区块链如何运作？ 区块链在金融和非金融领域有哪些应用？

一、什么是区块链技术

区块链技术是一种分布式数据记录技术，记录一段时间内的所有交易或电子行为，即按时间顺序将数据块以顺序方式组合起来的链式数据结构，以不可篡改、不可伪造为代表的分布式由密码学保证的公共分类账技术。 在区块链上，每一笔交易都可以通过多数节点的共识机制，由系统的参与者进行审核。 一旦记录在区块链上，相关交易信息就无法修改或删除。 区块链上的区块记录了一定时间内批准的每一笔交易。

比特币是区块链技术最本质的应用，也因为它在没有政府干预的情况下构建了百万美元的匿名交易市场而成为最具争议的区块链应用。 但是，区块链技术本身可以应用于金融和非金融领域这一事实是没有争议的。

现阶段电子金融领域以可靠可信的第三方授权为基础。 用户网络交易必须依赖第三方机构确认交易双方的身份和交易资格。 在依赖第三方机构维护个人电子资产安全和隐私的背景下，人们所处的电子世界并不是绝对安全的。 因为第三方在这方面发挥着强大的核心作用。 一旦中央机构被入侵，第三方机构维护的普通角色面临的电子安全风险将得不到保障。

在此背景下，区块链的诞生通过分布式共识的应用，对依赖第三方信任的电子世界规则进行了极大的改进。 分布式共识和匿名性是其最重要的两个关键特性。 通过对这些特性的综合应用，在复杂的网络环境中，区块链提出了一种无需第三方信任机构参与的网络交易记录和电子资产记录的分布式账本方式，具有以下鲜明特点。

(1) 去中心化

去中心化是区块链技术最本质的特征。 区块链技术的出现，意味着无需中央处理节点，即可实现全网所有数据的分布式记录和存储，并保证数据记录的真实性。 区块链技术通过P2P（点对点）协议形成网络。 不同于中心化网络模型，P2P网络中各节点的计算机地位是平等的，各节点拥有相同的网络算力，不存在中心化服务器。

在这种去中心化的网络环境中，全网所有节点之间没有本质区别，所有节点享有相同的权利和义务。 区块链网络中的网络节点必须遵守相同的密码学规则，共同维护整个网络系统中的数据记录。 记录和存储数据的过程必须得到区块链网络中其他节点的认可才能执行。 由于网络上的所有节点都没有第三方中介或信托机构背书，在去中心化的区块链网络中，对单个节点的攻击无法控制或对整个区块链网络产生影响。 P2P去中心化网络模型与中心化网络模型的对比如图1所示。

(2) 数据透明和操作透明

区块链技术是一种分布式账本技术，系统中的所有数据记录和操作对网络上的所有节点都是透明的。 在典型的区块链网络中，每个节点都可以存储整个网络中发生的历史交易记录的完整且一致的分类账。 区块链通过非对称加密算法、哈希加密等密码学技术的结合应用，保证了区块链信息在全网的高度透明。 而且区块链网络的流程、规则、节点接入方式都是公开的，这是区块链网络信任的基础。 这些机制的使用确保了记录在区块链中的数据可以被全网所有节点查看和追溯。

(3) 信息不可篡改

区块链区块中的信息不可篡改。 数据信息一旦被验证写入区块并加入区块链，就无法被篡改。 区块链的数据信息必须经过全网大部分节点的审核后才允许记录。 除非能够控制系统中超过 51% 的节点，否则篡改单个节点的区块记录是没有意义的。 即篡改和攻击单个节点的账本数据，不会影响全网总账本的安全。 这些信息的不变性确保了区块链数据的稳定性和可靠性。

(4) 匿名

区块链技术解决了复杂网络环境下网络上节点间的信任问题，使得区块链网络中的交易节点可以在不知道对方身份的情况下进行交易。 区块链网络中的交易基于加密地址，无需验证双方身份。 交易双方只需要公布自己的地址就可以相互通信。 这种匿名性的技术基础是非对称加密算法。

区块链网络的节点使用非对称加密技术在匿名环境中建立节点之间的信任。 所有节点都维护自己的公私密钥对，以加密和解密区块链网络节点之间的通信信息。 节点公开发布它们的公钥并保留它们的私钥。 传输信息的发送方使用信息接收方公布的公钥对要传输的信息进行加密。 信息接收方收到传输的加密信息后，使用自己的私钥对加密信息进行解密。 这样，节点之间无需身份认证即可完成匿名环境下的信任交易。 常用的非对称加密算法有RSA和ECC，非对称加密算法流程如图2所示。

2. 区块链的工作原理

区块链技术不是单一的技术学科，而是多种技术融合的结果。 密码学、数学、计算机网络等技术的有机融合，完善了区块链去中心化的数据记录方式。 区块链技术主要解决的是如何在没有第三方信任机构参与的情况下实现可靠​​的信任记录。 其完整的架构如图 3 所示。

互联网金融与第三方可信机构密切相关。 这些第三方金融机构在电子交易过程中起到中介作用，负责协调双方的信息。 在整个交易过程中，第三方机构承担着交易的审计、安全防护和维护的责任。 网络交易中的欺诈行为凸显了第三方金融机构的中介地位，也导致交易成本较高。 比特币是区块链技术最本质的应用，但区块链技术的应用并不局限于电子货币，它可以应用于电子资产在线交换的各个领域。 本文以比特币为例，讲解区块链技术来源的相关原理和概念。

比特币基于密码技术的基础上，充当了具有交易倾向的双方之间的第三方中介。 在具体的交易过程中，每笔交易都受到电子签名的保护和确认。 在比特币网络中，交易的发起方用自己的私钥对交易进行签名，并将其发送到接收方的账户地址（即公钥）。 在花费比特币时，比特币持有者需要证明他们拥有签署交易的私钥。 审计比特币交易时，使用发送方的公钥对交易签名进行验证BTC区块结构，以确定交易方是否可以使用相应的比特币。

每笔交易都会广播到比特币网络中的每个节点，并在节点通过审核后记录在生成的区块链块中。 比特币网络中的所有在线节点共同维护生成的区块链交易记录。 通过保存所有节点的账本记录，防止伪造、篡改、删除交易记录等欺诈行为。 交易的审核节点在记录前需要确保以下两点。

· 比特币的消费者实际拥有相应的电子货币：交易中的电子签名验证。

· 比特币消费者的账户中有足够的电子货币：通过查看区块链账本上的消费者账户（公钥地址）的交易记录。

但是，在比特币P2P网络中，需要广播的交易并不是按照产生的先后顺序广播的，而是通过比特币网络中的节点，将每笔交易一笔一笔地广播出去。 因此，比特币网络中需要某种机制来处理这些没有严格按顺序广播的交易，以防止双花的发生。

区块链技术的应用是比特币解决“双花”问题的关键。 在比特币系统中，一段时间内的交易被收集、审查并最终记录在区块中。 通过将每个块连接到区块链中，可以跟踪每个事务。 记录在同一个区块上的交易记录可以看作是发生在同一时间段内的交易。 通过将前一个区块的哈希值写入自己的区块头域，这些区块按照区块生成时间的先后顺序，按照时间顺序连接成一条区块链。

这种通过时间顺序连接记录交易的方式带来了另一个问题，即比特币网络中的每个节点都可以收集未确认的交易，生成区块，并将新生成的区块广播给全网其他节点。 那么比特币网络是如何决定哪个生成的区块应该链接到前一个区块链的末尾呢？

比特币系统通过引入一个计算数学问题来争夺区块链的生成权，即工作量机制（POW）。 每个生成区块的节点都需要证明自己付出了一定的计算资源来竞争解决相应的数学问题。 具体来说，每个节点都需要找到一个随机数（nonce）。 当随机数、交易记录和前一个区块的哈希值一起哈希时，该值的开头包含一定数量的0，且小于目标值，即hash(前一个区块的哈希值+ Merkle 树根 + 随机数）

但是这个数学问题不是静态的。 比特币系统通过调整其难度来平衡区块的生成时间，使得系统平均每 10 分钟生成一个新的并被接受的区块。 网络上的节点通过贡献自己的计算资源来解决数学难题来竞争生成块。 第一个成功计算出数学难题解的节点将有权将该节点生成的区块连接到区块链的末端，被其他节点接受，并获得一定数量的比特币作为贡献奖励计算资源。

比特币通过竞争计算哈希值，根据POW保证平均每10分钟产生新的区块，通过新区块的产生发行新的比特币。 最终生成的区块链的区块格式如图4所示。

具体的区块链工作流程如下。

· 收集网络节点一段时间内的所有交易信息。

· 接收节点检查收到的交易信息，检查交易是否合法。 通过验证的交易记录将记录在新区块的主体中​​。

网络上的节点通过计算区块体中的交易信息，结合区块链当前结束区块的哈希值，计算出满足条件的新区块的哈希值。

· 最先计算出满足条件的哈希值的节点将新生成的区块信息广播给全网其他节点。

· 节点对新生成的区块进行验证，所有节点审核无误后接受该区块。 接受的方式是将新生成的区块确定为区块链的当前结束区块。

通过以上步骤，区块链网络中的所有节点都参与、维护和审核区块链区块的生成过程，区块链网络中的所有节点都维护着相同的区块链账本记录，保证了区块的真实性、可靠性和不可篡改性。区块链上的区块记录。

在区块链中，区块中的信息由区块头和区块体中的信息组成。 其中，区块体会记录具体的交易信息，包括交易双方的公钥地址、交易数量、签名验证等信息。 区块头的大小是一个固定的字节。 以比特币为例（见表1），比特币区块头的大小始终为80字节。

区块链中的一个区块可以通过该区块的哈希值来唯一标识。 每个区块通过引用前一个区块的哈希值字段来指向前一个区块。 通过时间戳+哈希引用的方式，将区块链构建成一条可以按照交易时间顺序跟踪交易记录的链，保证区块链中记录的交易顺序在时间上是按顺序发生的。 引入当前区块哈希值随机数+默克尔树根+前一个区块哈希值的计算方式，保证了交易信息的真实性和可靠性。

3、区块链在金融和非金融领域的应用

区块链是一个完全开源的系统，原理和代码都是公开的，运行过程中受到系统内所有节点的监督。 围绕区块链的开源系统可以创造出非常丰富的服务和产品。 区块链将允许人类以去中心化和无需信任的方式进行大规模协作。 其适用领域将不仅仅局限于金融支付领域，还可以扩展到很多延伸的行业，比如去中心化的物联网、租房、打车等应用。 然而，区块链技术仍处于起步阶段。 虽然很多公司已经开始开发基于区块链的应用，但是还缺乏成熟的产品。 接下来，本文将介绍区块链在电子货币之外的金融和非金融领域的应用。

3.1 在金融领域的应用

(1) 私募证券

银行和财团等组织必须在处理交易安全的同时吸引投资者的资金。 股票交易为二级市场列出公司股票，要求交易和结算活动在安全的环境中按时间顺序进行。 理论上，一些公司可以通过区块链技术直接分配股份。 这些记录在区块链上的股票可以在二级市场上买卖。

纳斯达克计划利用区块链技术推出自己的私募股权业务。 纳斯达克在2014年开始了私募股权交易业务。这项业务与上市或私营公司的财务报表和投资关系等方面有着深厚的关系。 由于第三方机构的参与，目前的股权交易程序效率低下且速度缓慢。 纳斯达克加入了基于智能合约的区块链项目，以实施其私募股权业务。 因此，业务变得更快、更高效且可追溯。 项目范围可从股票、股息、证券等相关衍生品，扩展到银行账户安全、抵押贷款等领域。

(2) 资产数字记录

凡是可以通过一个或多个标识符唯一标识的资产，都可以记录在区块链上，如股权、债券、票据、收益凭证等，都可以成为链上数字资产。 这种方式可以验证资产的权属，也可以追踪交易记录，资产转移时可以不通过第三方中介发起交易。 无论是实物资产还是电子资产，所有权和交易记录都可以通过区块链公共账本记录进行公开审计。

Everledger 使用区块链技术永久记录钻石证书机器的交易历史。 可以识别钻石的信息，如重量、尺寸、颜色等，被散列并注册在区块链的一个块中。 因此，保险公司、执法机构和所有者等多个组织都可以对钻石进行审核。

3.2 非金融领域的应用

(1) 真实性验证

可以通过区块链验证文件的真实性，这一过程减少了对中央机构的依赖。 文件真实性鉴定服务可以为权利的归属、权利的存在、权利的真实性提供证明。 此类认证服务可以为第三方机构验证假冒信息提供支持。 使用区块链技术提供公正的服务，保护文件和跟踪识别机构的隐私。 对文件使用加密哈希方法，将文件记录在区块链区块中并加载相应的时间戳，这种文件公示方式可以降低高昂的公证费用，同时提高文件传输和交换的效率。

Stampery 使用区块链来识别文件，包括邮件。 该公司提供简化邮件审核流程的服务。 它的客户可以使用该公司的技术以很小的成本审查文件。

(2) 去中心化存储

现有的云存储解决方案往往面临安全、隐私和数据控制方面的挑战。 用户只有相信云存储公司的服务计划，才会将自己的机密文件存储在云端。

Storj提供基于区块链的点对点分布式云存储平台，为用户提供不依赖第三方机构的数据传输和共享服务。 通过这项服务，用户可以与其他有文件存储需求的客户共享空闲的互联网带宽和用户计算设备上的空闲硬盘空间。 集中控制的减少相应削弱了传统数据的缺点，同时显着提高了数据安全、隐私和数据控制能力。 Storj 平台依靠算法为网络中的参与用户提供适当的奖励。 这样，Storj 平台可以定期以密码的形式检查文件的真实性和可用性，从而奖励提供文件存储服务的用户。

(3) 去中心化物联网

物联网技术正逐渐成为企业和用户追捧的技术。 在许多集中式物联网模型中，物联网设备之间的交互是通过代理或中央控制进行的。 但是这种方式不适合一些需要匿名通信的应用场景。 这一特定要求导致了去中心化物联网平台的创建。

区块链技术恰恰使得构建这样一个去中心化的物联网平台成为可能。 由于点对点传输和高安全性的特点，区块链技术可以成为物联网的底层基础设施。 在这个平台架构中，区块链扮演着公共账本的角色，以可靠和可信赖的方式记录智能设备之间的所有信息交换。

IBM 和三星一直在致力于构建和开发 ADEPT（分散式 P2P 自动遥测）系统，该系统将使用区块链技术构成物流网络设备分散网络的主干。 ADEPT技术的成熟代表了独立和去中心化的点对点遥测技术的发展，区块链将作为这个系统中的公共账本设备，将不再需要一个中央集线器来调解大量的信息通信它们之间。 在没有中央控制系统相互识别的情况下，这些设备将能够自主地相互通信、管理软件更新、纠正错误或启用能源管理。

四、区块链技术应用面临的挑战

区块链技术是一个很有前途的进步，如上所述，它可以应用于各种应用程序开发和问题解决。 从金融领域（从价值转移到投资等业务）到文件验证、物联网等非金融应用，区块链都可以充分发挥其去中心化、信息真实可靠的特点。 然而，这些重要的区块链技术的创新使用也面临着一定的风险。

(1) 行为改变

创新永远存在，但对创新的接受度需要时间沉淀。 在没有可信的第三方机构的环境下，区块链才能发挥最大的作用，区块链用户也会适应区块链技术提供的安全完整的交易环境。 现阶段的第三方机构，如Visa、银联等机构，也需要接受这种根本性的地位变化，积极应对区块链技术的应用。 但在区块链技术大规模应用并改变用户行为之前，这些第三方机构仍将长期存在BTC区块结构，并为用户提供相应的服务。

(2) 区块链交易量

区块链系统的所有网络节点都持有区块链的所有区块记录。 随着区块链的发展，节点存储的区块链数据量会越来越大，存储和计算的负担也会越来越重。 这对区块链应用的新用户有一定的门槛。 首次加入系统的用户必须花费时间和存储空间同步所有区块链区块记录，才能参与区块链网络中特定交易的审计和追踪。 以比特币区块链为例，其全量数据目前超过70GB。 新用户加入比特币网络后，使用Bitcoin Core客户端同步数据需要3天以上。

（三）犯罪行为

基于区块链技术的交易具有高度匿名性的特点，区块链技术天然具备支持价值转移行为的能力。 因此，区块链技术的应用弱化了国家和监管的概念，弱化了当前的执法。 部门的监管执法力度加大了法务部门查处洗钱等金融犯罪活动的难度。 区块链技术广泛应用后，各国央行在控制经济能力方面需要更加谨慎，尤其是在货币政策的制定上。

(4) 性能瓶颈和使用门槛高

区块链通过增加计算能力来解决分布式系统中的信任问题，因此在性能上并不突出。 作为区块链技术的典型应用，比特币每秒只能处理7笔交易，全网同步时间会达到60分钟（比特币每10分钟出一个块，经过6次确认后的块才能被接受），这在实际生产环境中效率太低，离应用级效率太远。

5.结论

总的来说，区块链分布式账本的功能特性同时保证了其安全性，因此区块链技术在金融和非金融领域都有着广泛的应用。 一些金融机构希望通过区块链技术的应用，发现新的商业模式，获得新的盈利模式。

区块链虽然解决了信任问题，但带来了成本的增加和效率的降低。 区块链技术与现有系统的整合成本太高。 对于一些时效性要求高，数据量比较大的行业，现阶段还没有很好的支持方式。 政策和资本是产业发展的基础和催化剂，两者共同推动区块链技术的快速发展和应用。 区块链产业链完善，助力行业可持续发展。 围绕区块链技术的生态圈丰富而完整。 它不仅涉及货币、金融等封闭、保守的市场，还涉及去中心化、去中介信任等新兴领域。 完整的产业链足以支撑区块链技术的快速发展。 ，可持续发展。

未来产业融合点众多，市场投资机会巨大。 可以预见，区块链技术的应用场景非常广泛，所有数字化、数字化的场景都会有区块链技术。 可以说，区块链技术的应用范围非常广泛，包括货币、金融、智能资产、公证、物联网、医疗、通讯、数据存储、供应链等诸多领域。 然而，区块链技术的底层技术并不成熟，仍处于早期阶段。 未来2-3年，区块链技术将落地金融领域，重点关注金融科技企业在区块链领域的应用和布局。 此外，您还可以关注使用区块链技术服务的上市公司。 主要关注公司业务是否适合采用区块链技术。 采用区块链技术后，公司的产品和服务能否产生新的商业模式或远低于竞争对手的成本优势。