區(qū)塊鏈再造傳統(tǒng)金融 課件 ch01區(qū)塊鏈基本原理

區(qū)塊鏈基本原理全國區(qū)塊鏈應(yīng)用創(chuàng)新人才培訓(xùn)指定用書

“區(qū)塊鏈+”應(yīng)用叢書區(qū)塊鏈再造傳統(tǒng)金融第一章01對區(qū)塊鏈概念的界定對區(qū)塊鏈概念的界定維基百科這樣解釋區(qū)塊鏈：Blockchain或BlockChain是借由密碼學(xué)串接并保護內(nèi)容的串聯(lián)文字記錄（又稱區(qū)塊）.每個區(qū)塊包含了前一個區(qū)塊的加密散列、相應(yīng)時間戳記及交易數(shù)據(jù)（通常用默克爾樹算法計算的散列值表示），這樣的設(shè)計使區(qū)塊內(nèi)容具有難以篡改的特性。用區(qū)塊鏈技術(shù)所串接的分布式賬本能讓交易兩方有效記錄交易，且可永久查驗此交易。對區(qū)塊鏈概念的界定百度百科這樣解釋區(qū)塊鏈：區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€信息技術(shù)領(lǐng)域的術(shù)語。從本質(zhì)上講，它是一個共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征?；谶@些特征，區(qū)塊鏈技術(shù)奠定了堅實的信任基礎(chǔ)，創(chuàng)造了可靠的合作機制，具有廣闊的運用前景。對區(qū)塊鏈技術(shù)的狹義解釋，強調(diào)以Hash指針保障數(shù)據(jù)防篡改，是以區(qū)塊形式進行永久存儲的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但從應(yīng)用意義上來看，區(qū)塊鏈其實是一種建立可信協(xié)作關(guān)系的分布式計算架構(gòu)。我們需要重新理解多方協(xié)作問題。協(xié)作是指在目標(biāo)實施過程中，部門與部門之間、個人與個人之間的協(xié)調(diào)與配合。協(xié)作過程需要目標(biāo)直接參與方的配合，需要協(xié)調(diào)方的參與、資源調(diào)度和任務(wù)見證。所以無論是中心化系統(tǒng)還是分布式系統(tǒng)，要實現(xiàn)一個業(yè)務(wù)目標(biāo)，都需要相互配合和協(xié)調(diào)工作。對區(qū)塊鏈概念的界定中心化協(xié)作機制：常見的電商、支付系統(tǒng)也都與此類似。這種中心化的協(xié)調(diào)機制，是以流程控制為中心的，協(xié)調(diào)流程必須在一個可信的第三方中心化的協(xié)調(diào)系統(tǒng)中才能安全、有效運轉(zhuǎn)。對區(qū)塊鏈概念的界定在分布式協(xié)作模型中，共識協(xié)議已經(jīng)被分布式地部署在協(xié)作方內(nèi)，雖然依然存在協(xié)調(diào)工作，但已經(jīng)沒有中心化的協(xié)調(diào)系統(tǒng)。點對點的資金交易，需要用分布式共識協(xié)議保障轉(zhuǎn)賬中的協(xié)調(diào)工作，還要靠密碼學(xué)控制多方狀態(tài)，所以這里的資金必須是數(shù)字加密貨幣才能實現(xiàn)。02分布式記賬分布式記賬是區(qū)塊鏈應(yīng)用的典型特征，有些地方也把分布式賬本技術(shù)作為區(qū)塊鏈技術(shù)的代名詞。例如，中國人民銀行2020年2月正式發(fā)布的《金融分布式賬本技術(shù)安全規(guī)范》就用分布式賬本技術(shù)替代了對區(qū)塊鏈技術(shù)的稱呼，可見分布式記賬在區(qū)塊鏈技術(shù)中所占的比重和地位。分布式記賬為金融業(yè)務(wù)開展提供了一種全新的解決思路。分布式記賬分布式記賬中心化記賬和分布式記賬傳統(tǒng)金融業(yè)務(wù)的記賬過程，總是需要通過第三方（協(xié)調(diào)方/仲裁方/見證方）進行記賬或統(tǒng)一清結(jié)算。例如，銀行賬戶行內(nèi)轉(zhuǎn)賬交易需要銀行賬務(wù)系統(tǒng)作為統(tǒng)一記賬方，處理賬戶余額變化；跨行轉(zhuǎn)賬需要央行清算系統(tǒng)，包括大小額、超級網(wǎng)銀、銀聯(lián)和網(wǎng)聯(lián)等第三方可信機構(gòu)完成統(tǒng)一記賬和清算。中心化記賬模式的優(yōu)點是高效，由于不用考慮其他參與方的記賬意見，所以記賬速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；但缺點是過度依賴第三方。中心化記賬模式是建立在高可信的、穩(wěn)固的交易關(guān)系中的，如商業(yè)銀行、支付機構(gòu)和央行的關(guān)系，欠缺商業(yè)靈活性和場景化的服務(wù)支撐。而分布式記賬是在沒有第三方協(xié)調(diào)機構(gòu)的支持下，同樣能實現(xiàn)安全、公正的交易，由于不需要穩(wěn)固的可信任關(guān)系，因此可以場景化地建立靈活的商業(yè)協(xié)作模式，激發(fā)商業(yè)創(chuàng)造性。但因為交易安全和真正性保障是建立在點對點的交易協(xié)議中的，所以分布式記賬的交易性能不如中心化記賬。分布式記賬分布式記賬什么是分布式賬本分布式賬本其實就是將這套客戶-賬戶-賬本模型結(jié)構(gòu)，在分布式節(jié)點中復(fù)制，利用區(qū)塊鏈共識協(xié)議，保障復(fù)制后賬本狀態(tài)的一致性。賬本數(shù)據(jù)的變化是由交易確認完成觸發(fā)更新的，不同的賬本模型更新的方式也不一致。分布式記賬的原理無論是中心化記賬，還是分布式記賬，本質(zhì)上都需要一個記賬人（節(jié)點），只是在中心化記賬節(jié)點中記賬人是第三方協(xié)調(diào)機構(gòu)，而且記賬人是固定不變的。在中心化記賬中，所有參與方都以記賬人的統(tǒng)一賬本為準(zhǔn)。如果出現(xiàn)各自私有賬本和統(tǒng)一賬本不一致的現(xiàn)象，一般采用線下稽核和申訴的方式，就交易流程而言都以記賬人賬本為準(zhǔn)。分布式記賬分布式記賬如何避免“雙花”問題它是指雙重支付問題，意思是如果你有一筆錢，可以利用付款到收款的時間差，同時發(fā)起多筆支付交易，實現(xiàn)一筆錢花多次的現(xiàn)象。“雙花”問題其實是個業(yè)務(wù)問題，在紙幣現(xiàn)金時代，顯然不會出現(xiàn)這種問題，現(xiàn)金在付款方和收款方之間都是獨占的，不會出現(xiàn)中間狀態(tài)。但進入電子支付時代后，這個問題就成為電子支付系統(tǒng)、銀行賬務(wù)系統(tǒng)必須面對的問題。當(dāng)然，在中心化賬務(wù)系統(tǒng)中，解決“雙花”問題，辦法很簡單，通過對余額賬戶加鎖和交易的事務(wù)控制，就可以避免“雙花”問題。在中心化支付賬務(wù)系統(tǒng)中，出現(xiàn)“雙花”問題的概率極低，如果出現(xiàn)，則屬于系統(tǒng)漏洞。分布式記賬分布式記賬分布式記賬的擴展應(yīng)用在移動支付和免密小額支付非常發(fā)達的今天，我們每個月打開多達上百條的各類電商訂單記錄、第三方支付記錄和銀行信用卡賬單記錄，如果一一核對資金交易的準(zhǔn)確性，其實是一件很難完成的事情。而電商、第三方支付公司和銀行都只關(guān)心自己的賬單是否清楚，所以異構(gòu)多方一致性賬本在當(dāng)下就顯得尤為重要。在電商交易的過程中，往往涉及電商、支付機構(gòu)、清結(jié)算機構(gòu)、銀行等多方實體在訂單、結(jié)算單和銀行信用卡賬單的多方協(xié)作工作。為保障記賬自動化一致性，在每次單一實體記賬的過程中，都需要做異構(gòu)多方一致性賬本的狀態(tài)一致性自動驗證。03共識機制構(gòu)建機器信任時代所有真實性節(jié)點的決策必定相同。一致性所有真實節(jié)點在有限的時間內(nèi)接受決策過程。可終止性選擇出的決策值必須是某個節(jié)點的輸入值。有效性共識機制構(gòu)建機器信任時代共識機制構(gòu)建機器信任時代分布式共識構(gòu)建機器信任時代在分布式共識中提及最多的名詞是“投票”。這里的投票其實和我們?nèi)粘Ｉ罾斫獾娜斯ね镀庇泻艽髤^(qū)別。分布式共識中的“投票”是建立在機器規(guī)則和機器語言之上的利用分布式協(xié)議實現(xiàn)的自動化投票。在區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缰?，業(yè)務(wù)決策模型的安全性通常是由協(xié)議層代碼提供保障的，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的參與實體（機器），一旦加入網(wǎng)絡(luò)就需要按照預(yù)訂協(xié)議規(guī)則強制執(zhí)行協(xié)議內(nèi)容，不存在人為控制和干預(yù)（共識協(xié)議保障）。共識機制構(gòu)建機器信任時代分布式共識構(gòu)建機器信任時代在傳統(tǒng)中心化決策系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)決策模型由業(yè)務(wù)規(guī)則保障，而非由交互協(xié)議保障。兩者區(qū)別在于中心化決策系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)則是可以隨時變更的，執(zhí)行過程也不透明，而交互協(xié)議則無法修改，如果不認可該協(xié)議，只能選擇退出網(wǎng)絡(luò)。基于分布式的共識交互協(xié)議是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，也是組建網(wǎng)絡(luò)的前提。它在區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绲牡匚幌喈?dāng)于《五月花號公約》。共識機制構(gòu)建機器信任時代分布式共識構(gòu)建機器信任時代在現(xiàn)實社會中，分布式共識有什么實踐意義嗎？在中心化系統(tǒng)（平臺）中，協(xié)作的基礎(chǔ)是流程控制、人工干預(yù)；在分布式系統(tǒng)中，協(xié)作的基礎(chǔ)是共識協(xié)議、機器自動執(zhí)行。分布式共識是建立在機器間協(xié)作需求基礎(chǔ)之上的，用機器自治代替人治的技術(shù)實踐，是建立機器協(xié)作的基礎(chǔ)設(shè)施。04數(shù)據(jù)難以篡改實現(xiàn)可信時代區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的交易數(shù)據(jù)被存儲在區(qū)塊中，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，而將每個區(qū)塊鏈接起來的是哈希指針。哈希指針是采用哈希算法將上一個區(qū)塊頭數(shù)據(jù)進行哈希計算后，存入當(dāng)前區(qū)塊，依次類推，形成一條由哈希指針關(guān)聯(lián)起來的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)難以篡改實現(xiàn)可信時代如何實現(xiàn)防篡改為什么區(qū)塊鏈要用這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保管數(shù)據(jù)呢？這是因為區(qū)塊鏈處于一個更加開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，交易的安全性和數(shù)據(jù)的防篡改性是整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心。目前，銀行系統(tǒng)交易安全主要依靠平臺安全、網(wǎng)絡(luò)安全、權(quán)限控制和操作日志稽核等第三方安全手段，而在開放式的交易網(wǎng)絡(luò)中這些手段是無法使用的。區(qū)塊鏈的安全設(shè)計需要從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入手，利用數(shù)據(jù)自身的結(jié)構(gòu)保障數(shù)據(jù)安全，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價值也在于此。數(shù)據(jù)難以篡改實現(xiàn)可信時代05智能合約帶來可編程化社會協(xié)議代碼化并不是新鮮事物我們可以設(shè)想一下這個場景：我們在信用卡還款逾期后，信用卡賬務(wù)中心會依據(jù)逾期時間收取利息。這就是一個典型的協(xié)議代碼化的應(yīng)用。我們在銀行辦理信用卡的時候會和銀行簽署信用卡開卡使用協(xié)議。信用卡透支消費、償還期限和逾期利息等權(quán)責(zé)都被數(shù)字化、代碼到信用卡中心的賬務(wù)系統(tǒng)中，賬務(wù)系統(tǒng)按照預(yù)訂規(guī)則，自動記賬、銷賬、扣款。但這種類型的協(xié)議代碼化應(yīng)用必須在可信的中心化第三方運營的平臺上運行，如銀行、支付機構(gòu)、清算機構(gòu)等。在分布式環(huán)境下實現(xiàn)協(xié)議代碼，就要復(fù)雜許多。智能合約帶來可編程化社會智能合約帶來可編程化社會區(qū)塊鏈智能合約的技術(shù)原理（二）什么是虛擬機虛擬機是指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)。虛擬機為高級語言編寫智能合約提供了一個跨平臺的解釋和執(zhí)行系統(tǒng)。JVM把Java語言與具體的機器語言隔開，實現(xiàn)跨平臺和操作系統(tǒng)的運行。智能合約中的虛擬機一般是經(jīng)過定制或者裁剪的，因為區(qū)塊鏈的交易更關(guān)注代碼運行的安全和效率。智能合約帶來可編程化社會區(qū)塊鏈智能合約的技術(shù)原理（三）智能合約的運行過程對于一個圖靈完備的智能合約來說，需要依托開發(fā)環(huán)境，開發(fā)和發(fā)布一套自己的智能合約，并且通過P2P網(wǎng)絡(luò)將合約代碼以交易的方式擴散到其他節(jié)點并存入?yún)^(qū)塊鏈中。在滿足某種條件或者人工調(diào)用后，通過合約地址讀取鏈上代碼并在本地EVM中自動執(zhí)行。（三）下一代智能合約實現(xiàn)可編程的可信商業(yè)協(xié)作環(huán)境以太坊智能合約雖然實現(xiàn)了圖靈完備，但由于賬戶余額模型具有天然的貨幣屬性，使當(dāng)前智能合約的應(yīng)用主要還是在數(shù)字貨幣圈，后續(xù)的公鏈項目大多數(shù)也是受此限制陷入了內(nèi)部鏈、圈子鏈。目前，下一代的智能合約還沒有明確定義，不過就區(qū)塊鏈智能合約在數(shù)字金融領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的公開、透明、安全和點對點業(yè)務(wù)交易的能力來看，有理由相信，智能合約在構(gòu)建多元可信商業(yè)協(xié)作環(huán)境中將發(fā)揮重要作用。智能合約帶來可編程化社會06非對稱加密算法實現(xiàn)開放環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全非對稱加密算法是相對于單密鑰的對稱加密算法而言的，實行的是雙密鑰機制。雙密鑰即公鑰和私鑰。公私鑰成對出現(xiàn)，因為私鑰可以生成公鑰，但公鑰不能反推導(dǎo)出私鑰，所以公鑰被視為一種身份，可以全網(wǎng)公開；而私鑰就非常重要了，必須單獨保存。非對稱加密體系可以實現(xiàn)加密和簽名兩種重要功能，即公鑰加密、私鑰解密和私鑰簽名、公鑰驗證。采用非對稱加密算法使在分布式環(huán)境下實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)傳輸成為可能。由于在開放網(wǎng)絡(luò)中任何人都有可能截獲傳遞的信息，并且進行篡改，公私鑰這種雙密鑰體系就尤為重要了。非對稱加密算法實現(xiàn)開放環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全ETC采用對稱加密算法，網(wǎng)絡(luò)封閉ETC（ElectronicTollCollection）又叫電子不停車收費系統(tǒng)，是20世紀(jì)80年代末期以來世界各國普遍采用的不停車收費技術(shù)。距我國在1996年首都高速公路上第一次使用ETC技術(shù)至今也有20多年了，但ETC在普及上一直比較緩慢。非對稱加密算法實現(xiàn)開放環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全為什么比特幣和其他區(qū)塊鏈技術(shù)都采用非對稱加密算法作為加密基礎(chǔ)算法呢？第一，非對稱加密算法使在不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳遞敏感信息成為可能。第二，多方通信所需密鑰的數(shù)量大大減少，密鑰維護工作變得異常簡化。第三，采用非對稱加密算法時，數(shù)字簽名技術(shù)從數(shù)學(xué)意義上解決了自證身份問題，使信息接收者可以確認消息發(fā)送方的身份信息且不可更改。非對稱加密算法實現(xiàn)開放環(huán)