摘要：元宇宙是指以人工智能、扩展现实、区块链三大技术为核心，由诸多共享基础设施、标准和协议打造的数字化宇宙，它构建出一个与现实物理世界相平行的虚拟数字世界，且与现实世界相互融通。作为元宇宙的重要支撑，区块链技术独有的去中心化、去信任的特性，为构建价值互联平台提供了可能。本文首先将区块链技术从具体应用场景中抽象出来，提取出其核心架构，这些架构包含了区块链系统中的三大核心技术：密码学、共识算法、网络。最后，文章介绍了区块链目前的应用现状。

关键词：元宇宙；区块链；密码学；共识算法；网络

1 引言

1992年，美国著名科幻作家尼尔·斯蒂芬森(Neal Stephenson)推出了自己的小说《雪崩(Snow Crash)》。在书中，尼尔·斯蒂芬森描述了一个平行于现实世界的网络世界，并将其命名为“元界”，所有现实世界中的人，在元界中都有一个“网络分身”。这个“元界”，英文原著中叫"Metaverse”。它由Meta和Verse两个词根组成，Meta表示“超越”、“元”，verse表示“宇宙(universe)”，直译为“超越宇宙”，代表了平行于现实世界运行的虚拟空间。由于虚拟世界涉及的内容过于庞大且具有极强的前瞻性，因此元宇宙还没有完备的定义，现在学者们通常把元宇宙凝练为八大特征:身份、社交、沉浸感、低延迟、多元化、随时随地、经济系统和文明。元宇宙是一个浩大的系统工程，涉及通信、金融、硬件、软件、计算视觉、光学等诸多领域。

区块链技术起源于比特币，后者是目前最成功的数字货币。区块链这一概念首次出现在比特币白皮书中，但是该白皮书并未对区块链做出精确定义。虽然近年来区块链的潜力被逐渐挖掘并应用到货币系统之外的诸多领域，但由于其技术本身还不够完善，变体也有很多，所以截至目前依然没有一个确切的定义。现有的成熟区块链系统，如比特币、以太坊等，其顶层应用主要完成价值交换的功能，因此也常将区块链技术称为分布式账本技术。虽然被称为账本技术，但其本质只是一种抽象概念，是一种以区块形式组织成的数据库。理解成特殊形式的数据库后，则可以摆脱金融应用场景的局限性并找到其他适用领域，凡需要全局性、历史性地记录数据的场景都可以使用区块链技术。总体而言，区块链技术是以数据库作为数据存储载体，以 P2P网络作为通信载体，依赖密码学确定所有权和保障隐私，依赖分布式系统共识框架保障一致性，旨在构建价值交换系统的技术。

2 区块链的核心技术

2.1 区块链密码学

区块链对密码学的直接需求主要基于两方面的考虑：确定所属权、保护数据隐私。由于电子数据易于复制，数字形式载体的资产(资产表明蕴含价值的东西)无法像物理形式载体的资产较容易地证明所属权。因此需要使用密码学中的数字签名技术来证明数字资产的所属。区块链系统中的账本由网络各节点共同维护，账本数据公开透明。这些公开的数据记录可能会造成隐私泄露，因此，需要借助密码学相关技术匿名化处理交易信息。除了上述主要的两方面外，一些用于生成随机数的密码学工具，可被用于共识方案。

2.2 区块链共识机制

对基于互联网的分布式系统而言,价值交换长期以来都是构成其运行机理的重要基础，其具体形式随技术发展不断演进，从简单的物物交换、产权更迭扩展到服务交换、信息交换等等，在云计算产业蓬勃繁荣的今天已成为社会生产活动的主要环节之一。由于互联网的匿名性，参与价值交换的双方有时可能存在利用欺诈行为恶意窃取对方价值的倾向，因此，一个能够提供背书的可信第三方(例如电商平台、云服务平台等)是十分必要的，用于高效地见证、监督和维护系统的正确运转。

2.3 区块链网络

区块链中使用了基于互联网的P2P网络架构，如图1所示。P2P网络通常也称对等网络，网络中每个参与节点贡献一部分计算能力、存储能力、网络连接能力。通过网络，这些能力作为共享资源可被其他对等节点直接访问。访问过程中不需要再经过中间实体，所以每个节点既是资源和服务的使用者，又是整个资源和服务的提供者。每个网络节点以“扁平(flat)”的拓扑结构相互连通。整个网络中无特殊地位的节点，每个节点都可对任意对等节点做出响应，提供资源。

图1 区块链网络的节点连接方式

3 区块链的实际应用

3.1 数字货币

在区块链1.0时代，主要的应用对象为货币，实现的常用功能为货币转移、汇兑和支付等。其系统架构可以抽象为图2所示。数据层、网络层、共识层都是区块链技术的基础结构，应用层的抽象表明用于表征货币转移的账户和交易。

图2 数字货币系统架构

3.2 智能合约

区块链2.0以以太坊为代表实现了更复杂的分布式合约记录——智能合约。合约记录在区块链中，一旦满足了合约的触发条件，预定义的代码逻辑能够自主执行，执行后的结果上链不可更改。早在1994年，密码学家Szabo 就提出了“智能合约”的概念。理想状态下的智能合约，可看做一台图灵机，是一段能够按照事先的规则自动执行的程序，不受外界人为干预。但是智能合约的概念提出时缺少可信的执行环境，没有被纳入应用。区块链系统提供去中心化去信任的环境，使得智能合约的概念得以实现。各用户对规则协商一致后创建合约代码，并将该合约代码上链。一旦满足触发条件，合约代码将由矿工按照预设规则执行。区块链2.0系统架构如图3所示。

图3 区块链2.0架构

4 结论

区块链诞生于比特币系统，发展于人们的想象力。本文对区块链技术进行梳理，抛开比特币的光环，更加客观全面地审视这种技术。本文说明了区块链中三种核心技术：对于安全有至关重要作用的密码学原理，对于去中心化不可或缺的共识机制，能够使整个网络运转的纽带P2P网络。此外还介绍了现有的较为成熟的区块链技术的应用。尽管已经吸引了许多目光，现阶段的区块链技术仍处在萌芽阶段，现有平台发展情况良莠不齐，还未形成统一的规范标准，区块链技术的无限潜力还有待我们继续发掘。

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