京东区块链技术白皮书.docx
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京东区块链技术白皮书
序
区块链技术推动价值大数据的高效、可信流动
“技术引领，正道成功”！
这是京东集团董事局主席刘强东先生在2017年618购物节期间，对外界正式发布的京东未来发展战略。
在过去的十四年中，京东用了很长的时间证明自己是一家成功的零售公司；现在，京东正在用实践证明自己也是一家领先的技术公司。
京东集团正在全面迈向技术转型，引领第四次零售革命的全面升级。
京东对于技术领域的投入，尤其是针对AI（人工智能），BigData（大数据），Cloud（云计算）等新兴领域的投入，加速了京东向全社会提供“零售即服务‘RetailasaService,RaaS’”的零售基础设施服务的步伐。
区块链作为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成应用，在京东所在的零售领域有着非常多的结合场景。
尤其是其去中心化以及新型信用体系的建立方式，对于京东在技术转型方面的战略愿景，以及在消费者心中长期所建立起来的正道形象非常匹配。
目前，区块链的发展势头，将在技术领域成为云计算、大数据、及人工智能之后，并列于移动互联网从中心到边缘、5G物联网等新一代信息技术，共同引发并推动新一轮的技术创新和产业变革。
为推动区块链技术的发展和京东集团各种业务场景的结合，运用区块链技术推动价值大数据的记录、流动和交换，京东集团联合了内部各职能、技术、及业务体系，开展区块链技术和应用发展趋势专题研究，编撰形成了《京东区块链技术白皮书（2018）》。
白皮书总结了区块链核心关键技术在京东集团的发展现状和方向，分享了京东集团各个业务落地实践的典型应用案例，为业界区块链技术发展路线图和标准化路线图提出了相关建议。
白皮书内容详实、分析透彻，落地场景扎实，具有相当好的参考价值。
在发布白皮书的同时，我们期待与
业界有识之士共同努力，积极把握区块链发展趋势和规律，营造良好正道的技术发展环境，
加速推动区块链技术的发展和各种应用场景的落地结合。
京东集团首席技术官
张晨
前言
区块链技术将引领互联网数据存储与交换的巨变，开启信任经济时代。
自去年开始，区块链技术独立于比特币，逐渐进入科技公司和人民群众的视野，引发了广泛关注与大量讨论。
学术界和工业界普遍认为区块链技术是下一代数字经济的基石，可以极大的推动数据的可信存储、商业协同、数据可信的交换和分享，以及随之诞生的新兴商业模式。
伴随着每一家公司对于区块链技术的追逐和不懈探索，我们也留意到一些过热的泡沫和技术噱头的杂音，同时现有区块链的开源平台也暴露出读写性能、模块标准化、应用灵活支持、监管和法律认可、安全和隐私保护等多个方面亟待改善之处。
除此之外，区块链领域的人才稀缺也极大抑制着我们对于这项技术的规模化应用。
京东集团拥有全渠道零售和端到端供应链的高质量大数据，区块链技术天然可以解决京东业务场景中多个主体的信息记录与分享，可信数据交换与传递的业务诉求。
早在2016
年，京东集团就全面启动了区块链技术在京东业务场景中的应用探索与研发实践，先后在数据交易、供应链管理、金融科技等领域落地了不同的区块链应用，过程中积累了大量的区块链部署经验与底层技术研发能力。
历经几年时间的应用和探索，京东认为区块链技术在以下三个方向存在巨大的应用机会，引领数字经济的变革——
●建立社会化共享的可信数据库
区块链的技术本质是一种去中心化、面向业务、跨主体、健壮与安全的分布式状态机。
其本身的存储数据、共有数据、分布式、防篡改与保护隐私、数字化合约等5项核心特征。
基于这些特征，部署跨主体间的区块链联盟链节点和桥接，用区块链技术搭建一张社会化的共享数据存储网络，有机会以客观的技术手段来解决跨主体
的信任问题。
●提升交易效率，降低交易成本
得益于上链数据本身具备多个交易主体相互背书和相互校验的特质，基于区块链智能合约等多种模式的商业交易可以大幅降低数据核实的环节和成本，同时又能保证商业交易的风险降低，交易更具确定性。
传统中心化的交易方式将发生改变，数据和价值的传递或转移将变得更为顺畅。
●推动供应链创新
伴随着中国政府将供应链创新与应用上升为国家战略和居民消费的不断升级，供应链风险控制和供应链透明度提升的诉求不断攀升。
区块链技术可以搭建供应链全流程节点共同维护的联盟链，在联盟链中建立数据维护的参与规则与激励机制，鼓励供应链节点中的企业参与和维护供应链数据，促进供应链数据的协同和互通，进而提升整条供应链的透明度，同时也可为消费者购买商品的溯源和防伪提供技术支持。
京东在区块链技术的创新与实践过程中，逐渐认知到区块链并不单纯是一种技术，而是一种社会化的“共识信任”理念，这种理念鼓励人们在互联网中建立一套可以被监督并且拥有治理规则的系统，而推广这一社会化理念不能依靠一家之力，而需要协同盟友共赢未来。
我们积极拥抱区块链技术带来的变革，同时也期待将我们实践和应用区块链技术的经验分享出来，与合作伙伴一同解决区块链应用和推广中仍未解决的问题，基于以上，京东集团组织和编写《京东区块链技术白皮书》。
不同于区块链研究领域内的其它白皮书，这份白皮书没有过多阐述区块链技术的宏观环境和解决方案，而是立足于区块链技术平台本身，以一个实践者的角度，结合京东潜在的区块链应用场景，给出区块链技术研发和应用的建议和经验分
享，期待携手合作伙伴共建区块链技术生态，落地更多的区块链“杀手级”应用。
京东正在
积极筹备开放支撑自身落地应用的区块链BaaS平台，帮助政府、物流商、品牌商、金融机构等合作伙伴组件适用的区块链技术平台，伴随着BaaS平台的开放和技术应用的不断积累，京东区块链技术团队将持续更新这份白皮书，以便补足现在版本中未涉及或存在缺陷的部分。
同时，京东集团各技术、业务部门也会针对自身的应用场景和实践经验，陆续对区块链技术进行垂直领域的深入解读。
京东的目标是以区块链为“链接器”，结合自身在云计算、大数据、人工智能、物联网等新技术上积累的经验，构建一体化的智慧供应链体系、零售网络和金融科技，拉近商品与客户的距离，在无界零售的集团战略指引下，全面开放自身的区块链技术积累，与您共赢未
来！
欢迎各界合作伙伴来信交流指正！
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2018年03月
编委会成员
顾问:
张晨裴健于永利杨海明
主要作者:
林世洪孙海波黄海泉王义张伟仉良朴成林张作义迟楠刘文婧周晓健翟欣磊
视觉设计：
崔伟
1.区块链技术简介
上世纪70年代以来，随着密码学技术、分布式网络、共识算法以及硬件存储计算能力的飞速发展，通过技术手段实现多主体间共识机制建立的条件日趋成熟，为解决多主体环境下的中介机构信任风险、降低交易成本、提升协同效率提供了全新的解决思路。
中本聪于2008年发表了名为《比特币：
一种点对点式的电子现金系统》（Bitcoin:
APeer-to-PeerElectronicCashSystem）的论文，详细描述了如何创建一套去中心化的电子交易体系。
这种体系不需要创建在交易双方相互信任的基础之上，首次通过技术手段实现了交易主体间共识机制的建立，而“区块链”技术正是构成这种电子交易体系的基础技术。
图比特币工作原理示意
以太坊（Ethereum）是继比特币之后的又一个开创性的区块链项目，于2013年末发布白皮书。
以太坊开创性地将智能合约（SmartContracts）和区块链结合起来，在交易主体间共识机制建立的基础上，通过自动触发可执行的电子合约，解决了交易主体间承诺履行
的问题，有效推动了区块链产业化应用的进一步发展。
近年来，区块链技术的不断发展和随之而来的数字货币热潮，引发了从极客到IT技术圈、金融领域、产业经济、政府和公共组织、媒体舆论等的广泛关注，围绕区块链技术研究、产业化应用、政策监管等开展了广泛而有益地探索实践。
区块链技术的成熟应用尚需时日，但它所带来的多主体共识协同机制的思想，将对社会治理和商业运作产生深刻的影响。
1.1.什么是区块链
区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。
简单来讲，在区块链系统中，每过一段时间，各参与主体产生的交易数据会被打包成一个数据区块，数据区块按照时间顺序依次排列，形成数据区块的链条，各参与主体拥有同样的数据链条，且无法单方面篡改，任何信息的修改只有经过约定比例的主体同意方可进行，并且只能添加新的信息，无法删除或修改旧的信息，从而实现多主体间的信息共享和一致决策，，确保各主体身份和主体间交易信息的不可篡改、公开透明。
区块链发展到今天，已经涌现出许多形形色色的区块链项目，我们梳理了这些区块链项目在技术上的共性：
区块、账户、共识、智能合约这4个主要部分构成了目前的区块链系统的通用模型。
●通过链式结构记录变更历史，这部分被称为“区块”
●通过非对称密钥对表示参与者身份，以某种形式的状态数据库记录当前的信息，这部分被称为“账户”（注：
以太坊、Fabric为代表的是账户模型，而比特币是UTXO模型）
●通过链上编码定义参与者之间的承诺，这部分被称为“智能合约”
●通过某种算法在多节点之间达成状态一致，这个过程被称为“共识”
1.2.区块链有哪些特点
从技术构成的角度来观察区块链有助于我们揭开它的神秘面纱，实事求是地分析区块链，并揭示它的本质特点，理解其价值发挥的内在逻辑。
如前所述，区块链并不是一个全新的技术，而是结合了多种现有技术进行的组合式创新，是一种新形式的分布式加密存储系统。
区块链本质上是一种健壮和安全的分布式状态机，典型的技术构成包括共识算法、P2P通讯、密码学、数据库技术和虚拟机。
这也构成了区块链必不可少的5项核心能力：
存储数据——源自数据库技术和硬件存储计算能力的发展，随着时间的累积，区块链的大小也在持续上升，成熟的硬件存储计算能力，便得多主体间同时大量存储相同数据成为可能
共有数据——源自共识算法，参与区块链的各个主体通过约定的决策机制自动达成共
识，共享同一份可信的数据账本
分布式——源自P2P通讯技术，实现各主体间点对点的信息传输
防篡改与保护隐私——源自密码学运用，通过公钥私钥、哈希算法等密码学工具，确保各主体身份和共有信息的安全
数字化合约——源自虚拟机技术，将生成的跨主体的数字化智能合约写入区块链系统，通过预设的触发条件，驱动数字合约的执行
1.3.区块链适合解决哪些问题
我们通过对比分析、研究国内外各领域的典型应用案例及相关参考文献，并结合自身研发和应用实践，获得了一些有助于在业务中推广应用区块链的经验，并推荐以下特点的应用场景或问题，应该积极考虑尝试区块链技术：
1、业务开展需要进行跨主体协作
当需要为开展跨主体的业务建设IT系统时，传统的解决方案通常是两种思路。
要么建立和运营一个中心化的系统来处理各个参与方的业务需求，业务数据由中心化的组织维护；要么采用SOA架构，由各个参与方发布服务接口，并相互调用，数据仍然维护在各个参与方。
如果采用中心化的方案，若是业务的参与方之间是相对独立平等的，要开发建设一个中心化系统是很困难的，包括协调、立项、成本分摊等问题。
如果采用SOA的方案，则技术实践上比较复杂，技术方案缺少通用性，难以支持复杂的业务。
此外，从数据的角度来看，无论是中心化的方案还是SOA，都难以实现数据防篡改。
在业务参与方之间相对独立平等的跨主体业务协作的场景下，利用区块链的共有数据、防篡改、分布式和数字化合约的特点，能够把一些以往需要在业务层面协调解决的问题，放到技术层面来解决,使得问题的解决过程更高效、灵活以及更具客观性。
2、业务开展需要参与方之间建立低成本信任
大多数业务开展都需要建立一定的信任基础，尤其是跨主体的场景下。
对信任建立困难、信任维护成本高的应用场景，区块链可以提供非常有效帮助。
我们从三个方面来考察区块链如何建立低成本信任：
a）数据可信
传统的解决方案中，数据通常是以中心化的方式存储，本应共有的业务数据通常却被强势的参与方持有。
这种模式下，数据的可信度是由数据持有者的商业/社会信用来保证的，只能建立主观的可信，对于一些重要的领域，仍需要付出额外的成本来防范数据被恶意篡改的风险。
区块链的解决方案是结合了密码学哈希和数字签名，以区块链条的形式将数据的变更历史按时间先后链在一起，并通过共识协议使得参与的各方都共同拥有这些数据。
由于多方分别持有相同的数据副本，并且数据被签名确认，并记录数据的“指纹”（哈希值），以密码技术保证了数据无法被篡改，数据因此变得可信。
区块链使数据持有变得去中心化，以技术手段实现数据客观“可信”。
b）合约履行
通常的合约（或者契约、协定、合同）的履行从根本上是由法律来保障的。
合约被自觉履行一般都是因为有利益、道德或法律后果，受许多主观因素影响。
商业活动中为了防止违约、或对违约进行追索，需要付出高昂的成本（担保、保险、律师费、漫长司法程序等等）。
区块链智能合约的本质是一套数字化形式的契约，由计算机确保严格执行。
执行方式上，通常的合约是事后以人的主观意愿来执行；而智能合约是在触发条件被满足后，由计算机程序来保证合约及时地执行，具有客观性。
我们把资产数字化到区块链或与区块链锚定，采用智能合约来描述对资产关系的承诺，同时智能合约的执行过程和结果被区块链严格记录，这样便可以降低履约成本和确保高效履约。
区块链智能合约带来的是“契约”的一种新的更精确的表示形式，以及一种更客观、更严格的执行方式。
由于契约是我们社会活动的基础，因此这种变化将会带来更广泛的社会影响。
c）历史可证明
区块链固化了交易历史，并提供对交易历史的追溯查询，保证交易的不可篡改和不可抵
赖。
如果某个事件发生时，这个事件连同时间戳一起被记录到区块链中，将来就可以通过区
块链证明这件事确实在这个时间发生过。
因此区块链为参与交易的各方保留了可信的历史记录。
3、业务过程存在长交易、长周期链条
业务在多主体间流转时，难以确定间接主体的真实性和有效性，同时由于多主体间的业务隔离，难以延伸出多级业务。
区块链从技术上保证整个长交易、长周期链条的各参与主体身份真实，数据可信，实现信用的多级传递，促进业务链条扁平化，提升业务效率。
比特币作为区块链技术的一种典型应用，在交易市场上市值已达千亿美元，这样的一个高市值系统却是以开源的方式在公共网络上运行了多年，表现出了良好的安全性和健壮性。
比特币系统的表现揭示了一个重要事实——以客观区块链技术为手段可以直接建立信任，而不需中介背书。
如果我们把区块链技术推广运用到更广泛的产业、金融、公共服务等场景，将使社会的生产分工方式产生巨大变化，这些变化包括：
●商业交易过程更容易达成信任，从而降低风险，使交易更具确定性
●商业交易中间环节被缩减，多方交易可直接达成
●传统中介的中心化的服务模式将发生巨变
这种影响目前已经逐渐显现，随着区块链的逐渐成熟和应用的不断丰富，这种影响力将会像蝴蝶效应一般逐步放大和深入到整个社会，推动去中心化或多中心化主体间的高效协同和共识决策。
人类因掌握“工具”而发展文明，我们相信区块链是一种新的“工具”，最终将促进人类社会的进步发展。
1.4.区块链发展面临的挑战
目前人们已经广泛认识到区块链巨大的应用价值，但是区块链的技术发展却还没有到达成熟阶段，尤其在企业级应用方面，区块链的交易并发能力、数据存储能力、通用性、功能完备性、易用性都还存在明显不足。
●高并发交易能力
Systems
CommitteeFormation
Performances
（Resources）
Throughput
Latency
Hybrid
ByzCoin
PoW
1000tx/s1
10–20s1
Algorand
Lottery
90tx/h2
40s2
Hyperledger
Permissioned
110ktx/s3
<1s3
RSCoin
Permissioned
2ktx/s4
<1s4
Elastico
PoW
16blocksin110s5
110sfor16blocks5
Omniledger
PoW/PoX
≈10ktx/s6
≈1s6
Chainspace
Flexible
350tx/s7
<1s7
proof-of-X
Ouroboros
Lottery
257.6tx/s9
20s
Snow-white
Stake
100-150tx/s9
–
IntelPoET
TH12
1000tx/s10
–
proof-of-word
Bitcoin
PoW
7tx/s
600s
Bitcoin-NG
PoW
7tx/s
<1s
DECOR+HOP
PoW
30tx/s8
60s
目前开源的区块链系统的高并发交易能力普遍不高，其中，共识算法是制约性能的重要方面。
在区块链中使用的典型共识算法主要有：
PoW、PoS、DPoS、PBFT等，它们的性能对比如下：
表主流区块链平台的性能对比测试
注：
1144nodes/committee.
250knodes/committee.
3nodes/committee.
4nodes/committee.10committees.
5100nodes/committee.16committees.
672nodes/committee（12.5%adversary）.25committees.
74nodes/committee.15committees.
81minuteaverageinterval;1block=1MB.940nodes.
10Asreportedinablogpost.
11proof-of-retrievability.TrustedHardware.
制约性能的另一个重要因素是账本结构。
目前典型的区块链账本设计为区块的单链结构，意味着从全局来看所有的交易都只能顺序地被处理。
由于交易处理缺少并行度，因而难以获得接近于传统中心化系统的性能表现。
企业场景下的交易并发量通常要求在每秒处理数百至数千笔以上的交易，远高于目前包括公有链、联盟链在内的典型区块链的表现，而且还要求区块链的性能表现可以随着业务规模的增长而动态伸缩。
因此，现实和目标之间存在数量级的差别，需要持续优化和提升区块链系统高并发交易性能。
●数据存储能力
数据存储能力方面，由于区块链的数据只有追加而没有移除，数据只增不减，随着时间推移，区块链系统对数据存储大小的需要也只能持续地增大，在处理企业数据时这一趋势增长更甚。
不同于公链数字货币的主要内容是“账户余额”，企业场景下的数据包含结构化和非结构化数据，数据量十分庞大。
以电商供应链为例，主要电商入口的每日的数据记录条数通常都在千万级以上，如再沿着供应链条进一步展开时，每延伸一级数据量都会进一步放大。
目前典型的区块链系统在实现对账本数据的存储时，典型的实现是基于文件系统或者简单的KV数据库存储，没有采用分布式存储的设计，因而数据存储能力与实际需要之间也存在较大的差距，需要探索有效的大数据存储方式。
●通用性方面
区块链需要适应多样化的业务需求，满足跨企业的业务链条上的数据共享，这意味着区块链对数据的记录方式要有足够的通用和标准，才能表示各种结构化和非结构化的信息，并能够满足随着业务范围拓展所需的跨链要求。
目前市面上的区块链系统大多采用特定的共识算法，加密算法，账户模型，账本模型，存储类型，缺少可插拔能力，无法适应不同场景要求。
●功能完备性
纵观现有区块链平台，模型抽象单一，难以适应业务系统快速开发的要求。
另外，缺少对企业应用中常见的一些功能的支持，例如用户认证、多级授权等。
再者，涉及到企业业务协作时，跨企业的事件通知机制显得尤为重要，但少有区块链平台支持。
●易用性
区块链是由多种技术构成，导致学习成本高，实施难度大，人才稀缺。
如何让用户快速理解区块链，低成本学习区块链，并将区块链技术快速应到自身的业务中去，目前来看有很大的挑战。
区块链技术需要降低学习和使用门槛，支持快速实施部署，提供贴近业务的接口，推广使用。
从比特币的提出到今天为止，人们尝试了非常多样化的应用场景。
最初是币（coin）的应用，各种数字货币的出现和热炒引起了广泛关注和讨论。
人们发现，作为比特币底层技术的区块链可以用来解决现有业务的一些痛点，创新业务模式。
于是金融和产业领域开始形成一些组织联盟，如R3、Hyperledger等。
技术圈也逐渐将更多的关注从“币”转到了区块链的企业级应用。
人们在许多领域进行了广泛的尝试，例如供应链管理，互联网金融，证券和银行业务，贸易融资，保险，医疗健康，资产管理，数字版权保护，公益慈善，政府公共服务，监管合规性与审计，游戏，公益等等。
但是，目前已经成功落地的区块链应用比较少，无论是技术还是业务都还处在摸索阶段。
业界的积极实践进一步巩固和加深了人们对区块链潜在价值的认识，但却鲜有成功的落地案例，大多数停留在理念或POC阶段，这种状况的形成受许多因素影响：
●不适用的、不可持续的场景
有不少案例是为了区块链而区块链，而不是从解决业务痛点出发，导致案例缺少有效价值，例如对一些不需要公开的信息进行存证。
或者没有结合区块链的特点来设计业务创新，仍然以传统的思路来设计业务模式，例如仍然用中心化影响力来把业务简单地搬到链上，不能高效地拓展业务边界。
●错误的实施方法
没有充分认识区块链的技术特点，设计出合理的技术方案。
比较典型的例子如把区块链简单地当做数据库，把原来中心化系统数据直接搬到区块链上。
●技术不成熟
没有充分认识区块链技术目前的成熟度现状，过于乐观地选择技术方案。
目前区块链在性能、扩展性、易用性、功能完备性、运维成本等许多方面都还有待完善，更合理的应用方式应该是以应用层业务系统为主，区块链底层完善优化为辅，开展区块链技术应用。
●人才稀缺
区块链是个多学科综合技术解决方案，包括分布式、存储、密码学、网络通讯、芯片技术、经济学、法律等，技术专业能力要求高，技术学习、人才培养、实践经验积累周期长。
目前影响区块链应用落地的因素有很多，以上仅简单列举几点，以此说明区块链的发展
仍然任重道远。
2.区块链典型应用场景
区块链有着去中心化、点对点传输、透明、可追踪、不可篡改、数据安全等特点，可以用来解决现有业务的一些痛点，创新业务模式。
下面将重点分析和介绍区块链在供应链、金融、政务及公共服务等领域的典型应用场景。
这些场景的应用分析基于京东应用区块链技术的经验和京东自身对于区块链技术的应用规划，希望能够通过经验分享引起领域内同行及合作伙伴的共鸣和交流。
图京东区块链主要应用场景规划
2.1.供应链领域
供应链由众多参与主体构成，存在大量交互协作，信息被离散地保存在各自环节各自系统
中，缺乏透明度。
信息的不流畅导致各参与主体难以准确了解相关事项的实时状况及存在的问
题，影响供应链协同效率。
当各主体间出现纠纷时，举证和追责耗时费力。
未来企业市场范围越来越大，物流环节表现出多区域、长时间跨度的特征，需要智能高效的防伪追溯能力。
区块链技术通过提供完整流畅的信息流、不可篡改的签名认证机制，可以实现去中心化或多中心化的精准追溯和充分信任，天然地适用于供应链管理。
●商品防伪追溯
借助区块链技术
升级会员 