精品系列区块链研究报告.docx
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精品系列区块链研究报告
区块链研究报告
图表目录
区块链研究报告
一、区块链如何创造信任：
基本结构、关键机制与核心性质
近年来，区块链成为科技界和创业圈的一大热词。
第46届世界经济论坛达沃斯年会将区块链与人工智能、自动驾驶等一并列入“第四次工业革命”，显示出区块链技术的重大意义和极为广阔的发展空间。
IBM公司CEO罗睿兰女士有一句著名的论断：
“区块链对于可信交易的意义正如互联网对于通讯的意义”（Whattheinternetdidforcommunications,Ithinkblockchainwilldofortrustedtransactions）。
那么区块链是什么？
为何它被称为“信任的机器”？
在本报告的第一部分中，我们用“1”、“2”、“3”来总结区块链的特点，由此回答以上两个关键问题——
“1”句话概括区块链：
可信的分布式数据库；
“2”个核心优势：
分布式、不可篡改；
“3”个关键机制：
密码学原理、数据存储结构、共识机制。
1、“1”句话概括区块链：
可信的分布式数据库
狭义来说，区块链是一种将数据区块以时间顺序相连的方式组合成的、并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式数据库（或者叫分布式账本技术，DistributedLedgerTechnology，DLT）。
分布式包含两层意思：
∙一是数据由系统的所有节点共同记录，所有节点既不需要属于同一组织，也不需要彼此相互信任；
∙二是数据由所有节点共同存储，每个参与的节点均可复制获得一份完整记录的拷贝。
那么这个分布式数据库的基本结构如何？
图表1传统数据库的“单中心”与区块链的“分布式”
区块链可以视作一个账本，每个区块可以视作一页账，其通过记录时间的先后顺序链接起来就形成了“账本”。
一般来说，系统会设定每隔一个时间间隔就进行一次交易记录的更新和广播，这段时间内系统全部的数据信息、交易记录被放在一个新产生的区块中。
如果所有收到广播的节点都认可了这个区块的合法性，这个区块将以链状的形式被各节点加到自己原先的链中，就像给旧账本里添加新一页。
图表2区块链=区块+链
区块可以大体分为块头（header）和块身（body）两部分。
块头一般包括前一个区块的哈希值（父哈希）、时间戳以及其他信息。
哈希是一类密码算法，将任意一段信息都可以通过某种加密算法表现为一串“乱码”，也就是哈希值。
父哈希指向上一个区块的地址（头哈希），如此递推可以帮我们一直回溯到区块链的第一个头部区块，也就是创世区块（genesisblock）。
每个特定区块的块头都具有唯一的识别符，即头哈希值。
任何节点都可以简单地对区块头进行哈希计算独立地获取该区块的哈希值。
区块高度是区块的另一个标识符，作用与区块头哈希类似。
创世区块高度为0，然后依次类推。
图表3比特币的#515056
以上图的比特币#515056区块为例，其块头中除了包含头哈希、父哈希及默克尔根以外，还包含了以下重要信息：
∙奖励（BlockReward）：
系统发放给发现正确哈希值并创建新区块的矿工的奖励，这部分为内置代币系统的区块链独有。
目前比特币区块链奖励为12.5个比特币，该数字每四年减半（比特币总量设定为2100万个）。
∙难度（Difficulty）：
该区块工作量证明算法的难度目标。
∙随机数（Nonce）：
用于工作量证明算法的计数器。
块身包含经过验证的、块在创建过程中发生的所有价值交换的数据记录,通过一种特殊的数据结构存储起来，通常组织为树形式——比如默克尔树（MerkleTree）。
所有数据记录在这棵树的“叶子”节点里，一级一级往上追溯，最后归结到一个树根，反之通过树根就追溯到每一笔交易详情。
2、区块链三大关键机制：
密码学原理、数据存储结构、共识机制
（1）密码学原理
密码学原理之一：
哈希算法
哈希算法是一类加密算法的统称，是信息领域中非常基础也非常重要的技术。
输入任意长度的字符串，哈希算法可以产生固定大小的输出。
通俗地说，我们可以将哈希算法的输出（也就是哈希值）理解为区块链世界中的“家庭地址”。
就像物理世界中我们总可以用一个特定且唯一的地址来标识一样，我们也可以用哈希特定且唯一地标识一个区块（如果不同区块的哈希总是不同的，那么我们称这类哈希函数具有“碰撞阻力”，这是对哈希函数的基本要求），而且就像我们无法从“家庭地址”倒推出房屋结构、家庭成员等内部信息一样，我们也无法从哈希值反推出区块的具体内容（哈希函数的隐秘性）。
密码学原理之二：
非对称加密
非对称加密是指加密和解密使用不同密钥的加密算法，也称为公私钥加密。
区块链网络中，每个节点都拥有唯一的一对私钥和公钥。
公钥是密钥对中公开的部分，就像银行的账户可以被公开，私钥是非公开的部分，就像账户密码。
使用这个密钥对时，如果用其中一个密钥加密一段数据，则必须用另一个密钥解密。
图表4用户接收文件的非对称加密过程
在比特币区块链中，私钥代表了对比特币的控制权。
交易发起方用私钥对交易（包括转账金额和转账地址）签名并将签名后的交易和公钥广播，各节点接收到交易后可以用公钥验证交易是否合法。
在这个过程中交易发起方无须暴露自己的私钥，从而实现保密目的。
图表5比特币交易的加密与传播过程
图表6比特币交易的解密与验证过程
（2）数据存储结构：
默克尔树
默克尔树（MerkleTree）实际上是一种数据结构。
这种树状数据结构在快速归纳和检验大规模数据完整性方面效率很高。
在比特币网络中，默克尔树被用来归纳一个区块中的所有交易，其树根就是整个交易集合的哈希值，最底层的叶子节点是数据块的哈希值，非叶节点是其对应子节点串联字符串的哈希。
我们只需要记住根节点哈希，只要树中的任何一个节点被篡改，根节点哈希就不会匹配，从而可以达到校验目的。
图表7默克尔树
（3）共识机制
共识机制是区块链网络最核心的秘密。
简单来说，共识机制是区块链节点就区块信息达成全网一致共识的机制，可以保证最新区块被准确添加至区块链、节点存储的区块链信息一致不分叉甚至可以抵御恶意攻击。
实践中要达到这样的效果需要满足两方面条件：
一是选择一个独特的节点来产生一个区块，二是使分布式数据记录不可逆。
当前主流的共识机制包括：
工作量证明/POW（ProofofWork）、权益证明/POS（ProofofStake）、工作量证明与权益证明混合（POS+POW）、股份授权证明/DPOS（DelegatedProof-of-Stake）、实用拜占庭容错（PBFT）、瑞波共识协议等。
其中比特币使用的是工作量证明机制。
图表8当前主流共识机制
∙工作量证明/POW
工作量证明机制的基本步骤如下：
1）节点监听全网数据记录，通过基本合法性验证的数据记录将进行暂存；
2）节点消耗自身算力尝试不同的随机数（nonce），进行指定的哈希计算，并不断重复该过程直到找到合理的随机数，这一过程也被称为“挖矿”；
3）找到合理的随机数后，生成区块信息（块头+块身）；
4）节点对外部广播出新产生的区块，其他节点验证通过后，连接至区块链中，主链高度加一，然后所有节点切换至新区块后继续进行下一轮挖矿。
图表9工作量证明机制的运作过程
比特币区块链就是通过足够大的工作量来求解数学难题来就“谁有权记账”达成共识。
“矿工”在挖矿过程中会得到两种类型的奖励：
创建新区块的新币奖励，以及区块中所包含交易的交易费用（交易双方为了交易被区块链尽早记录会提供给矿工一笔交易费用作为激励）。
这种算法的竞争机制以及获胜者有权在区块链上进行交易记录的机制实际上分别解决了分布式记账以及记账权归属的问题。
在比特币区块链中，这一过程还起到了货币发行的作用——目前每隔10分钟，就会有挖到新区块的矿工收到12.5个比特币的奖励。
尽管工作量证明机制解决了记账权归属问题，那么获得记账权的矿工有没有可能“作弊”，在构造的新区块中添加一些并不存在的交易呢？
实际上，比特币区块链共识机制的重要环节是网络中的每个节点都会独立校验新区块，其中最重要的就是校验新区块中每一笔交易是否合法。
如果没有通过验证，那么这个新区块将被拒绝，该矿工也就白白浪费了所有的电力和努力。
∙权益证明
在工作量证明/POW机制中，所有参与POW竞赛的节点都将付出不小的经济成本（硬件、电力、维护等），而且每次只有一个节点“胜出”，也意味着其他节点的大量资源将被浪费。
为了解决资源浪费问题，权益证明机制/POS在2013年被提出并最早在Peercoin系统中被实现。
权益证明类似现实生活中的股东机制，其出发点是：
如果共识机制主要是用来证明谁在挖矿这件事情上投入最多，为何不简单直接地把挖矿“算力”按比例分配给当前所有的持币者？
在工作量证明中，有更多算力的矿工会得到更多的投票权；在权益证明中，持有更多币（以及相应的时间）的矿工将获得更多的投票权。
∙股份授权证明/DPOS
在这种系统中，每个币就等于一张选票，持有币的人可以根据自己持有币的数量来投出自己信任的受托人，而受托人不一定需要拥有最多的系统资源。
股份授权证明机制模仿了公司的董事会制度，能够让数字货币持有者将维护系统记账和安全的工作交给有能力有时间的人来专职从事该项工作。
受托人也可以通过记账来获得新币的奖励。
相对于权益证明机制，股份授权证明的优势在于记账人数量大大缩小，并且轮流记账，可以提高系统的整体效率，理想环境下，DPOS能够实现每秒数十万笔的交易数量。
共识机制的选择对区块链性能（资源占用、处理速度等）有着较大的影响，同时也会决定区块链“去中心化”的程度。
一般来说，区块链去中心化程度越高，其性能越弱。
去中心化程度和效率在多数情况下难以兼顾。
图表10主要共识算法对比
3.区块链两大核心性质：
分布式、不可篡改
（1）分布式记账与存储
在记账方面，区块链不需要依赖一个中心机构来负责记账，节点之间通过算力或者权益公平地争夺记账权，这种竞争机制实际上是区块链与传统数据库最大的主要区别之一。
通过“全网见证”，所有交易信息会被“如实地记录”，而且这个账本将是唯一的。
在传统复式记账中，每个机构仅保存与自己相关的账目，但往往花费大量的中后台成本进行对账与清算，这种低效的方式将被区块链彻底变革。
在存储方面，由于网络中的每一个节点都有一份区块链的完整副本，即使部分节点被攻击或者出错，也不会影响整个网络的正常运转。
这使得区块链相比传统数据库具有更高的容错性和更低的服务器崩溃风险，同时由于每个节点都有一份副本也意味着所有的账目和信息都是公开透明、可以追溯的。
所有参与者都可以查看历史账本、追溯每一笔交易，也有权公平竞争下一个区块的记账权，这是传统数据库无法做到的。
（2）不可篡改
在区块链中伪造、篡改账目基本是不可能的，不可篡改也意味着数据的高度一致性和安全性，这是区块链与传统数据库的另一主要区别。
为什么区块链中的交易无法被伪造？
首先，合法的交易需要私钥签名，否则无法被其他节点验证；其次，每一笔交易都是可回溯的，也就杜绝了无中生有的可能。
为什么区块链是不可篡改的？
假如我们要篡改区块链中第k个区块的数据，那么当前区块的头哈希就会发生改变，由于哈希函数具有碰撞阻力，改变后的头哈希将无法与k+1区块的父哈希相匹配，篡改者需要继续修改k+1区块的父哈希，并一直修改之后每个区块。
这要求篡改者在同一时间同时入侵全球所有参与记录的节点并篡改数据，只有重新计算被更改区块后续的所有区块，并且追上网络中合法区块链的进度后，并把这个长的区块链分叉提交给网络中的其他节点，才有可能被认可。
在很多情况下，产生一个新区块的难度不小，要连续产生多个区块组成新分叉的计算难度更是惊人。
在全网巨大算力的背景下，一个恶意节点要做到这点需要拥有至少全网51%的算力基础，由于区块链是一个分布式系统，大部分节点都是相互独立的，“51%攻击”在现实中很难发生。
图表11篡改区块链的难度
《经济学人》曾在2015年10月刊的封面文章《信任的机器》中这样介绍区块链——“比特币背后的技术有可能改变经济运行的方式”。
在我们看来，分布式与不可篡改正是区块链被称为“信任机器”的原因所在——不可篡改意味着区块链总是“诚实”的，分布式意味着区块链总是“透明”的。
而不论人与人之间的交往，抑或商业机构之间的交易，诚实和透明都是双方或多方互信的基石。
区块链的“诚实”与“透明”，也让它被人们寄予厚望成为互联网的“信任机器”。
二、区块链如何为实体经济与金融市场“赋能”：
范围广、跨主体、提效率、降成本
区块链技术能够广泛服务于支付清算、票据、保险等金融领域以及供应链管理、工业互联网、产品溯源、能源、版权等实体经济领域。
几乎所有行业都涉及交易，都需要诚信可靠的交易环境作为行业健康发展的前提支撑。
区块链通过数学原理而非第三方中介来创造信任，可以降低系统的维护成本。
对于传统金融机构而言，对账、清算、审计等线上环节的运营与人力成本将得以降低；对于非金融行业，区块链能够减少价值链各环节的信息不对称，从而提升协作效率、降低整体交易成本；对于个体而言，陌生双方或多方能够跨越物理距离的限制，在网络上安全地传递价值，从而创造更多供给与需求。
图表12区块链的应用场景
与流行的观点认为区块链将冲击现有的商业逻辑和环境不同，我们认为，区块链技术目前更适合落地于价值链长、沟通环节复杂、节点间存在博弈行为的场景，将提升跨主体协作的效率、降低相应成本，是对传统信息技术的升级、对现有商业环境的优化而非颠覆。
传统信息技术（例如OA、ERP系统）在目前企业内部的沟通协作中已经显示出足够便利与高效，区块链在这些已经建立或者可以通过线下建立信任的场景中并没有太大的应用必要。
但是在跨企业、跨主体的场景中由于互信机制的缺失，目前仍然大量依赖人力物力进行沟通协作。
例如当前不同机构间进行对账，往往需要从各自的信息系统中导出数据后电邮发送甚至打印后盖章邮寄，对方收到后再进行比对验证。
在这种跨主体协作的场景下，区块链技术能够通过保持各主体间账本的安全、透明与一致，从而切实降低各参与方的信息不对称。
下文将以跨境支付、国际航运物流等四个区块链实际应用场景为例，来讨论区块链究竟如何为实体经济与金融市场“赋能”。
1、区块链+跨境支付
区块链的分布式架构和信任机制可以简化金融机构电汇的流程，缩短3-5天的结算周期，同时降低SWIFT协议的高昂手续费。
（1）SWIFT形式耗时长，手续费高
SWIFT主要为金融机构的结算提供金融交易的电文交换业务，提供规则统一的金融行业安全报文服务和接口服务。
由于跨境金融机构间系统不相通，直接结算成本高昂，同时业务占比低以及对手方存在不确定性，很难构建直接合作关系。
代理行的存在、协议的沟通以及交易信息的反复确认使得结算周期平均需要3-5天，其中通过SWIFT进行交易确认往往需要1-2天。
图表13SWIFT电汇结算体系
通过SWIFT支付成本高昂。
支付成本包含银行手续费、SWIFT通道费、交易延迟损失和准备金等。
由于流程涉及众多，中间参与方的手续费等居高不下，从收款方到付款方的单次交易需要25-35美金的交易费用，其中因交易时间过长造成的流动性损失占比达34%，资金运作成本占比达24%。
（2）区块链+跨境支付：
加速交易，降低成本
应用区块链技术于跨境支付领域相当于创建了一个跨国金融机构间的点对点网络，汇出行和汇入行的交易需求可以直接得到匹配，大大降低了SWIFT体系中的流动性损失、资金运作和换汇成本。
∙Ripple：
区块链技术应用于跨境支付领域的新势力
Ripple成立于2012年，采用联合共识机制并由金融机构扮演做市商，从而提供去中心化的跨境外汇转账。
银行间的交易支付信息上传到节点服务器后经过投票确认即可完成交易，从而节约了银行通过SWIFT进行的对账和交易信息确认时间，将原本1-3天左右的交易确认时间缩短到几秒钟，整体的跨境电汇时间缩短到1-2天。
Ripple目前已经有90家金融机构成员，包括加拿大皇家银行、渣打银行、西太平洋银行等，还有75家在协商中。
图表14Ripple降低了收款行和付款行之间的成本
流程的简化大幅降低跨境支付的成本。
目前Ripple体系可以降低涉及到代理行和SWIFT所产生的流动性损失、支付费用、换汇费用以及资金运作费用。
根据Ripple估算，银行间每笔交易的成本将从5.56美元下降到2.21美元，降低60%，以2016年通过SWIFT完成的30多亿次支付类报文数量计算，2016年可以节约大约100亿美元的费用。
图表15Ripple体系与SWIFT体系的比较
2、区块链+全球贸易物流
（1）面临痛点：
涉及主体多、消耗时间长、信息不流畅、交易成本高
全球贸易由包括出口商、进口商、受货商、承揽商、运输商、监管机关等多主体构成。
其中，全球贸易90%经过海域运输，应用消费品80%通过海域运输。
以马士基一项运输案例为例，2014年，马士基从非洲肯亚运输牛油果和玫瑰至欧洲荷兰，耗时1个月的跨国运输涉及超过30个主体200多次沟通交互。
每个主体每次交互都有各自文件流程，整体流程结束签署文件厚度高达25厘米。
主体之间信息离散程度高且各自存在各个自有环节中，大量的纸质作业使供应链缺乏透明度、协同效率低下。
交易环节中大量协作与低透明度造成各主体难以及时了解货物运输实时状态，容易出现资源利用率降低、运输时间延长、货物潜在损坏度提高、成本提高的风险。
图表16目前全球贸易物流涉及主体及过程
（2）区块链使贸易更简单、更快、更透明、更安全
区块链去中心化、可追溯、信息对称、安全可视等特点天然的适用于全球贸易的物流环节，以IBM区块链开放物流平台为例。
对于信息流通透明方面，IBM平台对各个参与主体开放，关于物流相关的任何详细信息，通过双方以及多方数字签名和凭证（Token）进行全网验证。
五大管理系统包括物流、港口、海关、供应链、运输交通同时协作管理，保证所有信息电子化实时共享。
实时共享的信息保证物流全流程每个环节的效率和效益，有效降低人力物力支出。
对进口商、出口商、制造商来说，端到端的信息透明可以实时监管物流全流程，增加各个环节沟通效率；对港口和集装箱集中地管理来说，提高空箱利用率和资源错配率；对海关等检查机关来说，信息正确提高批审效率；对运输管理商来说，优化货物运输路线和日程安排。
IBM与马士基合作从鹿特丹港到新泽西纽瓦克港的运输，期间也经过美国海关和其他机构的检查和许可，任务总共花费两个星期。
事实上，航运公司在港口靠泊时间节省一个小时，便可节省约8万美元成本。
此次合作，马士基时间上节省超40%，成本降低超20%。
IBM区块链技术提高各个环节数字化管理效率，大幅度降低纸质文件、集装箱错配或空置、中间环节欺诈等问题，提高资源利用率的同时优化管理结构。
图表17IBM区块链开放物流平台
3、区块链+供应链金融
（1）供应链金融：
十万亿市场
供应链金融一般是指利用供应链上核心企业的信用支持为上下游中小企业提供相关的金融信贷服务。
与传统对公信贷侧重大中型企业不同，供应链金融能够在掌握整条供应链上的商流、信息流、物流和资金流的全局图景后为中小企业提供更快捷方便的资金融通支持。
根据前瞻产业研究院的测算，到2020年我国供应链金融的市场规模将达15万亿左右。
图表18供应链金融示意图
（2）传统供应链金融：
中小企业融资难、成本高
传统供应链金融模式下，信息不够透明导致中小企业融资难，成本高。
首先，当前模式下，银行主要依赖供应链核心企业的控货和销售能力，而由于其他环节的信息不够透明，银行出于风控考虑往往仅愿意对上游供应商（一级供应商）提供应收账款保理业务，或对其下游经销商（一级经销商）提供预付款或存货融资。
这导致了二三级等供应商和经销商的巨大融资需求无法得到满足，不仅使得供应链金融的整体市场受限，更可能使得供应链上的中小企业因为融资受限影响生产进度和产品质量，从而伤害整个供应链。
图表19传统供应链金融
根据制造业巨头富士康的测算，其一级供应商的融资成本可能是5%，二级供应商的融资成本为10%，三级供应商成本则达25%甚至更高，而且链条越往两端，融资金额也会越小。
其次，现阶段商业汇票、银行汇票作为供应链金融的主要融资工具，使用场景受限且转让难度较大。
在实际操作中，银行对于签署类似应收账款债权“转让通知”的法律效应往往非常谨慎，甚至要求核心企业的法人代表去银行当面签署，造成操作难度极大。
（3）区块链+供应链金融：
更加高效、更低成本
2017年3月，互联网金融平台点融网和富士康集团旗下金融平台富金通合作推出区块链金融平台“ChainedFinance”。
ChainedFinance首先将核心企业的应付账款转化为区块链上的线上资产eAP，eAP可以在各级供应商之间流通（用于支付或用于融资取现）。
当核心企业与一级供应商L1形成应付账款并写入区块链后，L1可以任意分拆eAP并用于支付自己的供应商L2，以此类推至L3、L4等，最终eAP成为区块链平台上的“商票银票”。
而线上资产eAP通过密码学加密具有不可篡改、不可被重复支付的特性，这将有助于增进供应链上下游之间的互信；区块链的可追溯性也保证了所有交易和流通过程的透明可见。
图表20ChainedFinance运作模式
ChainedFinance目前为私有链模式，为富士康的核心企业提供相关融资服务，已经覆盖供应商150家、金额已达5亿人民币，并且最深层服务至第五级供应商，未来还会进一步拓展到汽车业和服装业。
对于供应链上的中小企业而言，传统模式下融资成本高达25%以上，而在ChainedFinance平台下可以核心企业资信的应收账款融资，融资成本可以降低至10%以下。
图表21传统供应链金融与ChainedFinance对比
4、区块链+征信
（1）征信系统可以提高经济运行效率
征信是依法收集、加工自然人及其他组织的信用信息，并对外提供信用报告、信用评估、信用信息咨询等服务。
征信系统的建设对信用风险的防范和信用交易的扩大有着重要作用，从而提高整个经济的运行效率。
早在2014年，清华课题组发布的报告中就曾测算，2012年征信系统改善了4986亿元的消费贷款质量，为银行带来801.6亿元的收益，拉动了约0.33%的GDP增长。
图表22征信系统显著改善了个人贷款质量
图表23征信系统给银行带来八百亿净收益
（2）当前征信体系“信息孤岛”问题严重，信息归属错位
个人和企业的征信市场主要由政府背景的信用信息服务机构和社会征信机构主导，截至2017年5月份，我国征信市场有138家企业征信机构，9家个人征信机构，其中由其余八家持股的“百行征信”已获得经营牌照。
随着数据量和征信维度的增加，各个征信机构只能在某一方面做到专业，例如芝麻信用有着较多的支付数据，但缺乏腾讯征信的社交数据，在公共部门的数据也略显不足。
导致同一个客户可能在多个征信机构有着不同的征信数据，存在着严重的“信息孤岛”问题，单靠某一个征信机构的数据无法将某一个客户的征信完全展现出来，导致片面的决策和风险。
当前征信体系的数据归属错位。
个人和企业的信用信息应归个人和企业所有，现行的征信体系，相关信息都在征信机构手中，由此带来数据安全和隐私问题。
（3）区块链+征信：
促进共享，数据确权
通过系统各节点的信息共享，区块链可以构建一个完整的“信用分评价体系”，根据个人行为对信用的影响程度高低（例如信贷数据影响较高、非信贷数据影响较低）来评估个人的整体信用水平，并根据联盟机构对信用评价的贡献分配信用使用方查询数据产生的收益，解决“信息孤岛”问题。
∙LinkEye：
区块链+征信的初步尝试
LinkEye是一套基于区块链技术的征信共享联盟链解决方案，通过区块链技术和信贷经济模型的整合，来构
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