區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用課件

區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用1區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用目錄區(qū)塊鏈簡介特征及分類12區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4核心問題25區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用1.區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)。它基于密碼學(xué)原理而不基于信用，使得任何達(dá)成一致的雙方直接支付，從而不需要第三方中介的參與。背景互聯(lián)網(wǎng)上的貿(mào)易，幾乎都需要借助可資信賴的第三方信用機(jī)構(gòu)來處理電子支付信息。這類系統(tǒng)仍然內(nèi)生性地受制于“基于信用的模式”。3區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用1.區(qū)塊鏈簡介4定義區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，一種通過去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案。從數(shù)據(jù)的角度來看區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N幾乎不可能被更改的分布式數(shù)據(jù)庫。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護(hù)）。從技術(shù)的角度來看區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)整合的結(jié)果。這些技術(shù)以新的結(jié)構(gòu)組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和表達(dá)的方式。5區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用區(qū)塊鏈的概念首次在2008年末由中本聰（SatoshiNakamoto）發(fā)表在比特幣論壇中的論文《Bitcoin:

APeer-to-Peer

Electronic

Cash System》提出。2009年1月3日，中本聰制作了比特幣世界的第一個(gè)區(qū)塊“創(chuàng)世區(qū)塊”并挖出了第一批比特幣50個(gè)。2010年5月21日，佛羅里達(dá)程序員用1萬比特幣購買了價(jià)值25美元的披薩優(yōu)惠券，隨著這筆交易誕生了比特幣第一個(gè)公允匯率。2010年7月，第一個(gè)比特幣平臺(tái)成立，新用戶暴增，價(jià)格暴漲。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用目錄區(qū)塊鏈簡介特征及分類12區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4核心問題65區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用2.特征及分類特征開放，共識(shí)任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺(tái)設(shè)備都能作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫拷貝。節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制，通過競爭計(jì)算共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈。任一節(jié)點(diǎn)失效，其余節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。去中心，去信任區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)端到端的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，無需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)之間不能也無法欺騙其它節(jié)點(diǎn)。7區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用2.特征及分類特征交易透明，雙方匿名區(qū)塊鏈的運(yùn)行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見。由于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是去信任的，因此節(jié)點(diǎn)之間無需公開身份，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都是匿名的。不可篡改，可追溯單個(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的修改無法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫，除非能控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中超過51%的節(jié)點(diǎn)同時(shí)修改，這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中的每一筆交易都通過密碼學(xué)方法與相鄰兩個(gè)區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生。8區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用2.特征及分類分類公有鏈無官方組織及管理機(jī)構(gòu)，無中心服務(wù)器，參與的節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)規(guī)則自由接入網(wǎng)絡(luò)、不受控制，節(jié)點(diǎn)間基于共識(shí)機(jī)制開展工作。私有鏈建立在某個(gè)企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)則根據(jù)企業(yè)要求進(jìn)行設(shè)定，修改甚至是讀取權(quán)限僅限于少數(shù)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)仍保留著區(qū)塊鏈的真實(shí)性和部分去中心化的特性。聯(lián)盟鏈由若干機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具部分去中心化的特性。9區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用目錄區(qū)塊鏈簡介特征及分類12區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4核心問題105區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過程11區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)12交易過程第1步：所有者A利用他的私鑰對(duì)前一次交易（比特貨來源）和下一位所有者

B簽署一個(gè)數(shù)字簽名，并將這個(gè)簽名附加在這枚貨幣的末尾，制作成交易單要點(diǎn)：B以公鑰作為接收方地址第2步：A將交易單廣播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了B，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到的交易信息納入一個(gè)區(qū)塊中要點(diǎn)：對(duì)B而言，該枚比特幣會(huì)即時(shí)顯示在比特幣錢包中，但直到區(qū)塊確認(rèn)成功后才可用。目前一筆比特幣從支付到最終確認(rèn)成功，得到6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后才能真正確認(rèn)到帳。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)13交易過程第3步：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過解一道數(shù)學(xué)難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊權(quán)利，并爭取得到比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)（新比特幣會(huì)在此過程中產(chǎn)生）要點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)反復(fù)嘗試尋找一個(gè)數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的Hash值以及交易單三部分送入SHA256算法后能計(jì)算出散列值X（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學(xué)難題的解。由此可見，答案并不唯一第4步：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到解時(shí)，它就向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊記錄的所有蓋時(shí)間戳交易，并由全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)要點(diǎn)：時(shí)間戳用來證實(shí)特定區(qū)塊必然于某特定時(shí)間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡(luò)采取從5個(gè)以上節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間，然后取中間值的方式作為時(shí)間戳。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)14交易過程第5步：全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)該區(qū)塊記賬的正確性，沒有錯(cuò)誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競爭下一個(gè)區(qū)塊，這樣就形成了一個(gè)合法記賬的區(qū)塊鏈。要點(diǎn)：每個(gè)區(qū)塊的創(chuàng)建時(shí)間大約在10分鐘。隨著全網(wǎng)算力的不斷變化，每個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間會(huì)隨算力增強(qiáng)而縮短、隨算力減弱而延長。其原理是根據(jù)最近產(chǎn)生的2016年區(qū)塊的時(shí)間差（約兩周時(shí)間），自動(dòng)調(diào)整每個(gè)區(qū)塊的生成難度（比如減少或增加目標(biāo)值中0的個(gè)數(shù)），使得每個(gè)區(qū)塊的生成時(shí)間是10分鐘。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用15區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用16區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用17介紹和應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)18區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用私鑰解鎖19區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用2021區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用非對(duì)稱加密選型基于大整數(shù)因子分解問題（IFP）的RSA算法和基于橢圓曲線上離散對(duì)數(shù)計(jì)算問題（ECDLP）的ECC算法。RSA算法的特點(diǎn)之一是數(shù)學(xué)原理簡單、在工程應(yīng)用中比較易于實(shí)現(xiàn)，但它的單位安全強(qiáng)度相對(duì)較低。目前用國際上公認(rèn)的對(duì)于

RSA算法最有效的攻擊方法--一般數(shù)域篩(NFS)方法去破譯和攻擊RSA算法，它的破譯或求解難度是亞指數(shù)級(jí)的。ECC算法的數(shù)學(xué)理論非常深?yuàn)W和復(fù)雜，在工程應(yīng)用中比較難于實(shí)現(xiàn)，但它的單位安全強(qiáng)度相對(duì)較高。用國際上公認(rèn)的對(duì)于ECC算法最有效的攻擊方法--Pollard rho方法去破譯和攻擊ECC算法，它的破譯或求解難度基本上是指數(shù)級(jí)的。正是由于RSA算法和ECC算法這一明顯不同，使得ECC算法的單位安全強(qiáng)度高于RSA算法，也就是說，要達(dá)到同樣的安全強(qiáng)度，ECC算法所需的密鑰長度遠(yuǎn)比RSA算法低區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)22本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡(luò)特性展開闡述區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)23節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)任何機(jī)器都可以運(yùn)行一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)，一個(gè)完整的比特幣節(jié)點(diǎn)包括如下功能：錢包，允許用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交易完整區(qū)塊鏈，記錄了所有交易歷史，通過特殊的結(jié)構(gòu)保證歷史交易的安全性，并且用來驗(yàn)證新交易的合法性礦工，通過記錄交易及解密數(shù)學(xué)題來生成新區(qū)塊，如果成功可以賺取獎(jiǎng)勵(lì)路由功能，把其它節(jié)點(diǎn)傳送過來的交易數(shù)據(jù)等信息再傳送給更多的節(jié)點(diǎn)除了路由功能以外，其它的功能都不是必須的。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用目錄區(qū)塊鏈簡介特征及分類12區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4核心問題245區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)。全網(wǎng)所有的交易記錄都以交易單的形式存儲(chǔ)在全網(wǎng)唯一的區(qū)塊鏈中。25區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊區(qū)塊是一種記錄交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊主體只負(fù)責(zé)記錄前一段時(shí)間內(nèi)的所有交易信息，區(qū)塊鏈的大部分功能都由區(qū)塊頭實(shí)現(xiàn)。26區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊頭版本號(hào)，標(biāo)示軟件及協(xié)議的相關(guān)版本信息父區(qū)塊哈希值，引用的區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭的哈希值，通過這個(gè)值每個(gè)區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，并

且這個(gè)值對(duì)區(qū)塊鏈的安全性起到了至關(guān)重要的作用Merkle根，這個(gè)值是由區(qū)塊主體中所有交易的哈希值再逐級(jí)兩兩哈希計(jì)算出來的一個(gè)數(shù)值，主要用于檢驗(yàn)一筆交易是否在這個(gè)區(qū)塊中存在時(shí)間戳，記錄該區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)間，精確到秒難度值，該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的難度目標(biāo)隨機(jī)數(shù)(Nonce)，記錄解密該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學(xué)題的答案的值27區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用28區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用29區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用30區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用31區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)32區(qū)塊形成過程在當(dāng)前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立即開始下一個(gè)區(qū)塊的生成工作。把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊主體中在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交易信息的Merkle樹，把Merkle樹根的值保存在區(qū)塊頭中把上一個(gè)剛剛生成的區(qū)塊的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)通過SHA256算法生成一個(gè)哈希值填入到當(dāng)前區(qū)塊的父哈希值中把當(dāng)前時(shí)間保存在時(shí)間戳字段中難度值字段會(huì)根據(jù)之前一段時(shí)間區(qū)塊的平均生成時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷變化的整體計(jì)算總量，如果計(jì)算總量增長了，則系統(tǒng)會(huì)調(diào)高數(shù)學(xué)題的難度值，使得預(yù)期完成下一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間依然在一定時(shí)間內(nèi)區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用目錄區(qū)塊鏈簡介特征及分類12區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4核心問題33534區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用對(duì)區(qū)塊頭和nonce進(jìn)行哈希運(yùn)算（sha256(str(header)+str(nonce))），將所得哈希值與目標(biāo)哈希值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前nonce值計(jì)算的哈希值小于目標(biāo)哈希值，則挖礦成功。如果這個(gè)哈希值不小于目標(biāo)值，礦工就會(huì)修改這個(gè)

nonce（通常將之加1）然后再試。其中，目標(biāo)哈希值target=2**（256-Difficulty）難度值Difficulty是節(jié)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整的，調(diào)整規(guī)則為New

Difficulty=OldDifficulty*（Actual

time

of

last

2016

Blocks/20160

minutes）.即：最新

2016個(gè)區(qū)塊花費(fèi)時(shí)長與20160分鐘（2周，即這些區(qū)塊以10分鐘一個(gè)的速率所期望花費(fèi)的時(shí)長）比較所得。工作量證明區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用5.核心問題35工作量證明區(qū)塊頭包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得區(qū)塊的隨機(jī)散列值出現(xiàn)了所需的0個(gè)數(shù)。節(jié)點(diǎn)通過反復(fù)嘗試來找到這個(gè)隨機(jī)數(shù)，這樣就構(gòu)建了一個(gè)工作量證明機(jī)制。工作量證明機(jī)制的本質(zhì)是一CPU一票，“大多數(shù)”的決定表達(dá)為最長的鏈，因?yàn)樽铋L的鏈包含了最大的工作量。如果大多數(shù)的CPU為誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)控制，那么誠實(shí)的鏈條將以最快的速度延長，并超越其他的競爭鏈條。如果想要修改已出現(xiàn)的區(qū)塊，攻擊者必須重新完成該區(qū)塊的工作量外加該區(qū)塊之后所有區(qū)塊的工作量，并最終趕上和超越誠實(shí)節(jié)點(diǎn)的工作量。區(qū)塊鏈技術(shù)介紹和應(yīng)用5.核心問題分叉同一時(shí)間段內(nèi)全網(wǎng)不止一個(gè)節(jié)點(diǎn)能計(jì)算出隨機(jī)數(shù)，即會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中廣播它們各自打包好的臨時(shí)區(qū)塊（都是合法的）。某一節(jié)點(diǎn)若收到多個(gè)針對(duì)同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時(shí)區(qū)塊，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)在本地區(qū)塊鏈上建立分支，多個(gè)臨時(shí)區(qū)塊對(duì)應(yīng)多個(gè)分支。該僵局的打破要等到下一個(gè)工作量證明被發(fā)現(xiàn)，而其中的一條鏈條被證實(shí)為是較長的一條，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)換陣營，開始在較長的