目前，区块链作为数字经济革命中的重要支撑，正以新一代信息基础设施的姿态快速发展并渗透到我国经济的各个领域，对我国经济社会发展的支撑作用初步显现。但同时，我国区块链也面临核心技术亟待突破、融合应用尚不成熟、产业生态有待完善，监管治理仍待探索等问题。从商业角度，区块链更多关注于模式创新、组织结构创新与治理体系的创新，与现有商业体系融合尚有瓶颈，应用难仍客观存在于产业发展中。在此背景下，为加强大众对于区块链现状的了解，推动我国区块链产业创新发展，陀螺研究院特撰写《2021中国区块链产业发展报告》。

以下内容摘自报告第一章 我国区块链技术发展现状

基础架构逐渐完善，技术加速演进

区块链技术栈构成

从区块链技术角度，区块链（blockchain）是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术，亦可称为分布式账本技术。自中本聪在《比特币:一种点对点的电子现金系统》中首次提到区块链框架，截止至今，区块链已发展了近12年，2021年，我国区块链技术基础架构不断完善，呈现趋于稳定的状态，并逐渐从原有的技术聚焦向应用端不断渗透。

如下图所示，具体而言，目前区块链栈主要分为六个层级，分别为：数据层、网络层、共识层、合约层、系统管理层以及应用层。

物理设施层针对于区块链运行的硬件支撑基础设施，诸如硬件、云平台等，提供算力支持与加密防护。账本层为区块链架构中的关键部分，包含区块成立的结构，涵盖默克尔树、DAG有向无环图以及区块结构等。网络层是链上信息传输的基础，主要包含P2P组网技术、数据验证与传播机制，对于数据的传输方式进行了相应定义。共识层，顾名思义，为节点达成系统一致性，即针对某种提案，多方达成共识的方法，现目前较为主流的包括证明类算法PoW与POS，选举类共识DPoS、Snow white等以及BFT类与混合类算法。合约层相对较为上层，其针对脚本、算法等机制编程从而实现自动运行与定义的智能合约，是应用层的关键技术设施。系统管理层对区块链系统的操作、运营与管理进行了封装，创建了节点的不同角色。应用层为使用主体可触及的应用，服务于个人、企业与政府，包含金融、溯源、司法、存证等多方面的应用。

区块链核心技术发展

层级中包含区块链六大关键技术，主要有：共识算法、智能合约、密码学、隐私计算、跨链技术以及链上链下协同技术。共识算法，主要解决节点一致性问题，在今年，共识算法从原有的单一共识向混合共识不断演进，以适应联盟链场景中丰富的场景变化，国内主流联盟链包括趣链、百度超级链等开始支持RBFT、RAFT等多种共识算法，提供可插拔共识选择。同时，共识机制逐步从可预侧共识向不可预测共识、从常规组网向大规模组网演变，如NoBFT等高效共识算法出现，网络复杂度降低。此外，国际首个完全实用的异步共识算法——小飞象拜占庭容错（DumboBFT）算法出现，进一步提出持续数十年的异步共识难题的解决方法。

在智能合约方面，编程语言开始由小众语言扩展至主流开发语言Java、Js等，涉及solidity复杂度、合约执行等问题也已出现融合Doker和虚拟机如WASM、LibraVM等高效智能合约引擎，呈现出多元化的发展势头。根据中国信通院数据，2020年参与可信链测试的联盟链产品中75%的区块链系统可兼容Go、Java、Nodels等多种合约语言。此外，读写高效的NoSQL数据库成为主流，提升了数据储存的调用效率。

密码学是区块链信息安全的核心技术基石，该领域进展相对较为缓慢，目前较为主流的密码学安全技术包括哈希、公钥密码学诸如数字签名、对称加密以及密钥协商等。同时，隐私计算与密码学技术相辅相成，在过去的二十年里，多方安全计算与同态加密性能提升3-7个数量级，同时，在今年隐私计算技术备受关注，零知识证明与安全多方计算、同态加密等得到进一步发展，从技术角度，隐私保护手段多样化显著增强，除了传统密码学手段外，同态加密、可信执行环境、多方安全技术、零知识证明等门槛也在不断降低，隐私计算的鲁棒性、通用性以及扩展性也在快速的提升。多方安全计算也在逐渐从简单计算向复杂应用转移，同时，安全联合建模与收据授权计算成为近年来研发的热点，可信执行环节成为当下通用隐私计算最为高效的方法。此外，国密算法逐步成为联盟链的标准配置，兼顾通信效率与中心化程度的混合型网络出现。

在跨链技术方面，跨链技术是区块链实现互联互通、提升可扩展性的重要手段，总体处于探索阶段，未有大规模应用，应用前景广阔。目前跨链技术的典型代表有公证人机制、侧链/中继链机制以及哈希锁定机制。在扩展技术方面，可扩展性增加，以分片机制、闪电网络、状态通道以及DAG为代表的一系列的技术发展逐步完善。分片在今年关注度颇高，以太坊通过Rollups与分片技术完成了升级与扩容，极大的提升了公链性能。

而针对链上链下协同而言，围绕安全、可扩展性以及去中心化形成的区块链不可能三角成为近年来的研究热点，但当前的技术研究主要针对某类问题，例如提高性能和计算能力的侧链和状态通道，提高数据储存能力以及隐私保护能力的链下存储和链下计算。后续主要研究内容方向则主要包括高性能P2P网络，模块化安全密码学协议、可编程计算引擎等等。整体而言，链上链下协同技术仍处于初期阶段，但在应用层互操作性层面，Restful、RPC等方式已逐步运用于上层链与底层链之间的耦合联系。

技术配套设施涌现，性能不断提升

而在配套设施方面，得益于技术水平的的不断提升，区块链产业发展迈入快车道，与技术供给相适应、围绕区块链的技术配套设备也开始涌现，尤其体现在硬件配套层面。今年，区块链软硬一体机发展迅速。软硬一体即可通过部署硬件产品等便捷的操作方法直接接入区块链，实现上链操作。目前，蚂蚁链、趣链、纸贵科技、众享比特、北信源等纷纷推出了各自的区块链软硬一体机，通过软硬件的集中部署，提升上链操作的简易度以及上链数据的安全性。以蚂蚁链一体机为例，在蚂蚁链一体机内部，区块链密码卡、安全计算硬件和网络共识加速器构成了核心“三大件”，其中自研密码卡获得国家最高安全等级产品认证，安全计算硬件通过国家 CFCA 认证，能够在多种应用环境中确保密钥使用的安全性。在此前全球产业区块链峰会，蚂蚁集团联合中国信息通信研究院正式启动区块链一体机国际标准，围绕一体机硬件以及软件技术、架构层次、安全要求等作出规范，填补了区块链一体机国际标准的空白。

同时，区块链芯片获得重大进展。今年6月，“长安链”发布全球首款96核区块链专用加速芯片。以芯片为核心打造的超高性能区块链专用加速板卡，可将区块链数字签名、验签速度提升20倍，区块链转账类智能合约处理速度提升50倍，可为突破大规模区块链网络交易性能瓶颈提供硬科技支撑。芯片具有的强数据隐私保护能力，也为数据隐私保护提供了强有力的解决方案。此外，近日，中国信通院联合中国移动集团和溪塔科技推出了两款区块链专用芯片星火 S1和星火T1，芯片是为联盟链适配的硬件基础设施，星火S1主打区块链密钥安全存储解决方案，T1则为物联网设备ID安全芯片，提供可信数据采集、存储、流通等数据全生命周期管理的能力。

总体而言，产业区块链的快速发展掀起了技术演进的浪潮，近年来，区块链技术配套设施逐渐完善，性能也日渐提升。随着区块链与新基建的不断结合，区块链技术已成为我国数字经济战略发展的关键支撑，除了软件层级的使用外，底层基础设施与配套硬件已然将成为企业间生态构成与比拼的重要竞争力，后续此方面竞争将日渐激烈。

区块链专利平稳增长，位列全球第一

我国区块链专利发展与技术趋势

技术演进可从专利角度窥见一二，根据incopat的数据，过去十年期间，我国区块链相关专利申请趋势呈现稳步上升态势，区块链专利申请量共计41741条，2017年后上升增幅明显。其中，2020年相关专利申请量达到十年峰值，达13856条。截止10月20日，今年我国区块链相关专利累计申请量达5755件，虽然相比去年下降明显，但整体而言仍态势良好，远超第二名日本的40件，约占世界总申请量的90%，位居世界第一。

从技术维度而言，我国区块链专利申请尤其侧重区块链安全性与效率的提升，近十年来我国专利均高度聚焦于两者技术发展，同时，可靠性也成为了区块链研究热点，而涉及区块链准确性、复杂性与确定性问题相对研究较少，这也与研究热点的困难度呈现正相关趋势。2021年也延续了此趋势，关于安全提升的专利以1369名列第一，效率提高紧随其后，以1353的略微劣势次之，申请专利关键词最少的是复杂性降低，仅有342件。

我国区块链专利地域及申请人分布

从申请省市而言，专利申请地区梯队化明显，广东、北京以其强大的创新优势名列前茅，占据绝对优势，分别以1821、1159件申请量占2021年申请总量的29.36%与18.69%，浙江、上海、江苏、长三角区域次之，分别以14.19%、6.06%、4.92%处于第二梯队，山东、四川、湖北紧随其后，而东北部地区黑龙江、济宁等省份相对表现较弱。

在专利申请人方面，根据incopat数据，截止10月20日，我国区块链专利申请企业前三甲分别为支付宝、平安以及腾讯，专利申请数为595、410、260件，占据2021专利申请总量的9.59%、6.61%以及4.19%。值得关注的是，与2020年互联网私营企业主导相比，今年银行等金融机构发力明显，申请前十位中，中国银行与工商银行均位于其中，分别申请专利131与109件，这与区块链金融领域应用深入有较大相关性。

但尽管如此，我国区块链专利质量仍有待提升，从中美区块链专利被引用数量分布来看，中国区块链专利被引用次数集中分布在1-5次，被引用次数在11次及以上的专利占比10.5%；而美国区块链专利被引用次数虽然也集中在1-5次区间，但被引用次数在11次及以上的专利占比达21.5%。

小结

从技术发展与演进角度，随着区块链技术在新基建与数字经济中的作用逐渐凸显，区块链产业步入主流发展路线，区块链技术也随之成为重点突破与探索对象，近年来，我国区块链技术栈已成型并趋于稳定，而区块链中关键的六大技术，即共识算法、智能合约、密码学、隐私计算、跨链技术以及链上链下协同技术也稳中有进，均有所创新，涉及的基础技术也在不断发展中，技术配套设施如侧重于部署侧的软硬一体机以及与相应结合使用的芯片也逐步崭露头角。而从专利申请角度看，申请人范围稳步拓宽，涉及领域有所增长，银行、互联网巨头、初创企业、行业组织纷纷加入其中，后续区块链技术将会沿着高质量、多维度方向进一步实现创新发展。