【华信研究院】元宇宙经济系统的基础——区块链技术综述
2008年，一位叫中本聪的匿名人士在其发表的《比特币：一种点对点的电子现金系统》中提出了区块链的概念。区块链是一种按时间顺序将不断产生的信息区块以顺序相连方式组合而成的一种可追溯的链式数据结构，是一种以密码学方式保证数据不可篡改、不可伪造的分布式账本。区块链是非对称加密算法、共识机制、分布式存储、点对点传输等相关技术通过新方式组合形成的创新应用。区块链技术结合了密码学、经济学、社会学，通过对每个区块中的信息进行加密，保证区块中储存的信息数据不可伪造和篡改，并且无需任何第三方机构的审核，以一种去中心化和去信任的方式实现多方共同维护。去中心化：去中心化是区块链最突出本质的特征，由于是通过分布式核算和存储的方式进行管理，因此区块链不再依赖于第三方管理机构或硬件设施，没有中心化的管制，所有节点都具有均等的权利和义务，能够实现信息的自我验证、传递和管理。开放性：区块链数据对所有人公开，任何人都可以通过公开的接口来查询区块链数据记录、写入数据、开发相关应用等。也正是因为这个特点，各个节点才能实现多方的共同维护，即便是某个节点出现了问题，也不影响整个网络。而且每一笔交易记录都是可追溯的。信息不可篡改：当交易信息一旦通过验证并且记录到区块链中，就会被永久保存，无法被篡改。除非能同时控制区块链系统中超过51%的节点，才可以操控修改网络数据。但是理论上，篡改数据的成本远远高于收益，因此区块链中的数据具有很高的安全性，相反，这个特性降低了信用的成本，改变了中心化的信用模式。匿名性：区块链上的节点和交易者都有一个用数字和字母组成的唯一的地址，用以标识自己的身份。由于节点之间的交换遵循固定的算法，数据的交换是无需信任的，因此并不需要以公开身份的方式来获取信任。基于区块链技术的DeFi因其去中心化程度高、交易便捷度高、交易匿名等特点正成为金融业发展的新方向。DeFi（Decentralized Finance），即去中心化金融，泛指运用区块链技术的各类金融服务。过去两年来，DeFi业态经历了高速发展，其应用场景包括融资征信、支付清算、财务管理、数字资产交易等。去中心化金融在融资、贸易、资管、支付清算、数字资产交易等领域拥有较强的发展前景，去中心化金融等区块链技术可通过共享信用信息、交易信息、产品信息减少信息不透明带来的各类商业风险，同时也可简化信息不对称造成的各项繁琐流程，优化商业活动效率。此外财务信息上链可避免财务记账过程中出现的错漏与舞弊行为，并减少对账环节所产生的高额成本、随着2021年元宇宙概念第一股Roblox在美国上市，元宇宙概念成为众多科技巨头（如Facebook、微软、谷歌）与投资机构关注的焦点。元宇宙市场将开启“DeFiZO”的新时代，元宇宙中的虚拟数字经济系统将更加依赖DeFi，而DeFi将为元宇宙用户提供高效、公平、透明化的金融服务。元宇宙世界中，用户通过各类行为进行“数字创造”，产出具有价值的数字资产，这类资产包括元宇宙游戏中的装备与道具、土地与房产等。与区块链技术结合的数字资产可避免被随意复制（如传统网络游戏中装备与道具可通过外挂或漏洞进行无限复制），数字资产以DeFi为媒介可进行用户间自由交易。去中心化金融未来将是元宇宙数学经济体系的核心。去中心化金融业态在元宇宙中包括数字货币、去中心化交易所、征信借贷合约、区块链钱包、数字资产交易市场等，不同元宇宙（如不同的元宇宙游戏）的用户也可通过去中心化金融进行跨区域交易，去中心化金融未来将链接整个元宇宙市场的经济体系。现阶段DeFi在元宇宙中的产业链仍在进一步完善成熟中，未来元宇宙游戏将是DeFi在元宇宙中应用的重要驱动因素。以太坊等公有链平台是去中心化金融的底层架构，而服务器供应商则为元宇宙中的DeFi技术提供服务器与云服务支持。目前Uniswap与OpenSea都是全球著名的去中心化交易所，而OpenSea依靠其强项NFT交易截至2022年2月已完成超过50亿美金的累计交易额。GameFi（游戏+DeFi）概念的兴起将积极推动DeFi在元宇宙中的应用，Roblox、Sandbox、Decentraland是现阶段较为知名的三款元宇宙游戏。元宇宙用户通过“数字创造”生产的数字资产是元宇宙经济体系的重要一环，元宇宙游戏用户未来将是DeFi在元宇宙中应用的重要推力。作为区块链技术最核心的算法，共识机制具有去中心化、安全性高、扩展性高、交易快速验证等优点，未来共识机制的升级将推动区块链技术的革新。共识机制（Consensus Mechanism）通过投累机制让多个参与者同意一个结果，其作为区块链技术的核心算法，共识机制决定区块由谁来构建与如何维护区块链的统一性。在区块链去中心化的环境中，需依托公示机制来判断交易的真实性，并将交易录入区块链中。公示机制具备一致性与有效性的特征，诚实节点储存的区块链前缀需完全相同，某一诚实节点发布的信息会被其他所有诚实节点记录。共识机制在区块链中的常见类別包括PoW（工作量证明）、PoS（权益证明）、DPoS（股份授权证明）、PBFT（实用拜占庭容错算法等。共识机制在区块链中的应用具有去中心化、安全性高、扩展性高、交易快速验证等优点。新兴的共识机制也在朝着低能耗、高效率等优点发展。自2009年比特币诞生以来，区块链生态圈已进化出多种共识机制。从比特币使用的PoW幵始，区块链的共识机制逐步进化。最初的工作量证明算法着重于挖矿环节，其通过“按劳取酬”的特点鼓励矿工们生产新的加密货币。工作量证明的缺点也较为明显，其耗费大量的算力与能源，并受制于“51%算力攻击”的威胁。现阶段使用PoW的以太坊计划未来使用更节能环保的PoS，PoS具有低能耗与硬件要求较低的优点。由PoS衍生出的DPoS拥有更强的数据处理能力，同时可大量缩减验证与交易时间，DPoS共识机制目前已应用于EOS平台。此外具备较高容错率的PBFT共识机制可缩减达成共识的时间，未来也将在区块链技术中获得更多的运用。以共识机制为核心算法的区块链技术包含DeFi、NFT、智能合约、DAO、分布式储存等。元宇宙技术为元宇宙提供数字经济体系、去中心化治理体系、数据与系统安全等方面的支撑。区块链技术在元宇宙市场中有巨大的应用空间，基于共识机制的区块链技术将助力元宇宙从概念蜕变为未来人们曰常生活中不可或缺的一份子。现阶段元宇宙市场中元宇宙游戏业态发展迅猛，元宇宙游戏中的数字经济体系依赖区块链技术，GameFi、去中心化交易所、区块链钱包等将驱动元宇宙游戏的发展。元宇宙办公业态将依托区块链技术达成分布式储存、数据加密、数据库上链等目标，而这类区块链技术的运用均需要共识机制作底层支撑。此外预测元宇宙教育与元宇宙社交未来将逐步运用区块链技术，区块链技术的运用将推进元宇宙细分业态的普及。元宇宙的发展，未来该行业将超越当前火热的元宇宙游戏的范畴，衍生出元宇宙娱乐、元宇宙社交、元宇宙医疗等细分业态。公有链与许可链平台将为元宇宙产业链提供底层平台，而微软的Azure云服务、阿里云、腾讯云等将提供云服务平台。作为区块链的底层算法，共识机制未来也将进一步升级，从而助力元宇宙技术构建完著的元宇宙产业链。哈希算法是区块链的核心技术之一，被广泛应用在构建区块和确认交易的完整性上，从而保障数据安全。时间戳则充当公证人，为区块链上的每一个区块打上时间印记，确保它们能按照时间顺序相连。哈希函数（Hash Function），也称散列函数，是一种在有限合理的时间内，将任意长度消息压缩为固定长度的消息摘要的函数。哈希算法能够将任意长度的消息m转化为固定长度的二进制串，其输出值被称为哈希值，记作H（m），可用于验证数据完整性和防篡改检验。作为区块链的核心技术之一，哈希算法被广泛应用在构建区块和确认交易的完整性上。时间戳是一份能够表示某项数据在一个特定时间前就已经存在的，且完整的可验证的字符序列。其证明力基于哈希函数的数学原理，由于哈希函数具备匿名性与不可篡改性，若原始数据发生改变，则哈希值也会发生改变，后续带有时间戳的数据也无法与原始数据相匹配，从而实现对数据的认证。时间戳可以作为公证人的角色，为区块链上的每一个区块打上一个时间印记，确保它们依时间顺序相连，且无法被篡改。比特币区块链采用SHA-256哈希算法为交易数据提供安全保障。比特币区块链所采用的哈希算法为双SHA-256哈希函数，能够将长度在0至264的原始数据经过两次运算后转换成长度为256位（32字节）的消息摘要来统一存储与识别。区块头包括前一区块、默克尔根和随机值等字段，对区块头进行两次哈希运算得到的值即是该比特币区块的Hash值。区块体部分主要由默克尔哈希树组成，是一个基于哈希值的多叉树。比特币系统会对每一笔交易都做一次hash运算，再将2个交易的hash值组合，再进行hash运算得出新的哈希值，最终的根部哈希值即默克尔根，这样的设计可以对区块数据的存在性和完整性进行快速归纳与校验。区块头仅包含默克尔根，而不是所有交易的哈希值，可以极大提高区块链的运行效率与可扩展性，从而使得哈希运算可以运行在智能移动设备上。图1 SHA-256哈希算法在比特币区块链中的工作原理目前，区块链开始步入以“信任链”“协作链”为导向的新发展阶段。一方面，随着数据这一生产要素的重要性凸显，区块链技术支持低成本构建数据全流程信任通道，通过搭建“信任链”助力产业数字化转型。另一方面，区块链自身也正在技术、应用和产业维度等方面全面升级，通过构建可信协作网络的方式深度服务于各个交叉领域和主体。就区块链技术演进趋势来看，目前区块链技术架构已趋于稳定，围绕产业区块链场景实际需求，相关技术朝着“高效、安全、便捷”持续演化。2021年以来区块链整体技术未有明显突破，但核心技术的渐进式创新仍在持续，其中对等网络、共识机制、智能合约的优化改进最为突出。核心技术优化具体表现在以下几个方面。一是对等网络深度优化，蚂蚁链推出BTN（Blockchain Transmission Network），提升区块链节点的通信能力，加速区块链网络数据传输；长安链发布自研P2P网络Liquid代替开源组件ibp2p，提升区块链系统兼容性和通信效率。二是异步共识算法取得进展，中科院软件所张振峰团队与美国新泽西理工学院共同提出的国际上首个完全实用的异步共识算法小飞象拜占庭容错算法（DUMBOBET），有望应用于实际生产环境。三是智能合约开发框架持续探索，FISCO-BCOS发布基于Rust的新型Wasm合约语言框架Liquid，探索智能合约新模式。国内区块链技术呈点状突破态势，对于细分技术领域边界的探索力度不断加大，整体技术水平持续提升。扩展技术上看，区块链技术与其他相关技术如物联网、隐私计算和云计算的结合实现了技术之间的相互补充，也扩展了区块链服务能力的相关技术。这三大技术目前同样也是火热的赛道。区块链与物联网的结合能够实现打通数字世界和物理世界的可信连接通道。物联网设备可有效提升上链数据真实性，而区块链也能为数据要素流转和价值挖掘提供可信保障，二者结合能够促进数据要素发挥作用，促进区块链在物联网的应用拓展。区块链加隐私计算是新兴的火热赛道，二者技术的结合能够取长补短，为实现数据价值共享提供了新的技术路径和解决思路。将隐私保护技术内嵌入区块链底层设施，在实现数据“可用不可见”的基础上，促进多方数据的协作和共享。区块链与云计算的结合BaaS（Blockchain as a Service，区块链即服务）以云计算为基础，通过融合区块链底层、集成开发工具、智能合约管理、自动化运维、数字身份、跨链服务等功能，实现区块链底层和应用一站式开发与部署。蚂蚁、腾讯、华为、趣链等主流BaaS平合现已具有多引擎支持、多模式部署、多节点统管理等能力。随着区块链应用广度与深度的不断拓展，不同区块链平台之间跨链难、上层应用系统与底层链切换难、链上链下可信交互难的三难问题逐渐凸显，其中，链间互操作尤其重要，最为紧迫，也是行业公认的焦点难点。跨链互通主要技术手段包括公证人机制、侧链/中继链、哈希时间锁定、分布式私钥控制四类，以上跨链项目从技术层面验证了链间互操作的可行性，但受制于技术、应用、流程机制等因素，整体上仍处于早期阶段。发布人：乔俊杰审核人：李芳芳华信研究院网址：https://huaxin.phei.com.cn/元宇宙产业研究中心由电子工业出版社华信研究院发起设立，研究团队以人工智能、通信与信息系统、产业经济、集成电路等专业的博士研究生为主。联合中国社科院、中国科学院等机构建立核心专家团队，以国家创新驱动发展战略为引领，提供产业研究、专家咨询、技术研判，致力于聚集行业优势资源，发挥“政产学研企”合力，积极探索元宇宙领域发展路径，为制造强国和网络强国建设提供助力。一是开展重大热点问题研究。聚焦元宇宙前沿进展、元宇宙产业生态、元宇宙赋能千行百业、元宇宙治理等方向，以及创新成果应用及产业孵化等方面开展专题研究；开展元宇宙未来发展预研究，为我国元宇宙产业高质量发展提供智力支持。二是跟踪元宇宙领域动态。通过定期出版《元宇宙产业研究专刊》，跟踪元宇宙领域相关政策及产业动态，聚焦元宇宙赋能产业、元宇宙支撑“两个强国”建设，从行业数据、前沿技术、产业发展、企业培育、政策制定等角度进行分析研判，为元宇宙及其相关产业健康发展提供指引。三是搭建产业交流平台。依托元宇宙产业相关领域院士、行业和企业代表、科研院所等专家资源，形成元宇宙领域核心专家库，通过定期组织专家交流研讨，探讨元宇宙产业发展趋势和行业热点，为产业发展提供高端交流平台。华信研究院（元宇宙产业研究中心）是工信智库联盟核心成员单位，围绕数字经济、电子信息、信息化、高端装备等领域先后承担多项国家重点课题以及行业协会、大型企业、投资机构等研究咨询项目和产业发展规划，建立了一支长期从事行业研究咨询的研究团队，硕士及以上学历占80%以上，拥有《产业经济评论》《中国信息化》《工信财经科技》等期刊，其中《产业经济评论》是南大CSSCI核心期刊和中国社科人文核心期刊，形成了产业研究咨询，数据库建设，期刊和专著出版融合发展的运营模式。