2008年，神秘的学者中本聪提出了比特币这一数字货币的设想，并于隔年实现了比特币系统。截止到2018年11月，比特币的市值已达到1115亿美元，类似的数字货币（如以太坊、瑞波币）已接近2100种。支撑数字货币快速发展的，正是区块链技术，而区块链的作用绝不仅限于此。

区块链在世界各国引起了多个行业的广泛

本文简单介绍了区块链，来帮助大家了解：区块链是什么？区块链有哪些特点和类型？区块链适用于哪些领域？感兴趣的读者可以深入阅读本文的参考文献，同时1. 区块链的定义

目前，区块链技术被很多大型机构称为是彻底改变业务乃至机构运作方式的重大突破性技术。同时，就像云计算、大数据、物联网等新一代信息技术一样，区块链技术并不是单一信息技术，而是依托于现有技术，加以独创性的组合及创新，从而实现以前未实现的功能。

狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账 （Decentralized shared ledger），能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据。

广义的区块链技术则是利用加密链式区块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、利用自动化脚本代码（智能合约）来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式。

2. 区块链的结构

图 1 一个区块链示例

图 1给出一个区块链示例，该链包含了一个创世区块（Genesis Block，即链中的首个区块）及后续的多个区块（如Blocki、Blocki+1、Blocki+2）。前一个区块称为后一个区块的父区块，反之则称为子区块。子区块与父区块通过父区块的Hash值建立链接。

图 2 一个比特币区块示意

图 2给出一个比特币区块示意，该区块包含了区块头（Block Header）与区块体（Block Body）两个部分。其中，区块头主要包含以下六个部分：

区块版本（Block version），用于说明区块需要遵循的验证规则；父区块哈希（Parent Block Hash），用于记录父区块的Hash值；默克尔树根（Merkle Tree Root），用于记录本区快内所有交易的Hash值；时间戳（Timestamp），用于记录当前区块的生成时间；nBits，用于记录当前比特币协议设定的计算复杂度；随机数（Nonce），用于记录符合区块打包条件的数值证明。

区块体由交易计数（Transaction Counter）和交易内容（如TX1、TX2、TX3）两部分组成。区块所能容纳的交易数目由区块容量和交易规模共同决定。

3. 区块链的架构

图 3 一个区块链架构示意

图 3给出一个区块链架构示意，一个区块链通常包含合约层、激励层、共识层、网络层、数据层等五个层次：

合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来，主要包括经济激励的发行机制和分配机制等。共识层主要封装网络节点和各类共识算法。网络层则包括分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等。数据层。封装了底层数据块区以及相关的数据加密和时间戳等技术。

在后续文章中，我们将分别详细介绍上述各个层次！

4. 区块链的特点

区块链主要具有去中心化、持久性、匿名性、可审核性等四个特点：

去中心化（Decentralization）。基于区块链可以真正实现点对点（P2P）的交易而无需中心机构的验证，由此降低交易的额外消耗，交易的时间也不会受到其它机构性能的影响。持久性（Persistency）。发生在区块链系统中每一笔交易都会被广播，被各个节点所感知。同时，已打包的区块会被各个节点所验证和记录。因此，对区块中交易进行篡改几乎是不可行的。匿名性（Anonymity）。在区块链系统中，用户通过按照一定规则自动生成的单个或多个地址与其它用户进行交易，其本身信息并未体现其中。这在一定程度上保证了用户的隐私性。可审核性（Auditability）。发生在区块链系统中的每一笔交易都被赋予一个时间戳，因此用户可以方便地查询系统中的所有交易，由此保证了交易的可审核性。5. 区块链的类型

图 4 区块链的分类与比较

区块链可以分为公有链、联盟链、私有链等三类，图4给出了它们在参与共识群体、数据可读权限、数据不可变性、交易效率、去中心化、共识过程等方面的差异。

在参与共识群体（Consensus Determination）方面，公有链上的所有节点均参与共识过程，联盟链上参与共识的节点由某个组织联盟共同指定，而在私有链中，参与共识过程的节点由某个组织负责指定。在数据可读权限（Read Permission）方面，公有链中所有的交易均是公开的、可见的，而在联盟链和私有链中，交易数据是否全部可读、部分可读或不可读由联盟或组织来决定。在数据不可变性（Immutability）方面，公有链中的交易数据被各个节点所拥有，因此交易数据几乎是不可被篡改的。而在联盟链和私有链中，交易数据保存在数个或单个组织中，因此难以保证数据的不可变性。在交易效率（Efficiency）方面，公有链低于联盟链和私有链，主要原因在于以下两个方面：（1）由于公有链中的节点更多，验证和记录每一笔交易势必要花费更多的时间；（2）由于交易数据的开放性，公有链需要更严格的安全检查。在去中心化（Centralized）方面，公有链是完全去中心化的，私有链是中心化的，联盟链是部分去中心化的。在共识过程（Consensus Process）方面，公有链允许任何一个节点参与共识过程，而要参与到联盟链、私有链共识过程中，则需要组织联盟或某个组织的许可。6. 区块链的应用

图 5 区块链应用全景概览

区块链已在数字货币领域证明了其价值和有效性，也在金融服务、供应链管理、文化娱乐、智能制造、教育就业等领域体现出极大的潜力。图5给出一个区块链应用的全景概览。

在金融服务方面：（1）支付领域. 区块链技术的应用有助于降低金融机构间的对账成本及争议解决的成本，从而显著提高支付业务的处理速度及效率，这一点在跨境支付领域的作用尤其明显；（2）资产数字化. 各类资产，如股权、债券、票据、收益凭证、仓单等均可被整合进区块链中，成为链上数字资产，使得资产所有者无需通过各种中介机构就能直接发起交易；（3）智能证券. 区块链能用代码充分地表达这些业务逻辑，如固定收益证券、回购协议、各种掉期交易以及银团贷款等，进而实现合约的自动执行，并且保证相关合约只在交易对手方间可见，而对无关第三方保密。（4）清算和结算. 通过基于区块链技术的法定数字货币或者是某种“结算工具”的创设，与前文所述的链上数字资产对接，即可完成点对点的实时清算与结算，从而显著降低价值转移的成本，缩短清算、结算时间。（5）客户识别. 区块链技术可实现数字化身份信息的安全、可靠管理，在保证客户隐私的前提下提升客户识别的效率并降低成本。在供应链管理方面：（1）物流. 在物流过程中，利用数字签名和公私钥加解密机制，可以充分保证信息安全以及寄、收件人的隐私。（2）溯源防伪. 区块链不可篡改、数据可完整追溯以及时间戳功能，可有效解决物品的溯源防伪问题。在文化娱乐方面：（1）改变音乐市场格局. 利用区块链技术，使音乐整个生产和传播过程中的收费和用途都是透明、真实的，能有效确保音乐人直接从其作品的销售中获益。（2）文化众筹. 基于区块链特性和虚拟市场规则，使得消费者能够参与IP创作、生产、传播和消费的全流程，而不需要依靠第三方众筹平台的信用背书。在智能制造方面：（1）组建和管理工业物联网. 区块链的去中心化特性能有效阻止网络中的任何单一节点的失败，而导致整个网络崩溃的情况发生。同时，区块链的防篡改特性能有效防止工业物联网中任何单节点设备被恶意攻击和控制后带来的信息泄露和恶意操控风险。（2）生产制造过程的智能化管理. 区块链账本记录的可追溯性和不可篡改性也有利于企业审计工作的开展，便于发现问题、追踪问题、解决问题、优化系统，极大提高生产制造过程的智能化管理水平。在教育就业方面：（1）教育存证. 基于区块链的学生信用平台可创建含有基本信息的数字文件，然后使用用户的私钥对证书的内容进行签名，再对证书本身附加签名。（2）产学合作. 区块链技术可以实现学生技能与社会用人需求无缝衔接，可精确评估人才录用、岗位安排的科学性和合理性，能有效促进学校和企业之间的合作。7. 小结

本文从定义、结构、架构、特点、类型以及应用等方面对区块链做了简单的介绍，希望对大家了解区块链有一定的帮助。在后续的文章中，我们将从各个层次（如数据层、网络层、共识层、激励层、合约层）对区块链做进一步的详细介绍，同时讨论面向区块链的测试与基于区块链的测试。希望大家能继续参考文献CoinMarketCap. https://coinmarketcap.com/. 2018中国区块链技术和应用发展白皮书. 2016袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望. 自动化学报, 2016, 42(4): 481-494Zheng Zibin, Xie Shaoan, Dai Hong-Ning, et al. Blockchain challenges and opportunities: A survey. International Journal of Web and Grid Services, 2018, unpublished区块链产业安全分析报告. 2018On public and private blockchains. https://blog.ethereum.org/2015/08/07/on-public-and-private-blockchains/. 2015致谢

此文由南京大学软件学院2018级硕士王兴亚翻译转述。