區塊鏈技術

學習區塊鏈技術的概念、優點、缺點、共識機制、存盤模型、技術發展方向，并分析其在農

業領域的應用，

一、概念

區塊鏈技術是一種綜合應用了分布式資料存盤、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的技術組合，

狹義：區塊鏈是一種按照時間順序將資料區塊以順序相連的方式組合而成的一種鏈式資料結構，并通過密碼學手段實作的不可篡改、不可偽造的分布式賬本，

廣義：區塊鏈技術是利用塊鏈式資料結構來驗證與存盤資料、利用分布式節點共識演算法來生成和更新資料、利用密碼學的方式保證資料傳輸和資料訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作資料的一種全新的分布式基礎架構與計算方式，

區塊鏈本身并不是一種新技術，而是一攬子技術得新型組合模型，實作了資料的分布式存盤和交易的去中心化，

二、區塊鏈特點

1．去中心化

在區塊鏈系統中，不存在中心化的管理機構，區塊鏈資料的存盤、傳輸、驗證等程序均基于分布式的系統結構，整個網路中不存在中心節點，公有鏈網路中所有參與的節點都具有同等權利與義務，任一節點的損壞都不會影響整個系統的運作，

2. 開放性

除了交易各方的私有資訊被加密外，區塊鏈的資料對所有人公開，提供靈活的腳本代碼系統，整個系統資訊高度透明，并且在系統指定的規則范圍內，節點之間無法相互欺騙，

3. 自治性

共識技術，智能合約，

4. 不可篡改性

每個新產生的區塊嚴格按照時間順序推進，時間具有不可逆性，任何試圖篡改區塊鏈資料的行為都很容易被追溯，

5. 匿名性

采用與用戶公鑰關聯的地址作為用戶標識，不需要傳統的第三方認證中心頒發數字證書，交易不和用戶真實身份關聯，只是和用戶的地址關聯，

三、區塊鏈的優點

1. 區塊鏈的核心本質是去中心化、資料不可篡改

在區塊鏈系統中，任意節點之間的權利和義務都是均等的，所有的節點都有能力去用計算能力投票，從而保證了得到承認的結果是過半數節點公認的結果，即使遭受嚴重的黑客攻擊，只要黑客控制的節點數不超過全球節點總數的一半，系統就依然能正常運行，資料也不會被篡改，

2. 區塊鏈最大的顛覆性在于信用的建立

正如數字經濟之父Don Tapscott所說 "區塊鏈是一臺創造信任的機器"，區塊鏈讓人們在互不信任并沒有中立中央機構的情況下，能夠做到互相協作，假幣和金融詐騙在未來都不會再發生，

3. 區塊鏈的集體維護可以降低成本

在中心化網路體系下，系統的維護和經營依賴于資料中心等平臺的運維和經營，成本不可省略，區塊鏈的節點是任何人都可以參與的，每一個節點在參與記錄的同時也來驗證其他節點記錄結果的正確性，維護效率提高，成本降低，

4. 資訊安全

不論是在公有鏈上的匿名性還是聯盟鏈上的權限設定，我們的個人資訊、交易資訊、瀏覽習慣等這些資訊通通都會處在一個安全的范圍內，且如果有人訪問或是拷貝了我們的資訊，都會記錄在區塊鏈上且不可篡改，這很大程度上的保證了我們的資訊不會被別人所竊取，

四、區塊鏈的缺點

1. 效率問題

區塊鏈的交易是存在延遲性的，拿位元幣舉例，當前產生的交易的有效性受網路傳輸影響，因為要被網路上大多數節點得知這筆交易，還要等到下一個記賬周期（位元幣控制在10分鐘左右），也就是要被大多數節點認可這筆交易，還受一個小概率事件影響，就是當網路上同時有2個或以上節點競爭到記賬權力，那么在網路中就會產生2個或以上的區塊鏈分支，這時候到底那個分支記錄的資料是有效的，則要再等下一個記賬周期，最終由最長的區塊鏈分支來決定，因此區塊鏈的交易資料是有延遲性的，

2. 能耗問題

區塊的生成需要礦工進行非常龐大的數學計算，這是非常耗費能源的，國外電力資訊網POWER-COMPARE提供的預測資料顯示，按照目前位元幣挖礦、交易耗電量的增長速度，到2020年位元幣耗電量將會與目前全球用電量持平，

3. 博弈問題

區塊鏈的去中心、自治化的特點淡化了國家監管的概念，在監管無法觸達的情況下，一些市場的逐利等特性會導致區塊鏈技術應用于非法領域，為黑色產業提供了庇護所，

五、共識機制

1.什么是共識機制

在區塊鏈里大家都認同的一個規則，在區塊鏈系統中，每個節點必須要做的事情就是讓自己賬本和其他節點的賬本保持一致，所有的交易或者其他資訊傳遞需要經過共識機制的確認，確認合法后才能將這個資訊保存在鏈上，這樣就保證了大家記賬的一致性和準確性，

共識演算法其實就是一個規則，每個節點都要按照這個規則去確認自己的資料，并且我們要從所有的節點中選舉出一個最具有代表性的節點，那么如何篩選呢？其實就是設定一組條件，就像我們篩選運動員、尖子生一樣，給一組指標讓大家來完成，誰完成得更好，誰就有機會被選上，在區塊鏈系統中，存在著多種這樣的篩選方案，比如PoW(proof of work作業證明)、PoS(Proof of stake權益證明)、DPoS(Delegate proof of stake委托權益證明)、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯演算法）等等，區塊鏈系統就是通過這些篩選演算法或者共識演算法使得網路中各個節點的賬本資料達成一致，

2.簡化的拜占庭容錯演算法（SBFT）

在這個演算法中，區塊驗證者是一個知名的機構，例如在整個商業網路中可以是一個監管者，這個區塊驗證者創造并提出新的區塊轉賬，在SBFT共識中，一定數量的節點一定要接受這個區塊，當然這取決于錯誤節點的數量，在這樣的系統中，最少要有2f+1的節點必須要接受商業網路中的新區塊，f就是錯誤節點的數量，

舉例來說，我們假設現在系統中有30個參與者，其中包含了5個錯誤節點，作為需要驗證的新區塊，11（2×5+1）個節點，這個錯誤可以是惡意的，也可能是無效的節點，

優點：比作業量證明更快，有更好的擴容性，缺點：有中心化趨勢，

3.作業量證明機制(PoW)

位元幣挖礦就是pow機制，原理就是計算機通過變數變化，不斷的計算產生一串串數字，直到某一串數字滿足指定的難度要求，才停止這次計算，這串數字就是新生成區塊的hash值，

優點

• 完全去中心化，演算法簡單，容易實作;
• 節點間無需交換額外的資訊即可達成共識;
• 破壞系統需要投入極大的成本，

缺點

• 挖礦造成大量的資源消耗;
• 共識達成的周期較長，

4.權益證明機制(PoS)

也稱股權證明機制，它要求各節點證明自己擁有一定數量的代幣(也就是所謂的權益)來競爭下一區塊的記賬權，PoS機制直接與持有的代幣數量和持幣時間掛鉤，這種模式會根據你持有數字貨幣的量和時間，分配給你相應的利息，簡單來說，就是一個根據你持有貨幣的量和時間，給你發利息的一個制度，在股權證明POS模式下，有一個名詞叫幣齡，每個幣每天產生1幣齡，比如你持有100個幣，總共持有了30天，那么，此時你的幣齡就為3000，這個時候，如果你發現了一個POS區塊，你的幣齡就會被清空為0，你每被清空365幣齡，你將會從區塊中獲得0.05個幣的利息(假定利息可理解為年利率5%)，那么在這個案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41個幣，這下就很有意思了，持幣有利息，

優點

• 一定程度上縮短了全網達成共識所需的時間，
• 各節點不需要比拼算力挖礦，不會造成過多的算力浪費，
• 攻擊者對貨幣系統的攻擊難度變大，

缺點：更多的安全問題，如果同時在不同的鏈上作業，也不會有懲罰，這樣做，就很難去保證轉賬的真實性，

5.委托股權證明(DPOS)

DPoS給出一種思路，將成千上萬個PoS節點，通過某種機制（例如持有代幣的數量）選舉出若干（奇數）個節點，在這幾個節點之間進行投票選舉（在一些實作中甚至會在這些節點間以令牌環的方式進行輪詢，進一步減少投票開銷）出每次的檢查點（出塊）節點，而不用在網路中全部節點之間進行選擇，

這種機制能夠大幅度提升選舉效率，在幾十個最多上百節點之間進行一致性投票一般來說可以在秒級完成并達到共識，因此DPoS機制可以將檢查點（事務確認時間）提升到秒級，通過減少投票節點的數量或采用令牌環機制甚至可以降低到毫秒級，

6.消逝時間證明（PoET）

消逝時間證明是超級賬本鋸齒湖專案中使用的共識，每個參與者都需要有個等待時間，來確保安全的程式集，獲得最短等待時間的參與者會被選為挖出區塊，經過等待時間，挖出區塊，

優點：挖出區塊的人會一直變化，同樣的人每次都不會選擇下個區塊，　　缺點：安全程式集是復雜的技術，相對作業量證明來說，更容易進行欺詐，也有中心化的趨勢，因為我們必須使用第三方信任機構來確保這個程式集是真的安全，

7.權威證明（PoA）

適合私有鏈網路，并且不需要分布式信任體系，原理相對簡單：網路中的一些人在滿足某些條件之后被認證為驗證者，例如身份認證，這些驗證者負責維持區塊鏈資料，

優點：非常適合私有鏈，速度非常快，

缺點：犧牲了信任，

六、架構模型

區塊鏈技術的模型是由自下而上的資料層、網路層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成，

1.資料層

封裝了底層數據區塊的鏈式結構，以及相關的非對稱公私鑰資料加密技術和時間戳等技術，這是整個區塊鏈技術中最底層的資料結構，這些技術是構建全球金融系統的基礎，數十年的使用證明了它非常安全的可靠性，而區塊鏈正是巧妙地把這些技術結合在了一起，

2.網路層

包括P2P組網機制、資料傳播機制和資料驗證機制等，P2P組網技術早期應用在BT這類P2P下載軟體中，這就意味著區塊鏈具有自動組網功能，

3.共識層

封裝了網路節點的各類共識機制演算法，共識機制演算法是區塊鏈的核心技術，因為這決定了到底是誰來進行記賬，而記賬決定方式將會影響整個系統的安全性和可靠性，目前已經出現了十余種共識機制演算法，其中比較最為知名的有作業量證明機制（PoW，Proof of Work）、權益證明機制（PoS，Proof ofStake）、股份授權證明機制（DPoS，Delegated ProofofStake）等，

資料層、網路層、共識層是構建區塊鏈技術的必要元素，缺少任何一層都將不能稱之為真正意義上的區塊鏈技術，

4.激勵層

將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中來，包括經濟激勵的發行機制和分配機制等，主要出現在公有鏈當中，在公有鏈中必須激勵遵守規則參與記賬的節點，并且懲罰不遵守規則的節點，才能讓整個系統朝著良性回圈的方向發展，而在私有鏈當中，則不一定需要進行激勵，因為參與記賬的節點往往是在鏈外完成了博弈，通過強制力或自愿來要求參與記賬，

5.合約層

封裝各類腳本、演算法和智能合約，是區塊鏈可編程特性的基礎，位元幣本身就具有簡單腳本的撰寫功能，而以太坊極大地強化了編程語言協議，理論上可以撰寫實作任何功能的應用，如果把位元幣看成是全球賬本的話，以太坊可以看作是一臺“全球計算機”，任何人都可以上傳和執行任意的應用程式，并且程式的有效執行能得到保證，

6.應用層

封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例，比如搭建在以太坊上的各類區塊鏈應用即部署在應用層，而未來的可編程金融和可編程社會也將會是搭建在應用層，

激勵層、合約層和應用層不是每個區塊鏈應用的必要因素，一些區塊鏈應用并不完整的包含后三層結構，

• 技術發展方向

1. 分布式賬本

分布式賬本指的是交易記賬由分布在不同地方的多個節點共同完成，而且每一個節點記錄的是完整的賬目，因此它們都可以參與監督交易合法性，同時也可以共同為其作證 ，跟傳統的分布式存盤有所不同，區塊鏈的分布式存盤的獨特性主要體現在兩個方面：一是區塊鏈每個節點都按照塊鏈式結構存盤完整的資料，傳統分布式存盤一般是將資料按照一定的規則分成多份進行存盤，二是區塊鏈每個節點存盤都是獨立的、地位等同的，依靠共識機制保證存盤的一致性，而傳統分布式存盤一般是通過中心節點往其他備份節點同步資料，沒有任何一個節點可以單獨記錄賬本資料，從而避免了單一記賬人被控制或者被賄賂而記假賬的可能性，也由記賬節點足夠多，理論上講除非所有的節點被破壞，否則賬目就不會丟失，從而保證了賬目資料的安全性，

1. 非對稱加密

存盤在區塊鏈上的交易資訊是公開的，但是賬戶身份資訊是高度加密的，只有在資料擁有者授權的情況下才能訪問到，從而保證了資料的安全和個人的隱私，

1. 共識機制

就是所有記賬節點之間怎么達成共識，去認定一個記錄的有效性，這既是認定的手段，也是防止篡改的手段，區塊鏈提出了四種不同的共識機制，適用于不同的應用場景，在效率和安全性之間取得平衡 ，區塊鏈的共識機制具備“少數服從多數”以及“人人平等”的特點，其中“少數服從多數”并不完全指節點個數，也可以是計算能力、股權數或者其他的計算機可以比較的特征量，“人人平等”是當節點滿足條件時，所有節點都有權優先提出共識結果、直接被其他節點認同后并最后有可能成為最終共識結果，以位元幣為例，采用的是作業量證明，只有在控制了全網超過51%的記賬節點的情況下，才有可能偽造出一條不存在的記錄，當加入區塊鏈的節點足夠多的時候，這基本上不可能，從而杜絕了造假的可能，

1. 智能合約

基于這些可信的不可篡改的資料，可以自動化的執行一些預先定義好的規則和條款，以保險為例，如果說每個人的資訊（包括醫療資訊和風險發生的資訊）都是真實可信的，那就很容易的在一些標準化的保險產品中，去進行自動化的理賠，在保險公司的日常業務中，雖然交易不像銀行和證券行業那樣頻繁，但是對可信資料的依賴是有增無減，因此，筆者認為利用區塊鏈技術，從資料管理的角度切入，能夠有效地幫助保險公司提高風險管理能力，具體來講主要分投保人風險管理和保險公司的風險監督，

八、在農業領域的應用，

1.農產品質量安全溯源：實作從田間到舌尖的全程序監督

隨著現代生活水平提高，人們越來越重視食品質量安全，餐桌上的蔬菜魚肉的安全無一不成為人們關注的焦點，從田間到舌尖，農產品經歷了種植、加工、運輸和銷售等多項環節，食品安全問題頻頻出現，人們對農產品的質量安全問題產生信任危機，

農產品質量安全溯源被認為是區塊鏈非常有價值和優先發展的應用領域之一，應用區塊鏈可全程記錄農產品的生產、運輸、加工和儲藏等程序，可確保資料的真實性、難以篡改性、不可偽造性、真實透明性，從而增加消費者的信任度，拓展市場空間，

而區塊鏈具有分布式存盤、不可篡改、可追溯等特點，以農作物為例，通過將種植程序、加工程序、存盤程序、運輸程序及銷售程序中的相關資料上鏈存盤，就能實作農產品從種植到消費的全鏈條的透明化監管，并且相關資料一旦上鏈，就難以進行篡改，這進一步保證相關資料的真實性和安全性，消費者通過掃描條形碼、二維碼等身份標識就可以立即查詢到農產品的原產地、施肥用藥情況、化學成分等核心資訊，從而建立對農產品的信任，

同時，在基于區塊鏈的溯源系統中，監管部門作為節點參與其中，由于各個鏈條的資料被相關責任主體進行數字簽名并附上了時間戳，農產品一旦出現了質量問題，監管部門就可以將責任及時追溯到相關主體，

此外，區塊鏈通過共識機制和智能合約，構建了統一的規則體系，打破了各經濟主體間的體系壁壘，使各經濟主體得以較低的成本實作資料的互聯互通，大大加快全國統一的農產品質量安全溯源系統的構建，基于區塊鏈技術的農產品追溯系統，所有的資料一旦記錄到區塊鏈賬本上將不能被改動，依靠不對稱加密和數學演算法的先進科技從根本上消除了人為因素，使得資訊更加透明，

2.農產品供應鏈管理：實作從農戶到消費者的供需透明化

農產品供應鏈包括了農產品的產前、產中和產后三個階段，涵蓋農產品生產、加工、運輸和銷售等多項環節，在農產品供應鏈中，參與主體包括農業生產者、農資企業、分銷商、零售商、監管機構和消費者等，這些參與主體以生產者和消費者的不同角色參與產前、產中和產后三個階段，

在區塊鏈技術下，農產品供應鏈將各參與主體彼此間產生的商流、資訊流、物流和資金流進行整合，建立從農產品生產商、分銷商、零售商到消費者的全鏈式網路，

3. 農業物聯網

目前基于各類傳感器和智能裝備連接的物聯網發展迅猛，大量的物聯網設備標識不統一、網路協議復雜、資料格式多樣、中心化管理等問題限制了物聯網系統的高效應用，同時設備監管和資料安全問題也一直困擾著物聯網的發展，隨著物聯網設備的快速增加，基于中心化的維護與管理成本將難以估量，區塊鏈將成為萬物互聯智能設備的總賬本，除了真實記錄物聯網采集的資料外，也可真實記錄設備的身份標識、停轉工況、設備遷移、設備維護等資料，為智能設備的互聯互通、自我管理提供安全可靠的保障， 物聯網和區塊鏈的結合將使這些設備實作自我管理和維護，這就省去了以云端控制為中心的高昂的維護費用，降低互聯網設備的后期維護成本，有助于提升農業物聯網的智能化和規模化水平，

4. 農業大資料

首先，區塊鏈系統本身是一個資料系統，而且還是一個分布式資料系統，雖然大資料系統不一定是區塊鏈系統，但隨著區塊鏈容量的擴大，必然與大資料有某些天然的屬性關聯，農業大資料的資料獲取、安全管理、資料權的維護、資料的真實性和有效性、難以篡改、去中心化等要求對于現在的傳統資料庫來講，是一個新的挑戰，農業大資料具有來源復雜多樣、結構復雜、資料周期長等特點，實作大資料的區塊鏈化是未來智慧農業發展的基礎性作業，

　　傳統資料庫的三大成就，關系模型、事務處理、查詢優化，資料庫技術在不停發展，未來隨著農業大資料采集體系的建立，如何以規模化的方式來解決資料的真實性和有效性，將是全社會面臨的難題， 以區塊鏈為代表的技術，對資料真實有效不可偽造、無法篡改的這些要求，相對于現在的資料庫來講，是一個新的起點，

5. 農業金融

目前金融領域是區塊鏈應用最活躍和比較成功的領域，但農業金融具有一定的特殊性，還需要不斷探索，例如，如何認知有效抵押物、建立契約機制，在這方面農業領域相對薄弱，總體上擔保貸款比較難，區塊鏈技術可以保證資訊更透明、篡改難度更高，增加了誠信，降低了成本，另外，應用去中心化功能申請貸款時，將不再依賴銀行、誠信公司等中介機構提供信用證明，貸款機構通過調取區塊鏈的相應資料資訊即可開展業務，能大大提高作業效率，

當新型農業經營主體申請貸款時，需要提供相應的信用資訊，這就需要依靠銀行、保隙訓征信機構所記錄的相應資訊資料，但其中存在著資訊不完整、資料不準確、使用成本高等問題，而區塊鏈的用處在于依靠程式演算法自動記錄海量資訊，并存盤在區塊鏈網路的每一臺電腦上，資訊透明、篡改難度高、使用成本低，因此，申請貸款時不再依賴銀行、征信公司等中介機構提供信用證明，貸款機構通過調取區塊鏈的相應資訊資料即可，

6.農業保險

我國是農業災害多發的國家，農業災害包括生物災害（病蟲害）和非生物災害（主要是氣象災害），這些災害每年都在發生，并造成很大的經濟損失，保護農業經營者的利益，加強農業保險服務勢在必行，但目前農業保險存在著對災害監測不準、災情資料掌握不全甚至不真、災損評估方法缺失等問題，如何確保資料真實可靠、可追溯、難以篡改，實作農業保險定損、認證、理賠的客觀公正，是很大的挑戰，將區塊鏈與農業保險結合之后，農業保險不僅在可靠性上有很大的提升，而且會極大地簡化交易流程，另外，將智能合約技術應用到農業保險領域，會使農業保險賠付處理更加智能化，賠付效率大大提高，

在農業領域，智能合約具有獨特的實作方式，可以幫助農民對作物進行保險并向保險公司提出索賠要求，在過去，無論是對種植者還是對他們提供保險的公司，這都是一個痛苦而緩慢且繁重的程序，

通過建立量身定制的智能區塊鏈合同，可以通過改變符合特定條件的天氣條件來觸發損害索賠，從而簡化了農民和保險公司的流程，

　　另外，因為智能合約是區塊鏈的一個重要概念，所以將智能合約概念用到農業保險領域，會讓農業保險賠付更加智能化，以前如果發生大的農業自然災害，相應的理賠周期會比較長，將智能合約用到區塊鏈之后，一旦檢測到農業災害，就會自動啟動賠付流程，這樣賠付效率更高，

7.精準扶貧

“精準扶貧、精準脫貧”是我國政府提出的一項重大戰略舉措，區塊鏈以其共識、去信任、防篡改、共監管、可追溯等機制，可以有效提高復雜環境下的資訊高效管理，提高精準扶貧作業的“靶向性”，加強對資金流向、扶貧物件、獲得效果等的有效監管，從管理理念和技術上為“精準定位和扶貧”提供堅實資訊支撐，

8.物流與付款

有了智能合約，農民將擺脫多個中介機構的限制，當農民知道產品將以良好的狀態投放到最終用戶時，他們將會更加輕松，

更重要的是，智能合約能消除不必要的延遲，并確保農民因為提供他們的產品而按時獲得收入，更好的是，該解決方案可以配置為在全年中向農民付款，而不是按季節付款，

9.交易

農業中的區塊鏈具有獨特的定位，不僅可以簡化交易流程，而且還可以為小規模農民和農作物種植者（尤其是貧困地區的農民）提供公平的競爭環境，據估計，全世界每年浪費掉價值 9400 億美元的食物，造成這種情況的部分原因是，欠發達國家的農民和種植者并不總是能夠進入廣闊的市場，這使他們無法出售所生產的所有糧食，通過為小企業提供訪問的基于區塊鏈的專有平臺，可以買賣農產品和在市場參與者之間建立信任的途徑，區塊鏈帶來的另一個好處是，農業生產者能夠更有效和高效地制定價格，這樣可以管理其輸出以匹配需求的產品，　

10.土地登記

基于區塊鏈的實作能夠提供土地記錄的不可損壞的賬本，有其對于農村貧困人口來說，如果這可以鏈接到數字身份，那么即使在面對自然災害時土地記錄的安全保存也不再是問題，

聯合國開發計劃（UNDP）在印度與合作伙伴一起致力于讓土地登記更加可靠，從比較高的層面來說，該專案可以捕捉并永久記錄土地的每一次交易，這意味著你可以實作接近實時的溯源能力以及資產的透明度，瑞典政府的土地持有人認證專案，Lantm?teriet，是基于區塊鏈的土地登記和交易示范平臺，他們詳細該平臺為數字溯源提供了安全可靠的手段，能夠為政府解決數百萬美元的開支，