目前，區塊鏈作為數字經濟革命中的重要支撐，正以新一代資訊基礎設施的姿態快速發展並滲透到我國經濟的各個領域，對我國經濟社會發展的支撐作用初步顯現。但同時，我國區塊鏈也面臨核心技術亟待突破、融合應用尚不成熟、產業生態有待完善，監管治理仍待探索等問題。從商業角度，區塊鏈更多關注於模式創新、組織結構創新與治理體系的創新，與現有商業體系融合尚有瓶頸，應用難仍客觀存在於產業發展中。在此背景下，為加強大眾對於區塊鏈現狀的瞭解，推動我國區塊鏈產業創新發展，陀螺研究院特撰寫《2021中國區塊鏈產業發展報告》。
以下內容摘自報告第一章 我國區塊鏈技術發展現狀
基礎架構逐漸完善，技術加速演進
區塊鏈技術棧構成
從區塊鏈技術角度，區塊鏈（blockchain）是一種由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現資料一致儲存、難以篡改、防止抵賴的記賬技術，亦可稱為分散式賬本技術。自中本聰在《比特幣:一種點對點的電子現金系統》中首次提到區塊鏈框架，截止至今，區塊鏈已發展了近12年，2021年，我國區塊鏈技術基礎架構不斷完善，呈現趨於穩定的狀態，並逐漸從原有的技術聚焦嚮應用端不斷滲透。
如下圖所示，具體而言，目前區塊鏈棧主要分為六個層級，分別為：資料層、網路層、共識層、合約層、系統管理層以及應用層。
物理設施層針對於區塊鏈執行的硬體支撐基礎設施，諸如硬體、雲平臺等，提供算力支援與加密防護。賬本層為區塊鏈架構中的關鍵部分，包含區塊成立的結構，涵蓋默克爾樹、DAG有向無環圖以及區塊結構等。網路層是鏈上資訊傳輸的基礎，主要包含P2P組網技術、資料驗證與傳播機制，對於資料的傳輸方式進行了相應定義。共識層，顧名思義，為節點達成系統一致性，即針對某種提案，多方達成共識的方法，現目前較為主流的包括證明類演算法PoW與POS，選舉類共識DPoS、Snow white等以及BFT類與混合類演算法。合約層相對較為上層，其針對指令碼、演算法等機制程式設計從而實現自動執行與定義的智慧合約，是應用層的關鍵技術設施。系統管理層對區塊鏈系統的操作、運營與管理進行了封裝，建立了節點的不同角色。應用層為使用主體可觸及的應用，服務於個人、企業與政府，包含金融、溯源、司法、存證等多方面的應用。
區塊鏈核心技術發展
層級中包含區塊鏈六大關鍵技術，主要有：共識演算法、智慧合約、密碼學、隱私計算、跨鏈技術以及鏈上鍊下協同技術。共識演算法，主要解決節點一致性問題，在今年，共識演算法從原有的單一共識向混合共識不斷演進，以適應聯盟鏈場景中豐富的場景變化，國內主流聯盟鏈包括趣鏈、百度超級鏈等開始支援RBFT、RAFT等多種共識演算法，提供可插拔共識選擇。同時，共識機制逐步從可預側共識向不可預測共識、從常規組網向大規模組網演變，如NoBFT等高效共識演算法出現，網路複雜度降低。此外，國際首個完全實用的非同步共識演算法——小飛象拜占庭容錯（DumboBFT）演算法出現，進一步提出持續數十年的非同步共識難題的解決方法。
在智慧合約方面，程式語言開始由小眾語言擴充套件至主流開發語言Java、Js等，涉及solidity複雜度、合約執行等問題也已出現融合Doker和虛擬機器如WASM、LibraVM等高效智慧合約引擎，呈現出多元化的發展勢頭。根據中國信通院資料，2020年參與可信鏈測試的聯盟鏈產品中75%的區塊鏈系統可相容Go、Java、Nodels等多種合約語言。此外，讀寫高效的NoSQL資料庫成為主流，提升了資料儲存的呼叫效率。
密碼學是區塊鏈資訊保安的核心技術基石，該領域進展相對較為緩慢，目前較為主流的密碼學安全技術包括雜湊、公鑰密碼學諸如數字簽名、對稱加密以及金鑰協商等。同時，隱私計算與密碼學技術相輔相成，在過去的二十年裡，多方安全計算與同態加密效能提升3-7個數量級，同時，在今年隱私計算技術備受關注，零知識證明與安全多方計算、同態加密等得到進一步發展，從技術角度，隱私保護手段多樣化顯著增強，除了傳統密碼學手段外，同態加密、可信執行環境、多方安全技術、零知識證明等門檻也在不斷降低，隱私計算的魯棒性、通用性以及擴充套件性也在快速的提升。多方安全計算也在逐漸從簡單計算向複雜應用轉移，同時，安全聯合建模與收據授權計算成為近年來研發的熱點，可信執行環節成為當下通用隱私計算最為高效的方法。此外，國密演算法逐步成為聯盟鏈的標準配置，兼顧通訊效率與中心化程度的混合型網路出現。
在跨鏈技術方面，跨鏈技術是區塊鏈實現互聯互通、提升可擴充套件性的重要手段，總體處於探索階段，未有大規模應用，應用前景廣闊。目前跨鏈技術的典型代表有公證人機制、側鏈/中繼鏈機制以及雜湊鎖定機制。在擴充套件技術方面，可擴充套件性增加，以分片機制、閃電網路、狀態通道以及DAG為代表的一系列的技術發展逐步完善。分片在今年關注度頗高，以太坊透過Rollups與分片技術完成了升級與擴容，極大的提升了公鏈效能。
而針對鏈上鍊下協同而言，圍繞安全、可擴充套件性以及去中心化形成的區塊鏈不可能三角成為近年來的研究熱點，但當前的技術研究主要針對某類問題，例如提高效能和計算能力的側鏈和狀態通道，提高資料儲存能力以及隱私保護能力的鏈下儲存和鏈下計算。後續主要研究內容方向則主要包括高效能P2P網路，模組化安全密碼學協議、可程式設計計算引擎等等。整體而言，鏈上鍊下協同技術仍處於初期階段，但在應用層互操作性層面，Restful、RPC等方式已逐步運用於上層鏈與底層鏈之間的耦合聯絡。
技術配套設施湧現，效能不斷提升
而在配套設施方面，得益於技術水平的的不斷提升，區塊鏈產業發展邁入快車道，與技術供給相適應、圍繞區塊鏈的技術配套裝置也開始湧現，尤其體現在硬體配套層面。今年，區塊鏈軟硬一體機發展迅速。軟硬一體即可透過部署硬體產品等便捷的操作方法直接接入區塊鏈，實現上鍊操作。目前，螞蟻鏈、趣鏈、紙貴科技、眾享位元、北信源等紛紛推出了各自的區塊鏈軟硬一體機，透過軟硬體的集中部署，提升上鍊操作的簡易度以及上鍊資料的安全性。以螞蟻鏈一體機為例，在螞蟻鏈一體機內部，區塊鏈密碼卡、安全計算硬體和網路共識加速器構成了核心“三大件”，其中自研密碼卡獲得國家最高安全等級產品認證，安全計算硬體透過國家 CFCA 認證，能夠在多種應用環境中確保金鑰使用的安全性。在此前全球產業區塊鏈峰會，螞蟻集團聯合中國資訊通訊研究院正式啟動區塊鏈一體機國際標準，圍繞一體機硬體以及軟體技術、架構層次、安全要求等作出規範，填補了區塊鏈一體機國際標準的空白。
同時，區塊鏈晶片獲得重大進展。今年6月，“長安鏈”釋出全球首款96核區塊鏈專用加速晶片。以晶片為核心打造的超高效能區塊鏈專用加速板卡，可將區塊鏈數字簽名、驗籤速度提升20倍，區塊鏈轉賬類智慧合約處理速度提升50倍，可為突破大規模區塊鏈網路交易效能瓶頸提供硬科技支撐。晶片具有的強資料隱私保護能力，也為資料隱私保護提供了強有力的解決方案。此外，近日，中國信通院聯合中國移動集團和溪塔科技推出了兩款區塊鏈專用晶片星火 S1和星火T1，晶片是為聯盟鏈適配的硬體基礎設施，星火S1主打區塊鏈金鑰安全儲存解決方案，T1則為物聯網裝置ID安全晶片，提供可信資料採集、儲存、流通等資料全生命週期管理的能力。
總體而言，產業區塊鏈的快速發展掀起了技術演進的浪潮，近年來，區塊鏈技術配套設施逐漸完善，效能也日漸提升。隨著區塊鏈與新基建的不斷結合，區塊鏈技術已成為我國數字經濟戰略發展的關鍵支撐，除了軟體層級的使用外，底層基礎設施與配套硬體已然將成為企業間生態構成與比拼的重要競爭力，後續此方面競爭將日漸激烈。
區塊鏈專利平穩增長，位列全球第一
我國區塊鏈專利發展與技術趨勢
技術演進可從專利角度窺見一二，根據incopat的資料，過去十年期間，我國區塊鏈相關專利申請趨勢呈現穩步上升態勢，區塊鏈專利申請量共計41741條，2017年後上升增幅明顯。其中，2020年相關專利申請量達到十年峰值，達13856條。截止10月20日，今年我國區塊鏈相關專利累計申請量達5755件，雖然相比去年下降明顯，但整體而言仍態勢良好，遠超第二名日本的40件，約佔世界總申請量的90%，位居世界第一。
從技術維度而言，我國區塊鏈專利申請尤其側重區塊鏈安全性與效率的提升，近十年來我國專利均高度聚焦於兩者技術發展，同時，可靠性也成為了區塊鏈研究熱點，而涉及區塊鏈準確性、複雜性與確定性問題相對研究較少，這也與研究熱點的困難度呈現正相關趨勢。2021年也延續了此趨勢，關於安全提升的專利以1369名列第一，效率提高緊隨其後，以1353的略微劣勢次之，申請專利關鍵詞最少的是複雜性降低，僅有342件。
我國區塊鏈專利地域及申請人分佈
從申請省市而言，專利申請地區梯隊化明顯，廣東、北京以其強大的創新優勢名列前茅，佔據絕對優勢，分別以1821、1159件申請量佔2021年申請總量的29.36%與18.69%，浙江、上海、江蘇、長三角區域次之，分別以14.19%、6.06%、4.92%處於第二梯隊，山東、四川、湖北緊隨其後，而東北部地區黑龍江、濟寧等省份相對錶現較弱。
在專利申請人方面，根據incopat資料，截止10月20日，我國區塊鏈專利申請企業前三甲分別為支付寶、平安以及騰訊，專利申請數為595、410、260件，佔據2021專利申請總量的9.59%、6.61%以及4.19%。值得關注的是，與2020年網際網路私營企業主導相比，今年銀行等金融機構發力明顯，申請前十位中，中國銀行與工商銀行均位於其中，分別申請專利131與109件，這與區塊鏈金融領域應用深入有較大相關性。
但儘管如此，我國區塊鏈專利質量仍有待提升，從中美區塊鏈專利被引用數量分佈來看，中國區塊鏈專利被引用次數集中分佈在1-5次，被引用次數在11次及以上的專利佔比10.5%；而美國區塊鏈專利被引用次數雖然也集中在1-5次區間，但被引用次數在11次及以上的專利佔比達21.5%。
小結
從技術發展與演進角度，隨著區塊鏈技術在新基建與數字經濟中的作用逐漸凸顯，區塊鏈產業步入主流發展路線，區塊鏈技術也隨之成為重點突破與探索物件，近年來，我國區塊鏈技術棧已成型並趨於穩定，而區塊鏈中關鍵的六大技術，即共識演算法、智慧合約、密碼學、隱私計算、跨鏈技術以及鏈上鍊下協同技術也穩中有進，均有所創新，涉及的基礎技術也在不斷髮展中，技術配套設施如側重於部署側的軟硬一體機以及與相應結合使用的晶片也逐步嶄露頭角。而從專利申請角度看，申請人範圍穩步拓寬，涉及領域有所增長，銀行、網際網路巨頭、初創企業、行業組織紛紛加入其中，後續區塊鏈技術將會沿著高質量、多維度方向進一步實現創新發展。
