區(qū)塊鏈課件第一章 概述

概述區(qū)塊鏈是新的科技革命還是騙局？區(qū)塊鏈（Blockchain）技術，自從在比特幣（Bitcoin）白皮書《比特幣：一種點對點電子貨幣系統(tǒng)（Bitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem）》[1]一文中被化名為中本聰（SatoshiNakamoto，音譯，也稱中本哲史）的作者提出以來，區(qū)塊鏈技術就受到許多關注與爭議。加密貨幣的火熱為區(qū)塊鏈帶來更多關注近年來，隨著比特幣、以太坊(Ethereum)等加密貨幣的火熱，區(qū)塊鏈技術在全球范圍內得到越來越多地關注。2019年10月24日，中共中央政治局就區(qū)塊鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行第十八次集體學習，此后，區(qū)塊鏈技術更是吸引了舉國上下的目光。區(qū)塊鏈技術目前已經(jīng)應用于多個領域，例如金融、物流、食品安全等。盡管不少人對比特幣的未來發(fā)展仍然充滿疑慮，但大多數(shù)技術專家非常認可區(qū)塊鏈技術的未來，認為其理念的推廣與應用最終會超越加密貨幣，成為時代的熱點前沿。0本章內容1.1什么是區(qū)塊鏈技術1.2區(qū)塊鏈技術的現(xiàn)狀1.3本書的內容比特幣與區(qū)塊鏈的誕生比特幣與區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈的特點智能合約與世界計算機區(qū)塊鏈的分類1什么是區(qū)塊鏈技術區(qū)塊鏈的出現(xiàn)中本聰在《比特幣：一種點對點電子貨幣系統(tǒng)》一文中，并未給出“區(qū)塊鏈”的具體定義，只是提出了一種基于哈希證明的鏈式區(qū)塊結構，即被人稱之為“區(qū)塊鏈”的數(shù)據(jù)結構。區(qū)塊鏈一詞也是來源于此，其中區(qū)塊（Block）一詞指代一個包含了數(shù)據(jù)的基本結構單元（“塊”），而鏈（Chain）則代表了由區(qū)塊產(chǎn)生的哈希鏈表。區(qū)塊鏈的定義從狹義上來講，根據(jù)工業(yè)和信息化部2016年發(fā)布的《中國區(qū)塊鏈技術和應用發(fā)展白皮書》所述，區(qū)塊鏈技術是一種按照時間順序將數(shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成鏈式數(shù)據(jù)結構,并以密碼學方式保證不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術。從廣義來講，區(qū)塊鏈技術是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。一般認為，區(qū)塊鏈技術是伴隨著以“比特幣”為首的數(shù)字貨幣而出現(xiàn)的一項新興技術，是一種以密碼學算法為基礎的點對點分布式賬本技術，是分布式存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式。2什么是區(qū)塊鏈技術區(qū)塊鏈的應用區(qū)塊鏈技術作為一項創(chuàng)新型技術，不僅成功應用于加密貨幣領域，在經(jīng)濟、金融和社會各領域中也存在著廣泛地應用場景。區(qū)塊鏈的技術核心區(qū)塊鏈技術首次從技術上解決了中心化模型帶來的信任問題，它基于密碼學算法保證價值的安全轉移，基于哈希鏈及時間戳機制保證數(shù)據(jù)的可追溯、不可篡改特性，基于共識算法保證節(jié)點間區(qū)塊數(shù)據(jù)的一致性。區(qū)塊鏈技術以其分布式、公開透明、安全等特性使得人們可以基于互聯(lián)網(wǎng)方便快捷、低成本地進行價值交換，是實現(xiàn)價值互聯(lián)網(wǎng)的基石。它可以在互不信任的環(huán)境中實現(xiàn)去信任中介的可信交易。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術相比，區(qū)塊鏈技術具有防偽造、不可篡改以及能方便實現(xiàn)智能合約等特點，被譽為一種將引發(fā)社會變革的新型技術。3什么是區(qū)塊鏈技術區(qū)塊鏈的三個基本要素交易：Transaction，一次操作，導致賬本狀態(tài)的一次改變區(qū)塊：Block，記錄一段時間內發(fā)生的交易和狀態(tài)結果，是對當前賬本狀態(tài)的一次共識鏈：Chain，由一個個區(qū)塊按照發(fā)生順序串聯(lián)而成，是整個狀態(tài)變化的日志記錄區(qū)塊鏈是可信的區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊保存規(guī)定時間段內的數(shù)據(jù)記錄（即交易），并通過密碼學的方式，構建一條安全可信的鏈條，形成一個不可篡改、全員共有的分布式賬本。通俗地說，區(qū)塊鏈是一個收錄所有歷史交易的賬本，不同節(jié)點之間各持一份，節(jié)點間通過共識算法確保所有人的賬本最終趨于一致。如果想要修改一個已經(jīng)記錄的交易，由于分布式賬本的特點，需要所有持有賬本的節(jié)點同時修改，由于鏈的特點，需要連帶修改后續(xù)的區(qū)塊內容并且被所有人承認，這將是一個工作量巨大到近乎不可能完成的工作。正是從這個角度，區(qū)塊鏈具有不可篡改的特性。4比特幣與區(qū)塊鏈的誕生e-Cash1983年，數(shù)字貨幣先驅DavidChaum在論文《BlindSignaturesforUntraceablePayments》提出了基于盲簽名技術的e-Cash數(shù)字貨幣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠保持用戶匿名并且難以被追蹤。由于當時信用卡體系的快速崛起和本身技術的缺陷，很快走向了失敗。E-gold1996年，腫瘤學家DouglasJackson和律師BarryDowney發(fā)明了e-gold，該電子貨幣通過金銀作為擔保，用戶能夠完成瞬時轉賬等操作。由于被犯罪團伙用于洗黑錢、敲詐勒索和遭到黑客攻擊而垮臺。Hashcash（工作量機制）1997年，密碼學家AdamBack發(fā)明了Hashcash系統(tǒng)用于限制垃圾郵件和Dos攻擊，該系統(tǒng)中提出了工作量證明機制來獲取額度，而該機制也為后來的數(shù)字貨幣技術所采用。B-money1998年，計算機工程師戴偉（DaiWei）提出了B-money，和過去的數(shù)字貨幣的不同，這是首個完全不依賴于中心機構的匿名數(shù)字貨幣方案。在該方案中引入了工作量證明機制來解決如何發(fā)行數(shù)字貨幣這個問題，并且有一個初步的P2P網(wǎng)絡結構來完成對交易信息的廣播。在B-money中沒有解決貨幣的“雙花”問題以及如何維護賬本的安全，最終該方案也未能實現(xiàn)。其他數(shù)字貨幣的嘗試諸如WebMoney、LibertyReserve、PerfectMoney。這些數(shù)字貨幣的問題部分在于中心化的節(jié)點一旦被突破，整個信用體系將會無法維持；而基于點對點網(wǎng)絡和工作量證明機制的數(shù)字貨幣方案，則難以維持整個系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。5比特幣與區(qū)塊鏈的誕生中本聰?shù)谋忍貛疟忍貛诺奶岢觯?008年10月31日，一個化名為中本聰?shù)哪涿脩粼凇啊本W(wǎng)站的密碼學郵件列表中發(fā)表了比特幣白皮書，開啟了比特幣與區(qū)塊鏈的傳奇。論文中描述了如何通過點對點網(wǎng)絡實現(xiàn)一種基于密碼學原理而不是基于信用的電子支付系統(tǒng)，使得達成交易一致的雙方能夠直接進行支付，無須第三方中介參與。比特幣系統(tǒng)的上線：2009年1月，這個美好的構想——比特幣網(wǎng)絡正式上線，中本聰通過比特幣的客戶端軟件對第一個區(qū)塊創(chuàng)始區(qū)塊進行了挖礦，并獲得了人類史上的首批50個比特幣。比特幣的價值：2010年，在比特幣論壇“bitcointalk”上，一名用戶介紹使用了10,000個比特幣購買了一塊價值25美元的比薩。這是比特幣的首次交易，也意味著比特幣第一次擁有了“交換價值”。歷時十年的發(fā)展，比特幣的價格幾經(jīng)起伏從最低0.0025美元到最高19791.90美元。6比特幣與區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈是比特幣的底層技術、核心、基礎架構在沒有第三方中心節(jié)點的點對點系統(tǒng)中使所有參與者能夠承認系統(tǒng)中的交易是比特幣系統(tǒng)的核心問題，這一問題通過區(qū)塊鏈的結構與挖礦解決。區(qū)塊鏈的結構與挖礦通過區(qū)塊鏈的哈希鏈式結構，比特幣可以做到很強的抗篡改能力，從而取得所有參與者的信任。對于一個已經(jīng)完成的賬本鏈表來說，歷史記錄的變動總是影響到后續(xù)的全部，這種特性是哈希鏈表和消息摘要算法帶來的。但是單純的修改成本極低，系統(tǒng)的安全性得不到保障。為了提高門檻，比特幣規(guī)定了計算得到的區(qū)塊哈希必須達到規(guī)定的要求，被稱作難度。這樣一來，雖然每個人都有權利進行賬本的修改，但不是隨便哪個人都能成功修改賬本。同時，由于篡改的過程需要對后續(xù)區(qū)塊逐個重新計算哈希值，越久的記錄后面鏈接的區(qū)塊越多，越難修改，這種修改的難度是隨時間指數(shù)級上升的。7比特幣與區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈不僅僅是比特幣區(qū)塊鏈本質上是一種去中心化的數(shù)字賬本，除了比特幣等加密數(shù)字貨幣上的應用，它也可以用于記錄其他具有價值的信息而不擔心被篡改。相比于傳統(tǒng)貨幣系統(tǒng)，加密數(shù)字貨幣帶來了的新的信任方式、去中心化的財富轉移模式。在加密數(shù)字貨幣以外，資本市場上的區(qū)塊鏈應用正在蓬勃發(fā)展，覆蓋了支付與匯款、衍生品交易、金融服務、征信管理、數(shù)字資產(chǎn)管理、網(wǎng)絡安全、審計、供應鏈金融、物聯(lián)網(wǎng)等許多領域。區(qū)塊鏈是比特幣等加密數(shù)字貨幣的支撐技術，它和比特幣的關系類似于技術與產(chǎn)品的關系；區(qū)塊鏈結構的應用早已超出了數(shù)字貨幣，甚至可以擴展到任何類型的數(shù)字交易方式。區(qū)塊鏈技術夠有效地解決原有行業(yè)中信任、安全等多種問題。8區(qū)塊鏈的特點去中心化在區(qū)塊鏈中，各個節(jié)點和礦工遵守一套基于密碼算法的記賬交易規(guī)則，通過分布式存儲和算力，共同維護全網(wǎng)的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)中心化機構對數(shù)據(jù)進行管理帶來的高成本、易欺詐、缺乏透明、濫用權限等問題。普通用戶之間的交易也無須第三方機構加入，直接點對點進行交易互動。透明性相較于用戶匿名性，比特幣和區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易和歷史都是透明的。由于在區(qū)塊鏈中，賬本是分發(fā)到整個網(wǎng)絡所有參與者，賬本的校對、歷史信息等對于賬本的持有者而言，都是透明的、公開的。不可篡改比特幣的每次交易都會記錄在區(qū)塊鏈上，不同于由中心機構主宰的交易模式，其中心機構可以自行修改任意用戶的交易信息，比特幣很難篡改。多方共識區(qū)塊鏈作為一個多方參與維護的分布式賬本系統(tǒng)，參與方需要約定數(shù)據(jù)校驗、寫入和沖突解決的規(guī)則，這被稱之為共識算法。比特幣和以太坊作為公有鏈當前采用的是工作量證明算法(PoW)，應用于聯(lián)盟鏈領域的共識算法則更加靈活多樣，貼近業(yè)務需求本身。9智能合約與世界計算機智能合約概念的誕生在1996年由計算機科學家、密碼學家NickSzabo提出，指將原本現(xiàn)實世界中的合約、契約等概念引入到數(shù)字領域中，可以約束參與數(shù)字金融的各方的行為，使得違反規(guī)定者受到一定的懲罰，但合約的實行需要現(xiàn)實世界的輔助力量。以太坊上的智能合約通過區(qū)塊鏈技術，可以不依賴外部力量實現(xiàn)智能合約的約束條件。人們可以自定義復雜的執(zhí)行邏輯放置到區(qū)塊鏈上運行。由于區(qū)塊鏈的特性，鏈上的計算機程序會伴隨著區(qū)塊被分發(fā)到以太坊系統(tǒng)中的各個參與者的手上。這樣一來，整個以太坊系統(tǒng)便是一個隨著系統(tǒng)運行永不停歇的智能合約分布式平臺，可以看成一臺去中心化的計算機。VitalikButerin將其稱之為世界計算機（Worldcomputer）。伴隨著智能合約的到來，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的應用更加豐富，其實用性也進入了一個新的階段?？梢宰远x程序功能的智能合約使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)的功能加強大，也更加靈活。博彩、游戲、代幣等各種基于智能合約的應用猶如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。10區(qū)塊鏈的分類公有鏈鏈上的節(jié)點向全世界每一個人開放，任何人都可以在自己設備上運行公共節(jié)點，驗證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的交易，參與到共識的過程中，確認當前加入鏈上的區(qū)塊以及當前區(qū)塊鏈的狀態(tài)。任何用戶也可以向鏈上發(fā)起交易，查看鏈上的任意數(shù)據(jù)。雖然公鏈是一種完全去中心化機制的區(qū)塊鏈，降低了傳統(tǒng)中心化機制下的運維成本，但目前公鏈在可拓展性、效率上仍存在較大挑戰(zhàn)。目前比較有名的公鏈項目包括比特幣、以太坊等。私有鏈私鏈中對鏈上數(shù)據(jù)的讀寫權限由單一的組織來控制，可選擇性地開放給特定群體。盡管私鏈的去中心化程度最低，但是私鏈交易速度更快，交易費用更低，對數(shù)據(jù)的訪問權限控制更好，也能很好地保障數(shù)據(jù)的隱私。目前，私鏈主要應用于一些私人企業(yè)中的數(shù)據(jù)管理、審計場景中。聯(lián)盟鏈聯(lián)盟鏈由一些特定機構作為節(jié)點參與到區(qū)塊鏈的共識過程中，用戶對鏈上數(shù)據(jù)的讀寫權限由這些節(jié)點控制。聯(lián)盟鏈擁有較高的交易速度、較良好的可拓展性和保護隱私權的權限控制。目前多應用于機構之間的合作場景中，例如市場機構進行記賬，而普通用戶則不參與到記賬中。11區(qū)塊鏈的分類12區(qū)塊鏈種類對比

公有鏈聯(lián)盟鏈私有鏈控制者所有參與者特定的聯(lián)盟成員鏈所有者去中心化程度強去中心化弱去中心化、多中心化無交易吞吐量<100筆每秒<100000筆每秒由配置決定可修改性幾乎不可篡改較難被篡改可被篡改共識機制PoW、PoS、DPoS等PBFT、Raft等無特定算法代表項目比特幣、以太坊、EOSIO等HyperledgerFabric、企業(yè)以太坊等無特定項目

本章內容1.1什么是區(qū)塊鏈技術1.2區(qū)塊鏈技術的現(xiàn)狀1.3本書的內容區(qū)塊鏈的應用區(qū)塊鏈的挑戰(zhàn)區(qū)塊鏈技術的發(fā)展環(huán)境13區(qū)塊鏈的應用比特幣采用了以哈希算法為主的密碼技術來控制生產(chǎn)和轉移，通過工作量證明算法控制比特幣產(chǎn)生的速度。純粹的數(shù)字加密貨幣，只支持轉賬與簡單的執(zhí)行邏輯。支持智能合約的以太坊除了轉賬，以太坊提供了一個圖靈完備的智能合約平臺，基于以太坊可以構建不同的區(qū)塊鏈應用以及發(fā)行新的數(shù)字貨幣。作為以太坊最具代表性的技術，智能合約是由事件驅動的、具有狀態(tài)的、存儲和運行在區(qū)塊鏈平臺上的程序，是能夠實現(xiàn)主動或被動的處理數(shù)據(jù)，接受、儲存和發(fā)送狀態(tài)、價值，以及控制和管理各類鏈上智能資產(chǎn)等功能的程序化規(guī)則和邏輯?；谝蕴豢梢詷嫿ú煌膮^(qū)塊鏈應用以及發(fā)行新的數(shù)字貨幣。聯(lián)盟鏈以Hyperledger為代表，覆蓋了金融、銀行、物聯(lián)網(wǎng)、供應鏈、制造等行業(yè)。在Hyperledger的眾多項目中，HyperledgerFabric是一個提供了一個分布式賬本解決方案的平臺，具有良好的保密性、可伸縮性、靈活性以及可拓展性，是一個發(fā)展較為完備的聯(lián)盟鏈平臺。和其他的區(qū)塊鏈平臺最大的不同在于HyperledgerFabric能夠控制系統(tǒng)中每個用戶的權限，通過建立通道(channel)，允許不同的參與者在不同的應用場景下控制賬本的公開程度。14區(qū)塊鏈的應用由于區(qū)塊鏈技術具有多方可信、可靠、抗篡改等優(yōu)良性質，被應用于需要多方合作、數(shù)據(jù)互信、數(shù)據(jù)安全等多種要求的場景中，如金融行業(yè)、供應鏈、物聯(lián)網(wǎng)等。由于區(qū)塊鏈本身的抗篡改能力和公開性，區(qū)塊鏈還被用于諸如信息存證、司法存證、政務公開等領域。截至2018年3月底，我國以區(qū)塊鏈業(yè)務為主營業(yè)務的區(qū)塊鏈公司數(shù)量已經(jīng)達到了456家。15圖1.1區(qū)塊鏈的應用領域區(qū)塊鏈的挑戰(zhàn)在2018年的Gartner技術成熟度曲線中，區(qū)塊鏈技術越過了期望過高的頂峰期，開始進入暫時的低谷期。這說明公眾和業(yè)界對于區(qū)塊鏈技術的不足和缺點的認識越來越深刻，更多的問題在實際生產(chǎn)的環(huán)境中暴露出來。目前，區(qū)塊鏈技術的發(fā)展尚處于初始階段，區(qū)塊鏈技術存在許多急需解決的挑戰(zhàn)。16圖1.2Gartner公司2018年度發(fā)布的技術成熟度曲線（部分）區(qū)塊鏈的挑戰(zhàn)技術層面效率問題，為了保障數(shù)字貨幣交易的可靠性，犧牲了效率。共識機制問題，現(xiàn)有的共識機制難以兼顧安全性與效率問題。數(shù)據(jù)冗余問題，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)。安全問題，智能合約的漏洞使得用戶的財產(chǎn)和信息安全受到嚴重威脅。法律層面匿名化問題，由于用戶匿名特性，難以對數(shù)字貨幣進行有效地監(jiān)管和追蹤。欺詐問題，目前存在許多利用區(qū)塊鏈進行欺詐的項目。沖擊鑄幣權，法定貨幣關乎國家經(jīng)濟、民生和政權穩(wěn)定，盲目的以數(shù)字貨幣取代法定貨幣會導致嚴重的后果。17區(qū)塊鏈技術的發(fā)展環(huán)境國外起步較早美國許多政府或非政府組織為區(qū)塊鏈研究提供資金與技術支持。區(qū)塊鏈已應用到能源、金融等多個領域。目前在美國至少有八個州正在制定有關區(qū)塊鏈的立法。納斯達克使用區(qū)塊鏈技術來完成和記錄私人證券交易并得到全球多所交易所的響應。多所高校開設區(qū)塊鏈相關課程，并建立實驗室對該技術進行研究。22個歐洲國家已簽署建立區(qū)塊鏈合作伙伴關系的聲明，共同確保歐洲出去開發(fā)和部署分布式賬本技術的最前沿。歐洲央行曾于2017年表示，將采取不限制區(qū)塊鏈創(chuàng)新技術的主張，并對區(qū)塊鏈展開研究。亞洲部分國家將區(qū)塊鏈應用于支付系統(tǒng)、信貸交易、供應鏈、游戲等領域。比如，柬埔寨、印度尼西亞等國基于區(qū)塊鏈技術構建了相應的支付系統(tǒng)、小額信貸交易與可持續(xù)供應鏈等項目。在不少國家對加密貨幣采取反對態(tài)度的情況下，日本承認了比特幣的合法地位，并允許國內的部分交易以比特幣的方式進行。18區(qū)塊鏈技術的發(fā)展環(huán)境國內具有前所未有的良好發(fā)展環(huán)境在研究與教育上，多所高校開設區(qū)塊鏈相關課程，注重培養(yǎng)區(qū)塊鏈技術人才，并且成立區(qū)塊鏈研究中心和實驗室開展相關研究工作，專利與論文上均取得不俗的成果。在政策上，國務院印發(fā)的《十三五國家信息規(guī)劃