1、区块链发展研究报告 2020 2020 年第 5 期 清华大学人工智能研究院 北京智源人工智能研究院 清华中国工程院知识智能联合研究中心 2020 年 7 月 目录目录 1 概述篇 . 1 1.1 产生背景. 2 1.2 区块链概念. 2 1.3 区块链发展阶段. 4 1.3.1 区块链 1.0：数字货币 . 5 1.3.2 区块链 2.0：智能合约 . 6 1.3.3 区块链 3.0：多行业应用 . 7 1.4 区块链特征. 8 1.5 国内外发展现状. 9 1.5.1 相关政策现状. 9 1.5.2 行业发展及市场规模. 14 2 技术及理论篇 . 17 2.1 密码学. 18 2.1.1

2、 公钥密码体制. 19 2.1.2 哈希函数. 22 2.1.3 密码学研究热点. 23 2.2 分布式系统与共识协议. 24 2.2.1 共识机制的功能. 25 2.2.2 共识机制的分类. 26 2.2.3 共识机制的评价. 30 2.2.4 分布式系统研究热点. 30 2.3 博弈论. 31 2.4 智能合约. 34 2.5 跨链技术. 36 2.6 区块链领域必读论文. 37 2.7 区块链话题模型（Topic Model）. 40 2.8 区块链国内专利申请情况. 42 3 人才篇 . 45 3.1 区块链领域人才分布. 46 3.2 区块链代表学者. 49 3.2.1 密码学. 4

3、9 3.2.2 分布式系统和理论. 61 3.2.3 博弈论. 67 4 应用篇 . 73 4.1 数字货币. 74 4.1.1 数字货币概述. 74 4.1.2 数字货币分类. 75 4.1.3 数字货币优点和风险. 82 4.2 区块链其他应用场景. 84 4.2.1 金融服务. 85 4.2.2 智能制造. 87 4.2.3 物联网与供应链管理. 88 4.2.4 文化娱乐及传媒. 89 4.2.5 民生公益. 90 4.2.6 政府管理. 93 5 趋势篇 . 95 5.1 区块链发展面临的障碍和挑战. 96 5.1.1 技术问题. 96 5.1.2 高耗能问题. 97 5.1.3 安

4、全挑战. 97 5.1.4 监管风险. 97 5.2 技术趋势与升级. 99 5.2.1 技术趋势. 99 5.2.2 国际趋势. 100 5.3 产业趋势与升级. 101 参考文献. 102 附录 1 区块链期刊 . 106 附录 2 近 10 年区块链相关的国家自然科学基金 NSFC 项目 . 112 图目录图目录 图 1 区块链 1.0 技术架构 . 6 图 2 区块链 2.0 技术架构 . 7 图 3 区块链 3.0 技术架构 . 8 图 4 近年来主要国家的区块链相关政策动态 . 11 图 5 2018-2020 年中国区块链发展相关政策动态. 13 图 6 密码体制的基本模型 .

5、19 图 7 公钥加密流程 . 20 图 8 对称密码体制加密流程 . 20 图 9 百度数字签名证书页面 . 22 图 10 密码学研究技术热点 . 24 图 11 基于点对点网络的 Sybil Attack 原理 . 27 图 12 分布式系统领域研究热点 . 31 图 13 博弈论研究热点 . 34 图 14 智能合约领域研究热点趋势 . 36 图 15 LDA 结构图. 40 图 16 2010 至 2019 年期间区块链相关专利申请量. 43 图 17 2010 至 2019 年期间区块链专利受理局排名. 43 图 18 2010 至 2019 年期间国内区块链相关专利申请排名前十机

6、构. 44 图 19 区块链领域顶尖人才全球分布 . 46 图 20 区块链领域顶尖人才中国分布 . 48 图 21 区块链主要应用场景 . 84 图 22 区块链的热点技术趋势图 . 100 图 23 区块链技术国家发展趋势 . 101 表目录表目录 表 1 术语 . iii 表 2 缩略语 . iv 表 3 区块链的类型及特性 . 3 表 4 加解密算法类型 . 21 表 5 典型散列算法特点 . 23 表 6 共识机制及技术水平 . 28 表 7 共识机制分类 . 29 表 8 共识机制评价维度 . 30 表 9 区块链话题模型 . 41 表 10 区块链领域学者数量排名前十的国家 .

7、47 表 11 区块链领域中国与各国合作论文情况 . 49 表 12 主要国家对 Libra 的态度 . 79 i 摘要摘要 区块链是密码学、分布式系统、博弈论的集大成者。目前，区块链技术正处 在加速演进成熟的过程中，其应用已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应 链管理、数字资产交易等多个领域。近两年来，全球主要国家都在加快布局区块 链技术发展。 在此背景下， 我国更将区块链作为核心技术自主创新的重要突破口。 清华大学人工智能研究院曾于 2018 年发布了 区块链基础理论与研究概况 报告。 本报告在 2018 版报告的基础上， 针对近两年区块链技术研究、 应用发展、 人才研究等方面进展进行了

8、更为深入的调查研究，其主要内容包括： 一、 区块链基本概念梳理和国内外区块链发展现状分析。一、 区块链基本概念梳理和国内外区块链发展现状分析。 简要概括了区块链 技术的产生背景和基本概念，分别探讨区块链 1.0 数字货币阶段、 区块链 2.0 智 能合约阶段和区块链 3.0 多行业应用阶段的技术架构， 总结出区块链技术 6 大特 征，并梳理了区块链的国内外最新政策和行业发展现状。 二、二、区块链基础理论区块链基础理论和技术和技术研究现状分析。研究现状分析。通过 AMiner 系统提供的大数据 信息，分别对密码学、分布式系统（共识协议）和博弈论等领域的研究现状进行 全面梳理。 三、区块链领域人才

9、现状分析。三、区块链领域人才现状分析。通过 AMiner 系统提供的大数据信息，整理 区块链领域的国内外专家学者、 研究机构、 代表论文、 研究热点及热点变化趋势、 中外研究情况对比，对区块链领域人才现状进行全面梳理。 四四、 区块链典型应用场景及典型应用分析。、 区块链典型应用场景及典型应用分析。 主要分析了区块链在以比特币为 代表的数字货币中的应用，以及区块链在金融服务、智能制造、物联网与供应链 管理、文化娱乐、民生公益、政府管理 6 大方面的应用场景，并对区块链应用价 值进行展望。 最后，分析归纳了区块链未来发展面临的技术和监管等方面挑战， 挖掘生成 了区块链技术发展趋势。 ii 报告说

10、明报告说明 编写方法编写方法 本报告在上一版区块链基础理论与研究概况报告基础上进行更新，主要 更新了区块链关键技术领域的国内外进展、 技术趋势、 研究学者以及应用场景等。 一是收集国内外区块链最新研究成果和总结报告。一是收集国内外区块链最新研究成果和总结报告。 本研究收集了主要国家政 府和国际政府间组织发布的区块链报告和白皮书，如联合国数字货币和区块链 技术在构建社会团结金融中如何扮演角色 （How Can Cryptocurrency and Blockchain Technology Play a Role in Building Social and Solidarity Finance

11、?） 、 中国人民银行 金融分布式账本技术安全规范（JR/T 01842020） 、 工信部中国区块链技术和应用发展白皮书（2016） 和2018 年中国区块链产 业白皮书 、KPMG 区块链研究报告共识价值互联的不变协议 、iiMedia Research2017-2018 中国区块链热点专题研究报告和2019-2020 中国区块 链发展现状、应用场景与未来趋势分析等，从政府、学术研究以及行业发展等 角度全面把握区块链技术的发展动向。 二是利用二是利用 AMinerAMiner 平台整理区块链基础技术国内外研究状况。平台整理区块链基础技术国内外研究状况。重点分析了密 码学、分布式系统、博弈论

12、领域当前世界学者分布、代表学者、学者关系、研究 成果、 研究趋势和中外研究概况对比，以丰富的图文数据展示区块链基础理论在 全球范围内的发展状况和未来的研究潜力。 通过 AMiner 系统对近 10 年（2010-2020 年）发表在 SJR（Scimago Journal 区块链发展研究报告 2020概述篇 5 融工具等。区块链 3.0 包括行业中的新兴应用，拓展了包括银行和金融科技在内 的广泛应用。区块链的区块链的不同发展阶段呈现出相互影响、相互补充的互动态势。不同发展阶段呈现出相互影响、相互补充的互动态势。 1 1. .3 3.1 .1 区块链区块链 1.01.0：数字货币：数字货币 区块

13、链是利用密码学方法关联产生的数据块，用于验证信息有效性或防伪， 并生成下一个区块。在区块链 1.0 阶段，以比特币为代表的数字货币和支付行为 是最典型的应用。继 2008 年一个自称为中本聪的人提出比特币设想后，2009 年 比特币正式上线运行。随着比特币在世界范围内的普及，人们开始意识到作为比 特币底层技术的区块链具有去中心化的优良性质。 区块链采用纯数学方法而不是 中心机构建立信任关系， 使得互不信任或弱信任的参与者之间能够维系不可篡改 的账本记录。 区块链 1.0 技术架构如图 1 所示。具体而言，区块链 1.0 使用了如下的相关 技术： 分布式账本 （分布式账本 （Distribute

14、d LedgerDistributed Ledger） ： 分布式账本是在网络成员之间共享、 复制和同步的数据库，记录网络参与者之间的交易，部分国家的银行将 分布式账本作为一项节约成本的措施和降低操作风险的方法。 块链式数据（块链式数据（ChainedChained- -Block Data StructureBlock Data Structure） ：区块链采用带有时间戳 的链式区块结构存储数据，从而为数据增加了时间维度，具有极强的可 验证性和可追溯性。 梅克尔树（梅克尔树（Merkle TreesMerkle Trees） ：梅克尔树是区块链的重要数据结构，能够快 速归纳和校验区块数据的

15、存在性和完整性。 工作量证明（工作量证明（Proof of Work, PoWProof of Work, PoW） ：通过引入分布式节点的算力竞争保 证数据一致性和共识的安全性。 区块链发展研究报告 2020概述篇 6 图 1 区块链 1.0 技术架构3 1 1. .3 3.2 .2 区块链区块链 2.02.0：智能合约：智能合约 区块链 2.0 进入可编程金融阶段。在这一阶段，区块链系统渗入经济、金融 与资本市场，形成股票、债券、期货、贷款、抵押、产权、智能财产等的智能合 约。除了构建货币体系之外，区块链在泛金融领域也有众多应用案例。例如，智 能合约的核心是利用程序算法替代人执行合同，这些

16、合约包含三个基本要素：要 约、承诺、价值交换，可以实现资产、过程、系统的自动化组合与相互协调。 区块链 2.0 技术架构如图 2 所示，具体使用了如下的技术： 智能合约智能合约（Smart Contract） ：1994 年，Nick Szabo 4首次提出智能合约 概念，即一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议， 能够在没有第三方的情况下进行可信交易。智能合约是已编码的、可自 动运行的业务逻辑，通常有自己的代币和专用开发语言。 虚拟机虚拟机（Virtual Machine） ：指通过软件模拟的运行在一个完全隔离环 境中的完整计算机系统，在区块链技术中，虚拟机用于执行智能合约编

17、译后的代码。 去中心化应用去中心化应用（Decentralized Application,简称 DApp） ：去中心化应 用是运行在分布式网络上、 参与者的信息被安全保护 （也可能是匿名的） 、 通过网络节点进行去中心化操作的应用。包含用户界面的应用，包括但 3工信部， 中国区块链技术和应用发展白皮书（2016） S， 4 Szabo N. Smart contractsJ. Unpublished manuscript, 1994. 区块链发展研究报告 2020概述篇 7 不限于各种加密货币，如以太坊（Ethereum）的去中心化区块链及其原 生数字货币以太币（Ether） 。 图 2 区

18、块链 2.0 技术架构5 1 1. .3 3.3 .3 区块链区块链 3.03.0：多行业应用：多行业应用 继区块链 1.0、区块链 2.0 后，目前已开启了区块链 3.0 时代，即可编程社 会系统时代。区块链 3.0，代表的是解决了关键性技术难题的全领域生态级别的 底层系统出现以及区块链技术应用到各个垂直行业中去的时代。 这个时代的底层 协议能够在保证去中心化、去信任中介的同时，保证了商用级别的高性能。 区块链 3.0 的根本特征之一是区块链与大数据、人工智能技术融合，通过新 的区块链技术，实现新的存储模式的创新。区块链 3.0 与区块链 1.0 和 2.0 最重 要的一个区别在于区块链技术

19、的使用方式与领域。在 3.0 时代，区块链技术应用 已超出金融领域，扩展到人类生活的各个方面，为各种行业提供去中心化解决方 案，包括在司法、医疗、物流等领域，利用区块链技术来解决信任问题、实现信 息的共享，将数据进行分布式的存储和连接，实现真正的大数据化 6，提高整个 系统的运转效率。 区块链 3.0 主要应用在社会治理领域， 包括了身份认证、 公证、 仲裁、 审计、 域名、物流、医疗、邮件、签证、投票等领域，应用范围扩大到了整个社会，区 块链技术有可能成为“万物互联”的一种最底层的协议 7。 5 工信部， 中国区块链技术和应用发展白皮书（2016） S， 6 海外科技风云什么区块链 3.0

20、技术？区块链 3.0 技术给未来带来了什么变革？N 23Rivest R L, Shamir A, Adleman L M. Cryptographic communications system and method: U.S. Patent 4,405,829P. 1983-9-20. 24Rivest R. The MD5 message-digest algorithmJ. 1992. 25Shannon C E. Communication theory of secrecy systemsJ. Bell Labs Technical Journal, 1949, 28(4): 65

21、6-715. 26Szabo N. Smart contractsJ. Unpublished manuscript, 1994. 27Szabo N. Smart contractsOnline, avaliable: 104 http:/www.fon.hum.uva.nl/rob/Courses/InformationInSpeech/CDROM/Literature/ LOTwinterschool2006/ November 5, 2018. 28Zhu Liehuang, Gao Feng, Shen Meng, Li Yandong, Zheng Baokun, Mao Hong

22、liang, Wu Zhen. Survey on Privacy Preserving Techniques for Blockchain TechnologyJ. Journal of Computer Research and Development, 2017, 54(10): 2170-2186. 29董宁, 朱轩彤. 区块链技术演进及产业应用展望J. 信息安全研究, 2017, 3(3):200-210. 30分 布 式 系 统 与 区 块 链 N ， 链 圈 社 区 ， 2018年11月6日 ， 31工 信 部 ， 中 国 区 块 链 技 术 和 应 用 发 展 白 皮 书 （

23、2016 ） S ， 32国家信息中心智慧城市发展研究中心联合火币区块链应用研究院 区块链助力中国智慧 政务发展驶入快车道R，2020年4月20日， 33海外科技风云什么区块链 3.0 技术？区块链 3.0 技术给未来带来了什么变革？N 34贺海武，延安，陈泽华.基于区块链的智能合约技术与应用综述J， 计算机研究与发 展.2018 年 11 期 35贾丽平.比特币的理论、实践与影响J.国际金融研究，2013(12):14-25. 36李靖.比特币的发展研究综述J.当代经济，2015(31):134-137. 37联合国向全球推荐支付宝区块链应用！中国区块链技术布局现状及发展趋势分析J， 202

24、0 年 3 月 24 日，艾媒网， 38刘艺华，陈康，区块链共识机制新进展J，计算机应用研究，2020 年 03 期 39柳彩云,陈雪鸿,杨帅锋.国产密码算法与工业互联网平台的结合势在必行J.中国信息 安全,2019(04):86-89. 40欧阳丽炜, 王帅, 袁勇, 倪晓春, 王飞跃. 智能合约:架构及进展J. 自动化学报, 2019, 45(3): 445-457. doi: 10.16383/j.aas.c180586， 41区 块 链 技 术 的 核 心 Online ， swift_kotlin ， 2018年1月7日 ， 105 42赛迪顾问数字经济产业研究中心， 2019-20

25、20 年中国区块链产业发展研究年度报告 R，2020 年 2 月， 43斯雪明、孙毅、祝烈煌、朱建明等.（2019） ，区块链关键技术研究进展，CCF 区块链专 业委员会C， 44汤 道 生 、 徐 思 彦 、 孟 岩 、 曹 建 峰 . 产 业 区 块 链 N ， 腾 讯 ， 2020 ， 45腾讯研究院.2019 腾讯区块链白皮书R，2020 年 10 月，https:/tisi.org/11408 46吴涛，王化群. (2017). 区块链中的密码学技术J.南京邮电大学学报自然科学版， 2017 年 12 月，Vol.37 No.6 47姚前.中央银行数字货币原型系统实验研究J.软件学报

26、,2018,29(09):2716-2732. 48袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望J.自动化学报，2016，42(04):481-494. 49赵晓.“区块链数字货币”的不可承受之重J.中外管理,2019(12):10-11. 50郑东，赵庆兰，张应辉.密码学综述J.西安邮电大学学报，2013，18(06):1-10. 51中 国 信 息 通 信 研 究 院 区 块 链 白 皮 书 （ 2019 ） R ， 2019 年 10 月 ， 52朱雷钧.哈希函数加密算法的高速实现D.上海交通大学，2008. 106 附录附录 1 区块链期刊区块链期刊 序号序号 刊名刊名 国家国家 出版商出版

27、商 1 ACM Transactions on Computer Systems 美国 Association for Computing Machinery (ACM) 2 ACM Transactions on Information Systems 美国 Association for Computing Machinery (ACM) 3 ACS Applied Materials & Interfaces 美国 American Chemical Society 4 ACS Nano 美国 American Chemical Society 5 Acta Astronautica 英

28、国 Elsevier Ltd. 6 Advanced Energy Materials 德国 Wiley-VCH Verlag 7 Advanced Functional Materials 英国 John Wiley & Sons Ltd. 8 Advanced Materials 美国 Wiley-Blackwell 9 Advanced Science 德国 Wiley-VCH Verlag 10 Applied Energy 英国 Elsevier Ltd. 11 Applied Physics B: Lasers and Optics 德国 Springer Verlag 12 Ap

29、plied Physics Letters 美国 American Institute of Physics 13 Applied Soft Computing Journal 荷兰 Elsevier BV 14 Automatica 英国 Elsevier Ltd. 15 Big Data Research 美国 Elsevier Inc. 16 Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes 荷兰 Elsevier BV 17 Bioinformatics 英国 Oxford University Press 18 Biosensors and B

30、ioelectronics 英国 Elsevier Ltd. 19 Carbon 英国 Elsevier Ltd. 20 Chaos 美国 American Institute of Physics 21 Chinese Journal of Aeronautics 中国 Press of Acta Aeronautica et Astronautica Sinica 22 Communications in Applied Mathematics and Computational Science 美国 Mathematical Sciences Publishers 23 Computer

31、s and Operations Research 英国 Elsevier Ltd. 24 Critical Reviews in Biotechnology 英国 Taylor & Francis 25 Energy 英国 Elsevier Ltd. 26 Energy Conversion and Management 英国 Elsevier Ltd. 27 Engineering Applications of Artificial Intelligence 英国 Elsevier Ltd. 28 Expert Systems with Applications 英国 Elsevier

32、Ltd. 107 序号序号 刊名刊名 国家国家 出版商出版商 29 Future Generation Computer Systems 荷兰 Elsevier BV 30 GPS Solutions 德国 Springer Verlag 31 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 32 IEEE Communications Letters 美国 Institute of Electrical and Electronics Eng

33、ineers 33 IEEE Computational Intelligence Magazine 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 34 IEEE Electron Device Letters 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 35 IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 36 IEEE Inte

34、rnet of Things Journal 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. 37 IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 38 IEEE Journal on Selected Areas in Communications 美国 Institute of Electrical and

35、 Electronics Engineers 39 IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 40 IEEE Microwave and Wireless Components Letters 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 41 IEEE Network 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 42 IEEE Photonics Journal 美国 Institute of Electrical and Electronics Engineers 43 IEEE Photonics Technology Letters 美国 I