教案4 第二章 區(qū)塊鏈的組成與基本原理

課時7-8第二章區(qū)塊鏈的組成與基本原理（二）一、教學(xué)設(shè)計授課內(nèi)容第三節(jié)點對點網(wǎng)絡(luò)學(xué)時1次2學(xué)時授課教師授課班級授課地點課程類型□理論□實踐□理實一體教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.熟悉點對點網(wǎng)絡(luò)的特點2.熟悉區(qū)塊鏈的分布式共識機制3.掌握區(qū)塊鏈的賬戶體系能力目標(biāo)學(xué)習(xí)點對點網(wǎng)絡(luò)、非對稱加密、共識機制素質(zhì)目標(biāo)1：掌握點對點網(wǎng)絡(luò)的特性及其在區(qū)塊鏈中的應(yīng)用2：理解不同共識機制的特點。3：了解區(qū)塊鏈交易運行的原理。課堂思政學(xué)習(xí)共識機制，理解相比POW機制，POS機制對環(huán)境更友好，樹立節(jié)約能源資源的思想。知識點1：點對點網(wǎng)絡(luò)的定義2：點對點網(wǎng)絡(luò)的特點3：點對點網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈4：共識機制5：區(qū)塊鏈賬戶體系6：區(qū)塊鏈交易運行原理技能點能在使用區(qū)塊鏈錢包時理解公私鑰的區(qū)別，保障私鑰不泄露。教學(xué)重點1：點對點網(wǎng)絡(luò)的特點2：共識機制3：區(qū)塊鏈賬戶體系4：區(qū)塊鏈交易運行原理教學(xué)難點1:共識機制2：區(qū)塊鏈賬戶體系教學(xué)資源教材及參考資料《區(qū)塊鏈金融》《區(qū)塊鏈革命》媒體及平臺歐科云鏈網(wǎng)站/cn教學(xué)方法教法:講述、圖表、案例教學(xué)學(xué)法:課外閱讀與課堂聽課相結(jié)合教學(xué)實施（包括但不僅限以下內(nèi)容）（一）本次課內(nèi)容知識導(dǎo)圖（二）教學(xué)內(nèi)容（注明哪些是知識點、技能點，并展示其表述方式（包括但不僅限于陳述、案例、微課、抖音、視頻、故事、名言、數(shù)據(jù)等））1：點對點網(wǎng)絡(luò)的定義點對點網(wǎng)絡(luò)（也稱Ｐ２Ｐ網(wǎng)絡(luò)）不同于有中心服務(wù)器的中心化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種消除了中心化服務(wù)節(jié)點，將所有的網(wǎng)絡(luò)參與者視為對等節(jié)點，并在它們之間進行任務(wù)和工作的系統(tǒng)。點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的中心服務(wù)器架構(gòu)，去除了中心服務(wù)器，是一種依靠用戶群共同維護的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，并不存在一個中心節(jié)點來校驗并記錄交易信息，校驗和記錄工作由網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點共同完成。當(dāng)一個節(jié)點需要發(fā)起轉(zhuǎn)賬交易時，需要指明轉(zhuǎn)賬目的地址、轉(zhuǎn)賬金額，還需要對該交易并進行簽名。2：點對點網(wǎng)絡(luò)的特點（1）去中心化點對點網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢是它是去中心化的，網(wǎng)絡(luò)中的資源和服務(wù)分散在所有節(jié)點上，信息的傳輸和服務(wù)的實現(xiàn)都直接在節(jié)點之間進行，可以無需中間環(huán)節(jié)和服務(wù)器的介入。運用圖表進行說明去中心化和中心化的區(qū)別：（2）可擴展性點對點網(wǎng)絡(luò)通常都是以自組織的方式建立起來的，并允許節(jié)點自由地加入和離開。對于點對點網(wǎng)絡(luò)，理論上其可擴展性幾乎可以認為是無限的。例如：在傳統(tǒng)的通過中心化服務(wù)器下載方式中，當(dāng)下載用戶增加之后，下載速度會變得越來越慢；然而點對點網(wǎng)絡(luò)正好相反，加入的用戶越多，點對點網(wǎng)絡(luò)中提供的資源就越多，下載的速度反而越快。（3）健壯性點對點網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是分散在各個節(jié)點之間進行的，部分節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)遭到破壞對其他部分的影響很小。點對點網(wǎng)絡(luò)一般在部分節(jié)點失效時能夠自動調(diào)整，保持其他節(jié)點的連通性3：點對點網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，要求所有節(jié)點共同維護賬本機構(gòu)，即每筆交易都需要發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點。點對點網(wǎng)絡(luò)的這些設(shè)計思想和區(qū)塊鏈的理念完全契合，在區(qū)塊鏈中，所有交易及區(qū)塊的傳播不需要發(fā)送者將消息發(fā)給所有節(jié)點。節(jié)點只需要將消息發(fā)送給一定數(shù)量的相鄰節(jié)點即可，其他節(jié)點收到消息后，會按一定的規(guī)則發(fā)給自己的相鄰節(jié)點，通過一傳十、十傳百的方式，最終將消息發(fā)給所有節(jié)點。4：共識機制需要共識機制的原因在于：區(qū)塊鏈通過全民記賬來解決信任問題，但是所有節(jié)點都參與記錄數(shù)據(jù)，那么最終以誰的記錄為準(zhǔn)呢？或者說，怎么樣保證所有節(jié)點記錄的是一份相同的正確數(shù)據(jù)呢？這就是一個如何達成共識的問題。（一）分布式共識問題即“拜占庭將軍問題”是萊斯利·蘭伯特（２０１３年的圖靈獎得主）為描述分布式共識問題在論文中抽象出來的一個著名的例子?！鞍菡纪④妴栴}”也被稱為“拜占庭容錯”?！鞍菡纪④妴栴}”是一個分布式共識問題，關(guān)于拜占庭帝國軍隊的將軍們必須全體一致地決定是否攻擊敵國。困擾這些將軍的問題是，他們不確定他們中是否有叛徒，叛徒可以采用任意行動以達到以下目的：欺騙某些將軍采取進攻；促成一個不是所有將軍都同意的決定，如當(dāng)將軍們不希望進攻時促成進攻行為；迷惑一些將軍，使他們無法做出決定。在這種狀態(tài)下，拜占庭將軍們怎樣才能保證有至少６支軍隊在同一時間一起發(fā)起進攻，從而贏取戰(zhàn)斗？分布式共識問題，可以理解為讓參與分布式處理的每個參與者通過某種方式達成一致意見。圖表說明：（二）共識機制及其分類在區(qū)塊鏈的應(yīng)用過程中，共識機制需要解決兩個問題：“雙花問題”和“拜占庭將軍問題”?！半p花問題”是指貨幣在使用過程中重復(fù)使用的問題。傳統(tǒng)的貨幣具有實體唯一性，可以通過防偽手段防止“雙花問題”。一般可以把共識機制分成三類，一類是中心式共識，一類是投票式共識，還有一類是抽簽式共識。（1）中心式共識中心式共識的思路很簡單，就是有一個中心節(jié)點，由這個中心節(jié)點提出共識意見，所有人按照這個意見行事。中心式共識在區(qū)塊鏈中的使用場景相對有限。（2）投票式共識如果沒有中心節(jié)點，節(jié)點是對等的，且節(jié)點數(shù)量相對固定，可以通過投票的方式來獲得統(tǒng)一的意見。拜占庭容錯協(xié)議就是一類投票式共識機制。（3）抽簽式共識抽簽式共識又被稱為中本聰共識，適合于節(jié)點無須進行驗證、隨意進出的網(wǎng)絡(luò)，能夠在人數(shù)未定（開放網(wǎng)絡(luò)）的情況下完成共識。抽簽的過程可以由不同的方式實現(xiàn)，抽簽是否抽中可以由數(shù)學(xué)性質(zhì)保證，不可偽造。因為共識的意見的是可以驗證的，所以即使被惡意節(jié)點抽中，也可以拒絕他們提出的惡意的共識意見，共識的完成由激勵機制保證。（三）常見的共識機制（1）工作量證明（ＰｏＷ）工作量證明（ProofofWork）就是一個抽簽式共識。工作量證明的主要特征是計算的不對稱性，節(jié)點需要做一定難度的工作得到一個結(jié)果，而驗證方很容易通過結(jié)果來檢查節(jié)點是不是做了相應(yīng)的工作。這類算法的核心思想實際是所有節(jié)點競爭記賬權(quán)，而對每一批次的記賬（或者說，挖出一個區(qū)塊）都賦予一個“難題”，要求只有能夠解出這個“難題”的節(jié)點挖出的區(qū)塊才是有效的。同時，所有節(jié)點都不斷地試圖通過解決“難題”來產(chǎn)生自己的區(qū)塊，并將自己的區(qū)塊追加到現(xiàn)有的區(qū)塊鏈之后，但全網(wǎng)絡(luò)只有最長的鏈才被認為是合法且正確的。PoW類算法給參與節(jié)點帶來的計算開銷，除了延續(xù)區(qū)塊鏈生長外無任何意義，卻需要耗費大量的能源，并且該開銷會隨著參與的節(jié)點數(shù)目的上升而上升.（2）權(quán)益證明（ＰｏＳ）權(quán)益證明（Proofofstake，ＰｏＳ）是比較經(jīng)典的憑證類共識機制。在憑證類共識機制中，這類算法引入了“憑證”的概念。根據(jù)每個節(jié)點的某些屬性（擁有的幣數(shù)、持幣時間、可貢獻的計算資源、聲譽等），定義每個節(jié)點進行出塊的難度或者優(yōu)先度，并且取憑證排序中最優(yōu)的節(jié)點，或者取憑證排序中比較高的小部分節(jié)點進行加權(quán)隨機抽取某個節(jié)點，進行下一段時間的記賬出塊。這類型共識機制在一定程度上降低了整體的出塊開銷，同時能夠有選擇的分配出塊資源，即根據(jù)應(yīng)用場景選擇“憑證”的獲取來源，是一個改進的方向。然而憑證的引入提高了算法的中心化程度，有可能造成“貧者愈貧，富者于富”的馬太效應(yīng)。案例教學(xué)：以太坊升級到2.0采用了PoS機制（3）拜占庭容錯協(xié)議算法拜占庭容錯協(xié)議（ＢＦＴ）算法通過投票的方式產(chǎn)生能被所有（誠實）節(jié)點認可的區(qū)塊。采用圖表進行介紹：ＢＦＴ機制一般都會定期選出一個領(lǐng)導(dǎo)者，由領(lǐng)導(dǎo)者來接收并排序區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的交易，領(lǐng)導(dǎo)者產(chǎn)生區(qū)塊并遞交給其他節(jié)點對區(qū)塊進行驗證，進而其他節(jié)點投票表決時接受或者拒絕該領(lǐng)導(dǎo)者的提議。如果大部分節(jié)點認為當(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)者存在問題，這些節(jié)點也可以通過多輪的投票協(xié)商過程將現(xiàn)有領(lǐng)導(dǎo)者推翻，再以某種預(yù)先定好的協(xié)議協(xié)商產(chǎn)生新的領(lǐng)者節(jié)點。ＢＦＴ算法一般具有完備的安全性證明，能在算法流程上保證其群體在惡意節(jié)點數(shù)量不超過１／３時，誠實節(jié)點的賬本保持一致。5：區(qū)塊鏈賬戶體系（1）私鑰私鑰就是一組隨機獲取的數(shù)字。私鑰是用戶控制區(qū)塊鏈賬戶的根本。私鑰用來生成數(shù)字簽名，數(shù)字簽名能證明對應(yīng)私鑰的所有權(quán)。私鑰必須嚴(yán)格保密，私鑰如果泄露給第三方，就相當(dāng)于失去了區(qū)塊鏈賬戶的控制權(quán)。如果私鑰丟失，沒有任何辦法恢復(fù)。私鑰一般通過隨機數(shù)生成。生成私鑰基本上就是在１和２的２５６次方之間選擇數(shù)字。當(dāng)隨機選擇生成了一個私鑰后，幾乎不可能有另一個人選中同一個或者猜到該數(shù)字。（2）公鑰公鑰是通過私鑰使用非對稱加密算法運算而來。公鑰和私鑰一一配對。（3）非對稱性加密先來了解一下傳統(tǒng)的對稱加密。加密和解密用同一個密鑰就是對稱加密。非對稱加密技術(shù)也被稱為公鑰密碼技術(shù)。它使用兩個成對的密鑰：公鑰，對外公開；私鑰，必須嚴(yán)格保密，保管好不能弄丟?？梢杂霉€加密消息，然后使用私鑰解密；反過來也可以使用私鑰加密，用公鑰解密，這也被稱為簽名，相當(dāng)于用私章蓋印，對方就可以使用你的公鑰來驗證簽名真?zhèn)危苷＝饷埽?。非對稱加密的優(yōu)點是解決了密鑰的傳輸問題。用案例和圖表介紹：小紅創(chuàng)建一條消息，比如“這是電子書”，用小明的公鑰加密。小紅發(fā)的消息，由于用小明的公鑰加密，所以只能由小明的私鑰解密，攔截消息的人，由于沒有小明的私鑰，無法解密消息內(nèi)容。這就確保了只有小明能訪問電子書網(wǎng)址，即保證了消息的私密性。如果要小明驗證小紅的身份，小紅可以用自己的私鑰給消息簽名后，附上公鑰發(fā)給小明，小明可以用小紅的公鑰驗證簽名6：區(qū)塊鏈交易運行原理（一）簡易的區(qū)塊鏈系統(tǒng)以故事來介紹：一個古老的村落，里面住著一群原始的村民。這個村莊沒有銀行為大家存錢、記賬，沒有一個讓所有村民都信賴的村長來維護和記錄村民之間的財務(wù)往來，也就是沒有任何中間機構(gòu)或者個人來記賬。于是，村民想出了一個不需要中間機構(gòu)或個人，而是大家一起記賬的方法。（二）區(qū)塊鏈交易運行流程以圖表介紹：小明有10個比特幣，準(zhǔn)備把２個比特幣轉(zhuǎn)賬給小紅，向全網(wǎng)的礦工們廣播了這條交易信息。在這筆交易中，小明需要提交這幾項信息給礦工們：（１）小紅的收款地址；（２）轉(zhuǎn)賬數(shù)量；（３）交易哈希；（４）小明的數(shù)字簽名（用私鑰進行簽名）；（５）小明的公鑰。其中交易哈希是由小紅的收款地址和轉(zhuǎn)賬數(shù)量等交易信息通過哈希算法產(chǎn)生，而小明的數(shù)字簽名是小明通過用私鑰對交易哈希調(diào)用非對稱加密算法進行簽名產(chǎn)生，這樣只要小明的私鑰沒有被泄露，那么這筆交易就不可抵賴，也不可被篡改。礦工通過小明提交的公鑰、交易哈希和數(shù)字簽名，來驗證小明是不是轉(zhuǎn)出賬戶的１０個比特幣的擁有者，還能驗證這筆交易有沒有被篡改。如果驗證成功，礦工將打包交易，然后進行下一個區(qū)塊記賬權(quán)的競爭，并且將這個包含交易信息的最新區(qū)塊進行全網(wǎng)廣播，以圖表介紹。全網(wǎng)廣播之后，經(jīng)過所有節(jié)點的確認，即經(jīng)過全網(wǎng)驗證，其他所有節(jié)點就會一起備份這個最新的區(qū)塊，從而繼續(xù)保持全網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性。小明的賬戶狀態(tài)就會正式變更為８個比特幣。這樣一筆交易就完成了（三）教學(xué)拓展（練習(xí)、思考、調(diào)研、閱讀、實踐等）練習(xí)：１．小明向小紅發(fā)送錢款，先用小明的進行數(shù)字簽名，小紅收到錢款后可以用小明的進行驗證簽名，驗證交易是否被篡改。（）Ａ．私鑰公鑰Ｂ．公鑰私鑰Ｃ．私鑰私鑰Ｄ．公鑰公鑰2．以下（）不是點對點網(wǎng)絡(luò)的特點。Ａ．中心化Ｂ．可拓展性Ｃ．健壯性Ｄ．二叉性3．以下（）共識機制的可監(jiān)管性最高。Ａ．ＰｏＷＢ．ＰｏＳＣ．ＰＢＦＴＤ．ＤＰｏＳ4．如果要對比特幣網(wǎng)絡(luò)上某地址的比特幣進行交易，下列說法正確的是（）。Ａ．只有擁有了私鑰，才能進行交易Ｂ．擁有公鑰就能進行交易Ｃ．擁有賬戶地址就能進行交易Ｄ．有智能合約才能進行交易5．下面關(guān)于區(qū)塊鏈說法正確的是（）。（多選）Ａ．區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€基于密碼學(xué)的分布式賬本Ｂ．區(qū)塊鏈中區(qū)塊的意義在于通過批量處理提高性能Ｃ．區(qū)塊鏈中的交易只能是轉(zhuǎn)賬Ｄ．區(qū)塊鏈記錄的是一系列有順序的交易6．以下（）是共識算法。（多選）Ａ．抽簽式共識Ｂ．投票式共識Ｃ．全局式共識Ｄ．中心式共識7．以下關(guān)于工作量證明（ＰｏＷ）說法正確的是（）。（多選）Ａ．比特幣采用了工作量證明Ｂ．工