本文節(jié)選自《華為區(qū)塊鏈白皮書》，來源于《ICT新視界·智慧城市特輯》，原標(biāo)題為《區(qū)塊鏈：構(gòu)建智慧城市可信基石》。

區(qū)塊鏈?zhǔn)墙鼉赡陙順I(yè)界的熱點話題，由于其通過分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法等技術(shù)的集成，可以有效解決數(shù)據(jù)在流轉(zhuǎn)過程中的造假行為，正從金融行業(yè)延伸到城市中物聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈管理、數(shù)據(jù)存證以及交易等領(lǐng)域，開啟城市構(gòu)建可信數(shù)字環(huán)境、打造可信社會的變革。

區(qū)塊鏈的興起

區(qū)塊鏈作為獨立技術(shù)出現(xiàn)可追溯到2008年比特幣的誕生，現(xiàn)在已發(fā)展到第三個階段（參見下表）。

智慧城市典型場景

城市數(shù)據(jù)交易：過程透明、可審計，重塑數(shù)字城市公信力

數(shù)據(jù)是城市的根本，各行業(yè)領(lǐng)域的有效數(shù)據(jù)交換與融合是整體推進(jìn)城市智慧化的前提。區(qū)塊鏈的不可篡改和可追溯性可以讓參與主體間建立信任，智慧城市各方可通過數(shù)據(jù)交易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可持續(xù)大幅增長：數(shù)據(jù)所有權(quán)、交易和授權(quán)范圍記錄在區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)所有權(quán)可以得到確認(rèn)，精細(xì)化的授權(quán)范圍可以規(guī)范數(shù)據(jù)的使用；同時，數(shù)據(jù)從采集到分發(fā)的每一步都可以記錄在區(qū)塊鏈上，以保持透明度，使得數(shù)據(jù)源可追溯，進(jìn)而對數(shù)據(jù)源進(jìn)行約束，加強數(shù)據(jù)質(zhì)量；去中心化數(shù)據(jù)交易網(wǎng)絡(luò)能很好地支持城市物聯(lián)網(wǎng)分布，以及實時和精細(xì)化的數(shù)據(jù)交易；基于區(qū)塊鏈的去中心化數(shù)據(jù)交易平臺可以形成更大規(guī)模的全球化數(shù)據(jù)交易場景，讓城市各方獲得更多需要的數(shù)據(jù)。

智慧資產(chǎn)：擴大智慧城市數(shù)字化廣度

伴隨著城市數(shù)字化進(jìn)程的加速，身份認(rèn)證的場景越來越廣泛，包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、社會和經(jīng)濟生活等。但目前身份服務(wù)一直面臨著隱私泄露、身份欺詐以及碎片化等問題，給用戶、設(shè)備和系統(tǒng)均帶來極大的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)的高可靠性、可追溯和可協(xié)作等特質(zhì)，在身份及接入管理服務(wù)領(lǐng)域具備成為基礎(chǔ)技術(shù)的潛力。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到身份及接入管理服務(wù)中，將有可能形成一種協(xié)作、透明的身份管理方案，進(jìn)而形成城市的數(shù)字資產(chǎn)管理。數(shù)字資產(chǎn)證明的流動性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的實體證明，可以降低交易成本、縮短投資周期以及快速募集資金等。數(shù)字資產(chǎn)證明可以應(yīng)用于各種城市中實體的產(chǎn)品登記，例如房產(chǎn)、廣告牌和汽車等。

智慧能源：促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展

城市的可持續(xù)發(fā)展需要新能源的廣泛利用。在新能源領(lǐng)域，區(qū)塊鏈正通過3大價值改變現(xiàn)有行業(yè)，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)從數(shù)字化向信息化、最后向智能化發(fā)展。

? 精準(zhǔn)計量：基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)公正可確保信任和公私鑰結(jié)合的訪問權(quán)限，從而有效保護(hù)隱私；

? 泛在交互：以可信計量為基礎(chǔ)，通過區(qū)塊鏈構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)交互主體之間的信任傳遞，實現(xiàn)基于信任的能源互聯(lián)網(wǎng)之間的互操作；

?優(yōu)化決策：基于區(qū)塊鏈部署的能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間點對點交互，形成分區(qū)局部共識，避免大量分布式設(shè)備之間未來產(chǎn)生直接的共識而導(dǎo)致的復(fù)雜地帶和死循環(huán)共識機制，從而有效提高效率。

在某智慧新能源項目中，通過華為區(qū)塊鏈技術(shù)，用戶可以清晰地查閱到每一筆交易記錄，了解每一度電來源于哪個發(fā)電站的哪個光伏發(fā)電板，并能根據(jù)發(fā)電站的電價和剩余可用發(fā)電量自主選擇供電來源。對于發(fā)電企業(yè)，則可以根據(jù)用戶提交的用電申請動態(tài)計算各電站的供需狀態(tài)，及時調(diào)整發(fā)電策略和價格。

智慧醫(yī)療：信息準(zhǔn)確共享，構(gòu)建全生命周期健康防護(hù)體系

從生命孕育到生命終止，醫(yī)療有如下特點：大量數(shù)據(jù)，包括各類醫(yī)療器械產(chǎn)生的影像數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、處置數(shù)據(jù)和藥物使用數(shù)據(jù)等；多方參與，包括醫(yī)院、疾控中心、社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)機構(gòu)、婦幼保健院和保險公司等；利益不一致且無單一可信方，例如用戶、保險和醫(yī)院之間存在一定的利益博弈；需客觀取證，例如事故記錄等客觀事實會被多方采用；大量流程交互，例如就醫(yī)往往都涉及多方流程交互，一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互機制將大大提升其效率。

可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈的優(yōu)勢與上述特征不謀而合。利用區(qū)塊鏈，可以通過數(shù)據(jù)防篡改和可追溯的統(tǒng)一賬本來記錄個人整個生命周期的醫(yī)療服務(wù)信息，該賬本可以在各參與方之間共享，實現(xiàn)去中心化的信息互通；同時，結(jié)合智能合約、鏈上鏈下數(shù)據(jù)互通等更前沿的技術(shù)，可以實現(xiàn)整個價值鏈上各種流程的自動化，以進(jìn)一步提升效率。例如，通過智能合約簡化醫(yī)療保險報銷流程，以及通過對藥品流轉(zhuǎn)供應(yīng)鏈進(jìn)行全程監(jiān)控確保藥品的安全性與真實性。

華為智慧城市區(qū)塊鏈方案及技術(shù)創(chuàng)新

華為智慧城市區(qū)塊鏈方案主要聚焦典型應(yīng)用領(lǐng)域，以區(qū)塊鏈平臺為核心，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)和終端（含芯片），形成三位一體的端到端區(qū)塊鏈框架，實現(xiàn)軟件+硬件結(jié)合，提供更快、更安全的區(qū)塊鏈端到端解決方案。

? 芯片：將共識算法等軟件基礎(chǔ)固化到芯片架構(gòu)中，從而大幅提升安全性和運行效率，解決區(qū)塊鏈的最后一公里問題；

? 網(wǎng)絡(luò)：為了應(yīng)對區(qū)塊鏈的大范圍商用，網(wǎng)絡(luò)需要介入?yún)^(qū)塊鏈的流程中，同時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要從原有的P2P網(wǎng)絡(luò)模型改為樹形結(jié)構(gòu)發(fā)展，支撐區(qū)塊鏈的規(guī)模商用；

? 華為云區(qū)塊鏈服務(wù)BCS（Blockchain Service）：是基于開源區(qū)塊鏈技術(shù)以及華為在分布式并行計算、PaaS、數(shù)據(jù)管理和安全加密等核心技術(shù)領(lǐng)域的多年積累基礎(chǔ)上推出的區(qū)塊鏈云服務(wù)產(chǎn)品。

華為云區(qū)塊鏈服務(wù)是一種開放易用且靈活高效的通用型基礎(chǔ)技術(shù)，聚焦于區(qū)塊鏈云技術(shù)平臺建設(shè)，幫助生態(tài)伙伴在華為云上快速、高效地搭建智慧城市區(qū)塊鏈方案和應(yīng)用。基于區(qū)塊鏈應(yīng)用中的難點和痛點，華為針對性地突破和創(chuàng)新了關(guān)鍵技術(shù)。

共識算法

共識效率是整個區(qū)塊鏈對外提供服務(wù)的核心能力。華為區(qū)塊鏈采用一種高效的、支持拜占庭容錯且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的共識算法改進(jìn)PBFT算法的缺陷：減少不必要的簽名驗證，使得通信復(fù)雜度從O(n2)減少到O(n)，提升了共識效率和擴展性；同時改進(jìn)了共識流程，以保障節(jié)點故障和選主期間區(qū)塊鏈系統(tǒng)的服務(wù)穩(wěn)定性。

安全隱私保護(hù)

? 國密算法：華為區(qū)塊鏈支持國密SM2/3/4，提供多種加密算法給用戶選擇，同時滿足合規(guī)要求；

? 同態(tài)加密用戶交易隱私保護(hù)：（1）提供同態(tài)加密庫，對用戶的交易數(shù)據(jù)用其公鑰加密進(jìn)行保護(hù)，交易時都是密文運算，最終賬本中加密保存，即使節(jié)點被攻破、獲取到賬本記錄也無法解密；（2）提供范圍證明校驗，背書節(jié)點能夠?qū)γ芪倪M(jìn)行背書，無需解密就能校驗交易的正確性，從而識別出惡意交易風(fēng)險，保證了智能合約的正確執(zhí)行。華為通過改良算法，比起傳統(tǒng)加法同態(tài)加密與基于環(huán)簽名的范圍零知識證明，其性能可以提升10倍；

?零知識證明：華為區(qū)塊鏈提供零知識證明能力，對用戶的隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，減少用戶隱私泄露風(fēng)險；

?智能合約安全：華為區(qū)塊鏈可以提供智能合約檢測工具，防止惡意漏洞通過智能合約入侵用戶數(shù)據(jù)，同時提供安全容器，持續(xù)監(jiān)控容器的運行狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)漏洞則進(jìn)行有效隔離，嚴(yán)格對容器的訪問權(quán)限進(jìn)行控制，從而保證合約安全運行；

? 共識安全：華為區(qū)塊鏈將提供基于硬件的共識算法，使用形式化驗證來保證共識機制的安全，同時可以提高共識效率，增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；

?賬本安全：華為區(qū)塊鏈將提供基于硬件的保護(hù)機制，保護(hù)本地賬本的機密性和完整性，防止賬本被篡改。

離鏈通道

單位時間內(nèi)的交易處理能力仍是區(qū)塊鏈大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸之一。受限于區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)、節(jié)點計算能力不均等、不同網(wǎng)絡(luò)狀況等因素，全網(wǎng)共識往往無法快速達(dá)成，交易速度難以提升。區(qū)塊鏈社區(qū)對交易擴容方案的爭論與嘗試由來已久，現(xiàn)有方案包括區(qū)塊擴容、共識算法改良、安全硬件輔助、隔離見證、閃電網(wǎng)絡(luò)、交易/狀態(tài)分片以及多層子鏈等。無論哪種方案都難以同時兼顧去中心化、可擴展性和安全性3個關(guān)鍵需求，但在特定場景中仍可以找到3要素的平衡點以滿足總體業(yè)務(wù)需求。

在大規(guī)模DAPP應(yīng)用中，往往小額支付占據(jù)了大部分交易請求，而小額交易并無必要在主鏈及時獲得確認(rèn)。如果將海量小額交易在鏈下通道處理，交易過程中不與主鏈交互，而在交易通道關(guān)閉或交易方退出時才請求主鏈記錄交易最終狀態(tài)，將會極大緩解主鏈的處理壓力，這就是離鏈微支付通道的設(shè)計思想。華為通過交易方高效安全的握手協(xié)議，采用創(chuàng)新的“鏈上鎖定-鏈下執(zhí)行”操作，實現(xiàn)了用戶間單通道2000+ TPS的交易性能。

對未來智慧城市區(qū)塊鏈的發(fā)展判斷

2017年，區(qū)塊鏈及其相關(guān)行業(yè)加速發(fā)展，中國將領(lǐng)跑全球進(jìn)入“區(qū)塊鏈可信數(shù)字經(jīng)濟社會”，極速前進(jìn)的智慧城市將與區(qū)塊鏈“雙頻共振”，迎來新機遇。

?在應(yīng)用維度：2018年是區(qū)塊鏈應(yīng)用元年，標(biāo)準(zhǔn)沒有完善之前，在智慧城市中不同領(lǐng)域試用是重點，其中政府?dāng)?shù)據(jù)交易、存證和IoT領(lǐng)域?qū)⒙氏仍囉谩１举|(zhì)上這些領(lǐng)域急需借助區(qū)塊鏈構(gòu)建公平公信的營商環(huán)境；

?在技術(shù)維度：安全是構(gòu)建區(qū)塊鏈需要考慮的重要問題，國密算法將會成為區(qū)塊鏈在國內(nèi)主要市場的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)塊鏈的框架將包含“云-管-端”3層，以軟件+硬件相配合的方式構(gòu)建高度可靠的安全能力。