是可擴展性不強，因為大部分拜占庭算法都需要經過Pre-prepare、Prepare和Commit三個步驟，每個步驟都要進行大量的廣播通信，所以節點的可擴展性是有問題的。

為了解決PoW、PoS和拜占庭算法的問題，圖靈獎獲得者Silvio Micali提出了一種新的共識機制AlgoRand，其主要思想是使用零知識證明隨機選出一小部分節點生成區塊鏈，再利用拜占庭算法達成共識，在拜占庭算法的每個步驟中，都通過零知識證明，選舉出不同的代表節點進行投票，確認區塊的生成，這樣大大的降低了參與共識的節點個數，提高了共識效率。AlgoRand也是一種Pos算法，不同的節點可以擁有不同的權重，從而提高被選中的概率，避免Sybil攻擊，本文認為該算法具有較高的技術含量和應用前景，值得深入研究。

在應用的場景上，因為效率及存儲空間的限制，區塊鏈的個人級的應用主要還限定于數字貨幣或代幣的範圍，目前國家監管部門叫停了ICO的推廣和交易，本文對數字貨幣不做探討。對于區塊鏈在個人應用領域的前景作者仍然持樂觀態度，除了數字貨幣的功能外，如果有某種分布式算法可以突破了數據存儲的限制，個人節點不需要存儲全量數據，而是每個節點只存儲一小部分數據，並且可以快速的寫入、修改、查找、相關數據，在大並發量的情況下不會產生沖突，區塊鏈技術會對現有的社會形態帶來巨大的改變，數據不僅僅存儲在各大企業的數據庫中，個人可以真正的成為數據的主人，形成真正的去中心化、分布式數據體系，產生技術上的烏托邦社會。

言歸正傳，在神奇的分布式存儲算法被計算機科學家發明出來以前，現有的技術在企業級的應用將會是區塊鏈技術的主要功能。目前金融、交通、醫療、教育等機構基本已經實現了數字化，各機構內部都存儲了大量的真實數據，但是跨機構的數據流通往往比較困難，形成了一個個的數據壁壘，除了政府機關，沒有一個機構能夠獲取較為全面的數據信息。區塊鏈技術是打通數據壁壘，實現信息的互聯互通的絕佳手段，這也就是聯盟鏈的主要應用場景。

本文主要介紹以太坊、Ripple和hyperledger三個主流技術體系，R3的Corda也屬于開源平台，筆者認為其商務能力大于技術能力，並且隱含成本過高，沒有進行深入探索。

Ripple是主要應用于支付場景的公有鏈體系。Ripple有兩個重要概念，其一是推出Ripple幣瑞波幣——XRP，它作為Ripple網絡的基礎貨幣，就像比特幣一樣可以整個網絡中流通，主要是燃料Gas的作用，每產生一筆交易就會消耗一些 XRP；其二是引入網關（Gateway）系統，它類似于貨幣兌換機構，允許人們把法定貨幣注入、抽離Ripple網絡，並可充當借、貸雙方的橋梁。Ripple引入了一個共識機制RPCA，通過特殊節點的投票，在很短的時間內就能夠對交易進行驗證和確認，因而TPS較高。對于想快速嘗試區塊鏈的企業來說，加入Ripple未嘗不是一種簡單易行、性價比高的方案，只需部署一台服務器，聯系好對手企業，即可開展基于區塊鏈的支付交易。

以太坊是一個包含圖靈完備虛擬機的區塊鏈開發平台，它的最大特點就是智能合約，智能合約配合友好的界面和外加一些額外的小支持，可以讓用戶基于合約搭建各種千變萬化的DApp應用。本質上說，合約就是存儲在以太坊狀態中的一類“虛擬對象”，它存儲在分布式空間中，和普通用戶一樣可以創建內部交易，並對其他合約進行操作。目前以太坊運行的1.0版本采用的是POW挖礦的共識算法，目前公網的TPS是25筆，在開發中的1.5版本，將采用類POS算法，以使區塊的確認速度大大提高。以太坊的整個技術生態系統比較強大，同時迭代周期比較快，所以有比較強的生命力。以太坊因為主要應用于公有鏈，受到過多次攻擊，出現過一些較大漏洞，此外對于企業級商業應用來說，頻繁的迭代升級會帶來較大的維護成本。

HyperLedger是一個帶有可插入各種功能模塊架構的區塊鏈實施方案。HyperLedge的分層設計比較合理，模塊化程度非常不錯， fabric是其中應用最廣泛的項目，應該是大企業構建聯盟鏈的主要選擇之一。HyperLedger架構核心邏輯有三條：Membership、Blockchain和Chaincode（即智能合約）。

Membership Services這項服務用來管理節點身份、隱私、保密性、可審計性

BlockchainServices使用建立在HTTP/2上的P2P協議來管理分布式賬本，提供最有效的哈希算法來維護區塊鏈數據結構，另外采取可插拔的方式來根據具體需求來設置共識協議，比如PBFT，PoW和PoS等，IBM首選PBFT算法。

Chaincode services 會提供一種安全且輕量級的沙盒運行模式，在節點上執行智能合約邏輯，類似以太坊的EVM虛擬機。

目前fabric已經從0.6版本升級到1.0版本，在底層技術上發生了巨大的變化，基本上是一個新項目。1.0版本將區塊鏈的數據維護和共識服務進行分離，共識服務從Peer節點中完全分離出來，獨立為Orderer節點提供共識服務；同時基于新的架構，實現多通道（channel）的結構，實現了更為靈活的業務適應性，如業務隔離、安全性等，支持更強的配置功能和策略管理功能，進一步增強系統的靈活性和適應性，采用了kafaka作為消息轉發的平台，實現分布式、基于發布/訂閱的消息系統，大大提高系統的吞吐率，實現了節點在線水平擴展。但是目前其共識機制尚未成熟，容錯性能與0.6版本相比有了一定的下降，中心化程度有了一定的上升。

企業級區塊鏈技術平台選擇實踐

對企業來說，區塊鏈是一個較好的創新突破口。與當前另一熱門的深度學習相比，技術門檻較低，對數據要求也不高。目前區塊鏈已經在很多領域進行了嘗試性的應用，在金融行業主要包括數字貨幣、支付結算、貿易融資、征信與反欺詐、銀團貸款、抵押貸款、項目與合同管理、債券發行、小額信貸、外彙交易、貴金屬交易、資產轉讓等諸多領域。

區塊鏈領域應用雖然已經取得突破性進展，但仍面臨著諸多挑戰性的問題。

1.生態鏈尚不成熟

現有的區塊鏈應用範圍還比較有限，作為一種共享的分布的技術需要多方的協同合作，共同制定規範和標准。區塊鏈技術受到現行法律和監管的制約，法律和監管制度體系有待完善。

2.安全性挑戰

區塊鏈技術存在安全漏洞，區塊鏈網絡中的私鑰安全存在隱患，需要整合更強的加密算法；聯盟鏈的安全性尚未經過大範圍的長時間的驗證；新的業務模式也會帶來新的安全隱患。需要從業務和技術兩個方面結合探索安全策略和措施。

3.性能瓶頸有待突破

基于區塊鏈技術構建的系統面臨計算性能低、空間占用大、存儲資源消耗過高等問題；而系統的效率依賴于網絡節點中處理速度最慢的那個節點；區塊鏈技術整合到現有金融系統的成本較高。因此，當前的區塊鏈技術水平只適用于低流量低頻次的交易環境，難以應對高並發、高時效、大流量的金融應用場景。雖然許多新平台通過優化區塊鏈技術一定程度上提升了交易速度，距在金融領域大規模普及應用還有一定的距離。

4.尚未在複雜業務場景下大規模應用

隨著參與機構逐漸增加以及行業項目的落地，在複雜業務場景下區塊鏈技術的一些問題可能被放大，需要重要行業應用進行驗證支撐。

因此，企業在區塊鏈應用時最主要的就是進行場景的選擇，首先是合法合規，必須符合國家機關和監管機構的要求。其次是有一定的業務價值，企業的技術創新最終還是要產生效益的，當然在創新技術的孵化期可以在投入產出要求上放松一些，等技術成熟後推動業務的大力發展，形成良性循環。第三就是找到志同道合的合作夥伴共同推動，因為在企業內部做私有鏈筆者認為沒有太大意義，公有鏈技術風險又太高，尋找到願意一起嘗試的“小夥伴”非常重要。第四就是選擇一個較為穩定的，可擴展性強，具有較大發展前景的技術平台，這裏稍微擴展說明之下。

筆者所在的單位搭建了國內首個基于區塊鏈的信用證系統，信用證這個業務，基本是A銀行開出一個信用證，通過線下郵寄方式寄給B銀行。B銀行收到這個信件，去做後續業務。這個模式郵寄效率比較低，有可能丟失。信用證開證金額一般較大，一旦丟失對企業融資效率會造成較大的影響。通過將參與方納入聯盟鏈，通過區塊鏈來進行信息傳輸，彼此進行信息的共享和互證，保證信用證發信息的時效性和真實性。

在技術方向上，由于沒有先例可以借鑒，我們進行了很多調研，最終選擇了fabric，目前看這個選擇是正確的，一個是因為這個平台的開放性和穩定性來說相對較好，對于銀行業務的擴展性來說也有很大空間，二是該平台使用的人較多，國內大部分的聯盟鏈場景都是基于fabric進行開發，社區的活躍度也較高。

區塊鏈最核心的是在不信任的環境當中創造信任。就像經濟人學刊提到的“區塊鏈是產生信任的機器”。目前為什麼覺得區塊鏈技術在很多情況下可能在應用過程中不是那麼好用，因為我們是把區塊鏈技術往我們現在的業務模式裏面生搬硬套。現在很多業務模式主要是基于中心化的思路去做的設想，那麼區塊鏈本身是“去中心化”的技術，你把它往現有業務模式上套，很難發揮它的生命力和優點，那我們希望尋找新的業務模式、場景來運用這種新的技術來泛化它的生命力。

結論與展望

目前大量機構投入大量的資源聯合推動區塊鏈技術的研發和應用。從技術優勢、機制和模式的優勢來看，企業對區塊鏈技術的創新應用是不可逆的大趨勢，大規模應用指日可待。未來，區塊鏈與企業具體業務的結合與發展，可從三個角度開展和布局。

從數字經濟視角看，區塊鏈技術代表了數字經濟的發展方向，區塊鏈模式代表了社會和經濟去中介的扁平化發展方向，打破以往各類以媒介為中心的交易模式，國家金融基礎設施將迎來重大變革。

從行業發展視角看，企業對區塊鏈技術的創新應用，是一個循序漸進的、分階段的過程。銀行應用區塊鏈技術將更多采取聯盟化發展模式，在區塊鏈技術應用的初期，成本和效率優勢並不明顯，在短期內不斷探索和擴展區塊鏈技術的應用場景，快速推進不同業務應用場景的試點實施。此外，企業的業務運轉更加依賴與內外部環境的協同以及對資源的整合能力，利用高效、低成本的區塊鏈業務系統，將有利于構築良好的業務生態體系。

從企業對策的視角看，在即將到來的區塊鏈創新大潮中，許多銀行在密切關注的同時，依然會謹慎行事，不盲動，不被動，起初進行小規模的驗證開發，大規模的投入上線使用需要謹慎。面向區塊鏈技術帶來的創新線索，多數銀行仍將選擇以大數據為基礎的業務創新發展邏輯；在升級互聯網金融戰略的基礎上，將加強以區塊鏈應用為導向的業務模式創新。

區塊鏈技術尚未完全成熟，區塊鏈未來想成功，開源、開放、共享、平等這幾點很重要，這是一個完整的生態圈或是一個新的生態圈，需要大家一起去投入、一起去建設。