区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，代表分布式数据库的一种新的发展趋势，即基于分布式账本的去中心化的数据库。

数据库技术产生于20世纪60年代末70年代初，其主要目的是有效地管理和存取大量的数据资源。数据库技术主要研究如何存储，使用和管理数据。数据库技术和计算机网络技术的相互渗透、相互促进，于是出现了分布式数据库。分布式数据库利用计算机网络将物理上分散的多个数据库单元连接起来组成一个逻辑上统一的数据库，这是数据库技术发展过程中的第一次去中心化。这种去中心化的数据库克服了物理中心（集中式）数据库的弱点，降低数据传送代价，提高系统可靠性，便于系统的扩充。

随着计算机技术的飞速发展，数据库的应用十分广泛，深入到各个领域，但随之而来产生了数据的安全问题。各种应用系统的数据库中大量数据的安全问题、敏感数据的防窃取和防篡改问题，越来越引起人们的高度重视。如何有效地保证数据库系统的安全，实现数据的完整性和有效性，已经成为业界人士探索研究的重要课题之一。

为了便于理解，在此介绍一个来自现实世界并且从根本上依赖于数据完整性的案例，即指数型降雨保险。近些年，为了部分弥补由于农作物欠收给农民造成的经济损失，保险公司为农民提供一种创新的保险模式-如果在某个季节里没有足够的降雨量来保证获得丰收，保险公司将向投保的农民支付一笔赔偿金。该模式依赖于当地的物联网气象站的数据，这些数据决定了公司是否应当向农民支付补偿金。物联网气象数据的运用改变了保险公司对作物的索赔进行核查和以人工方式解决每一个农民的索赔的传统业务模式，显著降低保险公司的业务成本且避免容易出错的人为因素。然而，在这种模式下，气象数据成为唯一能决定甲方（保险公司）是否需要向乙方（投保人）支付赔偿的依据；这就刺激了双方篡改数据，使数据偏向己方。这个例子展示了数据的完整性及其重要作用。对于保险公司来说，作为数据库的实际控制方，通过直接访问数据库，就能够轻易地篡改气象数据。农民（投保人）也可能通过黑客进入数据库，或者贿赂保险公司内部人士（特别是数据库管理员）协助他们更改数据。

传统的分布式数据库架构下，数据的添加、修改、维护或删除的权力仍然集中在数据库所有者（管理中心）手中，由所有者雇佣的数据库管理员执行具体操作，数据完整性和有效性由数据库所有者的信用来担保。例如银行的数据库中存储着每一位客户的账户资料，客户的所有账户信息包括姓名、存款数额和存取记录对应于银行数据库中存储的相关数据。在纸质存折或储蓄本时代，客户的存款和每一笔交易都会记录和打印在纸质存折上面；如果银行数据库的数据被篡改，客户还可以凭借纸质存折与银行当面对质。到了IC卡时代，银行的数据库提供上述信息唯一的记录，客户只好相信银行计算机系统的防火墙足够强大而不会被黑客侵入，银行员工尤其是数据库管理员优秀的职业道德和银行严格的管理制度，并且银行本身不会恶意侵吞客户的财产。交易和业务能否顺利开展完全取决于客户对银行的信任度。遗憾的是，本世纪初的金融危机过程中，不少信誉卓著的大银行、知名金融机构、跨国公司甚至著名会计师事务所被爆出数据造假，陷入信用危机。从信息时代向大数据时代过渡的阶段，我们比以往任何时候都更依赖于自动化的海量数据，数据被破坏的的代价将会非常昂贵，甚至致命。

基于信任的数据（库）管理方式产生的巨大金融和法律风险，促使分布式数据库继续朝着数据管理去中心化的方向演进，把原本集中在数据库所有者和数据库管理员一方的数据添加、修改、存储和维护的权力分散到广大用户手中，由此在爆发金融危机的2008年诞生了区块链技术。通过将数据以一种分布式无需信任的方式存储在网络节点之间来保证数据完整性，即在通过计算机网络相互连接的集群中的每一位用户的电脑上都有一个副本。这就降低了单个网络节点故障和人为篡改对数据完整性和安全性造成的威胁。在以区块链为基础的分布式账本数据库环境中，没有人能够在更改原始数据之后，不被网络上其他用户看见并发现更改后的数据与他们手中的副本不相匹配。

可能某些读者曾经存在这样的误解，即区块链就是比特币。其实以比特币为代表的加密数字货币只是区块链技术的一个应用方向，底层的区块链技术可以支持的业务（包括但不限于会计、流程管理、合同管理、数据安全、物流和电子商务等领域）远远不止数字货币。阿里巴巴在区块链的研发和其他大型电子商务公司(如沃尔玛和联合利华)投入巨资，与科技巨头IBM合作，进入区块链领域。之所以区块链会被首先应用到数字货币之中，与上世纪末随计算机网络技术兴起的电子商务热潮密不可分。电子商务的定义是建立在基于通信线路的电子信息交换基础上的商业交易方式。上世界九十年代，开展电子商务的一个最迫切的需求就是发展一套安全高效的电子支付系统以支持电子交易业务。

研究人员发现，已有的多种电子支付系统包括数字支票、银行借记卡、信用卡和储值卡，在保证安全性的前提下都不具有现金的重要特性（匿名和不可追踪），于是提出了电子现金的概念。其原因在于，基于传统电子支付系统的网上交易的安全性建立在银行对数据的掌控和银行信用的基础上；银行通过其管理的数据库掌控的客户信息数据破坏匿名性，数据库中记录的每一笔交易的信息数据（即交易双方的信息及资金流向）破坏不可追踪性。

对纸币来说，纸币的持有者就是其合法拥有者，交易通过纸币自身的转移即可完成。对数字货币来说则复杂得多，因为电子现金或数字货币从本质上讲就是记录在存储介质里的数据，任何数字物品（计算机存储的文件和数据）都是可以被复制的，因而无法通过发送电子内容来完成价值的转移。持有人甚至可以将同一份电子货币发给多个人，这种行为被称为“双重支付（Double-Spending）”。因此，电子现金系统需要额外的机制即交易记录来证明或确定谁是电子现金的合法拥有者。银行数据库保存客户存款取款或转账等交易的记录，与电子现金的交易记录相对应的数据必然被保存在某个数据库中。这就是电子现金或数字货币系统与数据库的本质联系，或者说电子现金系统建立在交易记录数据库的基础上。鉴于前述电子支付系统必须依靠一个由银行金融系统管理与掌控的数据库的运转模式牺牲掉客户匿名性和交易不可追踪性，且现实世界中以纸质现金完成的交易并不需要银行等金融机构的参与，从数据库管理的角度去中心化就成为电子现金系统的必然选择。由于以分布式账本为特征的区块链就是针对数据库管理的去中心化，电子现金因而成为区块链技术的第一个应用，出现了第一种广为人知的电子现金系统比特币，使得在线支付能够直接由一方发起并支付给另外一方，中间不需要通过任何的金融机构。

由于区块链技术广泛的应用前景，众多互联网科技公司和电子商务公司都积极布局区块链领域，包括专利的布局。近日，具有全球影响力的知识产权媒体IPRdaily联合incoPat创新指数研究中心发布了“2017全球区块链企业专利排行榜（前100名）”，数据范围为2017年全球公开公告的专利数量，包括发明申请、实用新型、外观设计专利。数据提取时间范围为2017年1月1日至2017年12月31日。报告对2017年全球区块链业务企业专利数量进行排名（未做申请人合并）；在前100名中，中国入榜的企业占比49%，其次为美国占比33%；阿里巴巴排名第一，美国银行排名第二，中国人民银行数字货币研究所排名第三。中国人民银行下属的数字货币研究所与印制科学技术研究所申请的专利加起来甚至超过排名第一的阿里巴巴，由此可见中国人民银行对区块链技术的重视程度。

从以上表格可以看出，各企业在区块链领域的专利申请在2017年呈现爆发式增长，该年度的申请量超过总申请量的85%；排名前6的公司基本属于银行、金融和电子商务企业；我国企业在区块链专利的布局具有全球领先地位。区块链领域的专利申请及未来的技术发展方向大致分为：

（1）、基于区块链技术的应用和商业模式创新方向

如前所述，区块链技术实质上就是分布账本式数据库，而数据库的应用已经十分广泛并深入到国民经济和社会生活的各个领域，现在任何政府机构或企事业单位的日常运作都离不开基于数据库技术、用于支持其办公自动化/无纸化及内部管理的办公软件系统。很多涉及数据（在无纸化办公环境中所有文件都被转换成计算机中存储的数据）或数据库的传统业务和商业模式都可以通过引入区块链技术克服其原有的缺陷或不足。

比如，区块链技术因其具备的去中心化、信息不可篡改性等特点，越来越受到金融、保险等领域企业的青睐；尤其是运用区块链技术实现多方参与的交易事件（转账交易、支付交易等事件）越来越成为人们关注的焦点。最近两年，多个基于区块链的交易方法及系统技术方案申请发明专利并获得授权。电子合同的高效便捷能够为交易双方节约大量的时间、精力和金钱。但是，电子合同的签定通常离不开交易双方共同信任的协助签署合同的第三方机构。基于区块链的电子现金系统能够使比特币交易绕过双方信任的银行金融机构，区块链技术同样可能帮助甲方乙方在没有第三方机构协助的条件下直接签订电子合同。区块链技术具有信息公开、共识信任机制的特点，是解决互联网金融困境的法宝。可以根据区块链技术的特点和互联网金融的业务模式，探索区块链技术实现数字货币、网络支付、股权众筹、网络征信的全新业务模式。

总之，区块链与传统行业、人工智能、金融、大数据等方面的结合，可能为人们带来巨大的技术变革，解决经济、实业、政府与社会等更加广阔的领域的问题，主要应用场景可能包括存在性证明、智能合约、供应链、身份验证、资产交易、预测市场、电子商务、物流、物联网、文件存储、医疗以及知识产权管理等。

（2）、区块链技术本身安全性的提升方向

区块链中数字签名签在交易信息的散列值上，即数字签名确认的是散列值的真实性，而非交易信息本身。向同一个散列函数输入不同的交易信息字符串有可能得到同样的散列值，发生输入域冲突，这是基于哈希编码的数据压缩存储方法固有的缺陷。此缺陷可能被不诚实的交易方所利用，以否定交易的发生。在比特币等电子现金交易中，不诚实的交易方通过否定交易的发生可以将已经交付的比特币无偿收回。因此，密码学领域的研究人员仍然会继续寻找输入域冲突概率更低的散列函数和编码加密方法。

区块链/比特币的安全性建立在诚实的网络节点所控制的计算能力的总和大于有合作关系的攻击者的计算能力的总和基础上。具体而言，所有的网络节点都通过运算不断制造新的区块，系统根据网络内计算机的运算能力调整运算的复杂度，以保证产生一个新区块的时间大约为10分钟。通过数据压缩编码方法在新区块中嵌入原有区块的信息形成区块链。区块链系统的规则是记录比特币的历次交易的区块链中，链条最长即区块数量最多的区块链被认为记录着真实的交易数据。因此，如果攻击者生成的包含虚假交易记录的区块链长度赶上甚至超过诚实节点生成的区块链的长度，各网络节点将被虚假交易信息所欺骗。

在比特币市场参与者都使用个人电脑的前提下，诚实网络节点计算能力的总和大于攻击者计算能力的总和这一假设能够成立。但是比特币的设计者可能没有预见到专用ASIC芯片的出现和以云计算为标志的大规模并行计算技术的成熟和应用。个人电脑属于通用型计算机系统，通用计算机是可编程的，不同程序可实现不同的应用，在多任务操作系统协调与调度算法控制下，同时运行多个应用程序。专用ASIC芯片以纯硬件方式运行，免除程序从硬盘到内存的读取调用过程（硬盘的读取浪费大量时间），只执行单个特定应用且必然针对此特定应用从运算部件的角度做了优化。故而，专用ASIC芯片在执行特定应用的条件下通常比通用型计算机系统更高效，即运算速度更快。因此，现在投资者制造比特币都不再使用普通个人电脑而是基于专用ASIC芯片的挖矿机。大规模并行处理计算机是指由大量处理单元（数百至数万，甚至更多）构成的一种并行处理系统。目前，巨型机的运算速度可达每秒几百亿次运算，大规模并行处理的计算机将是巨型计算机的重要发展方向。云计算是并行计算的一种形式，或者说是高性能计算和超级计算的一种。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入云计算中心，按自己的需求租用云计算中心的资源进行运算。云计算甚至可以让用户体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。专用ASIC芯片和大规模并行计算技术为攻击者在计算能力上超越诚实网络节点创造了可能。因此，有必要从技术方案的角度改进区块链以进一步提升其安全性。

（3）、区块链技术用户匿名性和交易不可追踪性的弱化方向

区块链技术的第一个应用是比特币，其技术方案充分满足电子现金对用户匿名性和交易不可追踪性的要求。即便在早于比特币出现十年之前的上世纪末，电子现金的研究人员就已经意识到用户匿名性和交易不可追踪性产生的潜在风险：增大发现和打击制造伪币、洗钱及偷漏税款等犯罪行为的难度；而且电子现金为已有的犯罪型式（绑票和敲诈勒索）提供了新的操作手段，现在罪犯们可以坐在家里的电脑前以一种安全的方式收取其犯罪所得。比特币的出现不幸地验证了研究人员的预言，2017年比特币敲诈病毒在国内外爆发式传播，100多个国家超过十万台电脑遭受侵害。该病毒通过远程加密用户电脑文件，从而向用户勒索赎金（只收比特币），用户文件只能在支付赎金后才能打开。比特币的匿名性也导致近年发生的多起欺诈交易和黑客窃取比特币事件，由于无法查明犯罪分子的真实身份而难以通过法律途径将其绳之以法并追回受害者的财产。

鉴于以比特币为代表的电子现金存在上述风险，我国政府与国际主流国家保持着基本一致的严格监管数字货币（电子现金）的政策，不承认比特币的支付属性，只认可比特币作为一种高风险的投资品存在。只有当监管机构可以真正很好地掌控电子现金流向，消除电子现金对外汇管制、反洗钱、反犯罪融资等领域造成的冲击之时，电子现金才有可能走入普通大众，变成常规的投资品。因此，有必要对尤其是应用于电子支付领域的区块链技术进行改造，在匿名性和不可追踪性与可监管性之间达到某种折衷与平衡。事实上，早在上世纪末，电子现金的研究人员就提出对大额交易及一段时间内过于频繁的交易实现可追踪性。

中国人民银行已经成立了课题组和数字货币研究所，正在探索主权货币数字化，主导推出我国主权数字货币。从央行的角度来看，发行数字货币可以降低传统纸币发行、流通的高昂成本，提升经济交易活动的便利性和透明度，减少洗钱、逃漏税等违法犯罪行为，提升央行对货币供给和货币流通的控制力，更好地支持经济和社会发展，助力普惠金融的全面实现等等。行长周小川曾阐述央行发行数字货币的原则，要求做到保护隐私与维护社会秩序、打击违法犯罪行为的平衡，尤其针对洗钱、恐怖主义等犯罪行为要保留必要的遏制手段。由此可知，央行数字货币研究所的研究人员设计的主权数字货币，应该会在保持一定的用户匿名性条件下确保政府和央行对资金流向的监管，解决电子现金交易中的欺诈盗窃犯罪受害人维权困难问题。

区块链技术作为分布式数据库的一个发展方向，以分布式账本实现数据管理的去中心化，不需要额外第三方中介机构，在数字货币、资产管理、金融、征信、物联网、经济贸易结算等众多领域都拥有广泛的应用前景，以区块链技术为基础对现有商业模式进行创新将是专利申请和布局的重要方向。区块链技术自身尚处于快速发展的初级阶段，现有区块链系统在设计和实现中涉及分布式系统、密码学、博弈论、网络协议等诸多学科。目前，多个国家的央行都在筹备本国的主权数字货币，主权数字货币及其底层的区块链技术必然朝着有利于央行对资金流向的监控要求方向发展，改变基于区块链的交易无法追踪的现状。鉴于前述诸多应用方向对于安全性的苛刻要求，领军企业应该从密码学、网络协议、软件设计等领域改进现有技术，提升系统安全性，布局区块链的基础专利、核心专利和外围专利，从而尽量占领区块链技术高端。