信息技术导论-区块链技术

区块链技术

10.1区块链的基本概念10.10区块链的应用场景本章内容10.2区块链的核心技术

掌握区块链的基本概念

熟悉区块链的核心技术理解区块链的特性教学目标

了解区块链的应用场景10.1区块链的概念

10.1区块链的概念

第十章

10.1.1数字货币讲到区块链，数字货币是我们绕不开的一个话题。货币是人类发展过程中的一个重大发明，主要用于流通买卖。实物货币货币的形态经理了多个阶段：代用货币金属货币信用货币数字货币电子货币计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

货币的弊端现实生活中很多人认为信用卡相对纸币形式更方便。相对于信用卡这样的集中式支付体系来说，纸币提供了更好的匿名性。另外，一旦碰到系统故障、断网、没有刷卡机器等情况，信用卡就不可用了。所以说无论是纸币还是信用卡模式，都需要额外的系统（例如银行）来完成生产、分发、管理等操作，带来很大的额外成本和使用风险。诸如伪造、信用卡诈骗、盗刷、转账等安全事件屡见不鲜。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

货币的弊端有人会说，当前银行货币形式都是数字化的，我们的资产都是通过账号来记录的。这点说的没有问题，这种模式也有人称为“数字货币1.0时代”，但是它的本质上是有一个安全可靠的第三方记账机构来实现的。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

货币的弊端这种中心化控制下的数字货币实现相对简单，但需要一个中心管控系统。但是，很多时候并不存在一个安全可靠的第三方记账机构来充当这个中心管控的角色。例如，贸易两国可能缺乏足够的外汇储备；网络上的匿名双方进行直接买卖；交易的两个机构彼此互不信任，找不到双方都认可的第三方担保；汇率的变化；可能无法连接到第三方的系统；第三方的系统可能会出现故障等情况计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

数字货币综上所述，我们需要一种数字货币，不仅能保持既有货币的这些特性，还能消除纸质货币的缺陷，这种货币类型无疑将带来巨大的社会变革，极大提高经济活动的运作效率。我们需要的是一个不存在第三方记账机构的情况下，可以交易的数字货币。这种货币主要解决的以下几个难题：（1）判定货币的真伪（2）双方货币的交易（3）避免其他货币类型带来的双重支付计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

比特币比特币出现之前已经存在一些数字货币，但它们或多或少都依赖一个第三方系统的信用担保。直到比特币的出现将工作量证明机制与共识机制结合到一起，首次实现了一套去中心化的数字货币系统。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

比特币的特点比特币可以做传统货币能做的所有事，例如买卖商品、给个人或组织汇款、贷款。比特币能中立、公正、无法被篡改地记录发生过的每一笔交易不同于传统货币，比特币是完全虚拟的。它不但没有实体，本质上也没有一种虚拟物品代表比特币。比特币隐含在收发币的转账记录中。用户只要有证明其控制权的密钥，用密钥解锁，就可以发送比特币。这些密钥通常存储在计算机的数字钱包里。拥有密钥是使用比特币的唯一条件，这让控制权完全掌握在每个人手中比特币是一个分布式的点对点网络系统。因此没有“中央”服务器，也没有中央发行机构。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

发展与展望比特币与法定货币的兑换价格也伴随着比特币概念的炒作水涨船高，我国明令禁止数字币的交易。如果你还在自我沉醉在比特币的世界，那你就完全走错了。随着比特币的火爆，各国真正开始关注的是比特币背后的区块链技术。目前，区块链技术已经脱离开比特币，在包括金融、贸易、征信、物联网、共享经济等诸多领域崭露头角。现在当人们提到“区块链”时，往往已经与比特币没有直接联系了，除非特别指出是承载比特币交易系统的“比特币区块链”。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链起源区块链技术起源于化名为“中本聪”（SatoshiNakamoto）的学者在2008年发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链本质区块链是什么？它本质是自带信任化和防止篡改的分布式记录系统。首先，区块链的主要作用是储存信息。任何需要保存的信息，都可以写入区块链，也可以从里面读取，所以它是数据库。其次，任何人都可以架设服务器，加入区块链网络，成为一个节点。区块链的世界里面，没有中心节点，每个节点都是平等的，都保存着整个数据库。你可以向任何一个节点，写入/读取数据，因为所有节点最后都会同步，保证区块链一致。最后，区块链技术支持一组特定的参与方共享数据。它可以收集和共享多个来源的事务数据，能够将数据细分为以加密哈希形式的唯一标识符，然后把它链接在一起的形成共享区块，并通过单一信息源确保数据完整性，消除数据重复，提高数据安全性。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链基本原理区块链交易过程涉及基本概念包括：（1）交易（Transaction）：一次操作，导致账本状态的一次改变，如添加一条记录。（2）区块（Block）：记录一段时间内发生的交易和状态结果，是对当前账本状态的一次共识。（3）链（Chain）：由一个个区块按照发生顺序串联而成，是整个状态变化的日志记录。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链基本原理区块链交易过程如图上图所示，如果把区块链作为一个状态机，则每次交易就是试图改变一次状态，每次生成区块就是参与者对于其中包括的所有交易改变状态的结果确认。在操作过程中，首先假设存在一个分布式的数据记录本（这方面的技术相对成熟），这个记录本只允许添加，不允许删除。其结构是一个线性的链表，由一个个“区块”串联组成，这也是其名称“区块链”的来源。新的数据要加入，必须放到一个新的区块中加入。而这个块（以及块里的交易）是否合法，可以通过一些手段快速检验出来。维护节点都可以提议一个新的区块，然而必须经过一定的共识机制来对最终选择的区块达成一致。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

比特币交易客户端发起一项交易后，会广播到网络中并等待确认。网络中的节点会将一些等待确认的交易记录打包在一起，组成一个候选区块。然后，试图找到一个nonce串（比特币用在共识算法中的一个数字）放到区块里，候选区块利用哈希算法（hash）一旦算出来正确答案，这个区块在格式上就合法了，就可以进行全网广播。大家拿到提案区块，进行验证，发现确实符合约定条件了，就承认这个区块是一个合法的新区块，被添加到链上。当然，在实现上还会有很多的细节。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链的特性1.不可伪造区块链的记录原理需要所有参与记录的节点，来共同验证交易记录的正确性。由于所有节点都在记录全网的每一笔交易，因此，一点出现某节点记录的信息和其他节点不符，其他节点就不会承认该记录，该记录也不会被写入区块。2.不可虚构当发送者广播交易信息的时候，区块链中参与记录的节点需要做的是通过历史记录验证发送者是否有能力旅行该交易，而不是验证广播的交易信息是否为真。通过历史数据的校验功能，区块链建立了信任的基础，也保证了信息的不可虚构。3.不可篡改改变某一个区块以及区块内的交易信息几乎不可能的。如果该区块被改变，那么之后的每一个区块都将被改变。因此试图篡改数据的人必须同时入侵至少全球参与记录的51%的节点来篡改数据。以上从技术角度上来讲，几乎不可能的。计算机分类

第十章

10.1区块链的概念

区块链的分类公开链，顾名思义，任何人都可以参与使用和维护，典型的如比特币区块链，信息是完全公开的。如果引入许可机制，包括私有链和联盟链两种。私有链则是集中管理者进行限制，只能得到内部少数人可以使用，信息不公开。联盟链则介于两者之间，由若干组织一起合作维护一条区块链，该区块链的使用必须是有权限的管理，相关信息会得到保护，典型如银联组织。10.2区块链的关键技术计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

P2P网络技术P2P网络技术是区块链系统连接各对等节点的组网技术，学术界将其翻译为对等网络，在多数媒体上则被称为“点对点”或“端对端”网络，是建构在互联网上的一种连接网络。不同于中心化网络模式，P2P网络中各节点的计算机地位平等，每个节点有相同的网络权力，不存在中心化的服务器。所有节点间通过特定的软件协议共享部分计算资源、软件或者信息内容。在比特币出现之前，P2P网络计算技术已被广泛用于开发各种应用，如即时通信软件、文件共享和下载软件、网络视频播放软件、计算资源共享软件等。P2P网络技术是构成区块链技术架构的核心技术之一。计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

非对称加密算法指使用公私钥对数据存储和传输进行加密和解密。公钥可公开发布，用于发送方加密要发送的信息，私钥用于接收方解密接收到的加密内容。公私钥对计算时间较长，主要用于加密较少的数据。常用的非对称加密算法有RSA和ECC。对称加密技术在区块链的应用场景主要包括信息加密、数字签名和登录认证等，在区块链的价值传输中，要利用公钥和私钥来识别身份。1．信息加密：确保信息的安全性、由信息发送者A使用接受者B的公钥对信息加密后，再发送给B，B利用自己的私钥对信息解密。比特币交易的加密即属于此场景。2．数字签名：确保数字签名的归属性、由发送者A采用自己的私钥加密信息后发送给B，B使用A的公钥对信息解密、从而可确保信息是由A发送的。3．登录认证：是由客户端使用私钥加密登录信息后，发送给服务器，后者接收后采用该客户端的公钥解密并认证登录信息。计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

非对称加密算法如在比特币交易过程中，公钥和私钥、比特币地址的生成也是由非对称加密算法来保证的。这样不对称的加密方式，增强了点对点式交易的安全性。对称加密双方使用相同的密钥，如果一方的密钥遭泄露，那么整个通信就会被破解。而非对称加密使用一对密钥，一个用来加密，一个用来解密，而且公钥是公开的，密钥是自己保存的，在通信前不需要先同步密钥，避免了在同步私钥过程中被黑客盗取信息的风险计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

分布式账本分布式账本是一种数据库类型，可在分散网络的成员之间共享，复制和同步。分布式账本记录网络参与者之间的交易，例如资产或数据交换。网络的参与者对分布式账本中记录的更新进行管理并达成共识。不涉及中央机构或第三方调解人，例如金融机构或票据交换所。分布式账本中的每个记录都有一个时间戳和唯一的加密签名，从而使分布式账本中的所有交易都可以被审核，并不会被篡改。不同于传统数据库技术的数字化所有权记录（因不需要中央管理员或中央数据存储）；这种账本能在点对点网络的不同节点之间相互复制，且各项交易均由私钥签署。计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

分布式账本

先定一个小目标！

存储的是什么？理论上可以记录一定量的二进制数据，至于是音频还是文本、视频都没有区别，但是受制于区块大小限制和交易手续费，很少有人会用保存大量数据。在这个账本里存储的资产可以是金融、法律定义上的实体，也可以是电子的资产计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

分布式账本

先定一个小目标！

谁在记账？每产生一笔交易，就需要有人进行记账。在现实生活中，是由会计做这件事情；而在加密货币的世界中，是由矿工做这件事情。作为激励，我们则需要支付一定的手续费给矿工，例如0.00000001个比特币

第十章

分布式账本在传统记账方式中，出现过漏账、假账等情况1、整个系统中所有参与的用户都能看到这个记账过程，安全得多2、分布式记账是通过权益证明（Token）来激励用户参与系统记账（使用分布式账本）（传统记账方式）10.2区块链的关键技术

第十章

共识机制10.2区块链的关键技术计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

智能合约先定一个小目标！

什么是智能合约？本质上来说，智能合约是一段程序，它以计算机指令的方式实现了传统合约的自动化处理。简单讲，智能合约就是双方在区块链资产上交易时，触发执行的一段代码，这段代码就是智能合约。“智能合约程序不只是一个可以自动执行的计算机程序，它本身就是一个系统参与者，对接收到的信息进行回应，可以接收和储存价值，也可以向外发送信息和价值。这个程序就像一个可以被信任的人，可以临时保管资产，总是按照事先的规则执行操作。简单的来说就是，你可以提前规定好合约的内容，当在满足触发合约条件的时候，程序就会自动执行合约内容计算机分类

第十章

10.2区块链的关键技术

智能合约执行步骤多方用户