区块链原理与应用-数字经济的视角 课件2-2.分布式账本与点对点网络

分布式账本与点对点网络区块链体系结构菠萝村的故事在一个遥远的地方，存在一个名为菠萝村的小社区。这个村庄因其独特的交易记录方式而闻名——一个公共的公告板记录着村民之间的每一笔交易。随着时间的推移和交易量的增加，村民们面临了记录空间不足和信息安全的双重挑战。本故事展示了菠萝村如何通过创新和协作，采用分布式账本与点对点网络技术，解决了这些问题，从而确立了一个更加安全、透明和高效的经济活动管理系统。菠萝村的故事---面临的挑战菠萝村的村民们习惯在村中心的大公告板上记录他们之间的每一笔交易，无论是商品的买卖还是服务的交换。这种方式在初期确保了交易的透明度和公正性，成为村民信任与合作的基石。随着时间推移，随着交易量的增加，公告板的空间变得不够用。更重要的是，交易信息开始出现被篡改的情况，这让村民们感到不安，信任感开始动摇。村民们面临的挑战不仅仅是空间不足，还有记录的安全性问题，这促使他们思考和寻找更为有效和安全的记录交易的方法。菠萝村的故事---转向集中式记录面对交易记录的挑战，菠萝村做出了一个重要决定：将记录任务委托给一个可信赖的人——村长。每天交易结束后，村长负责将所有交易详细记录在大账本中。这一改变不仅简化了个人的记录负担，还加强了整个系统的可靠性和信任。村长成为了交易记录的守护者，确保信息的准确性和安全。通过集中记录，减少了记录错误和信息篡改的风险。村民们现在可以依赖一个更加结构化和可靠的系统来查看交易记录。菠萝村的故事---每日总账的创新引入为了解决交易记录日益增长的挑战，菠萝村的村民们引入了一项创新的做法——日总账。这一做法要求在每天结束时，汇总当天所有的交易记录，形成一个集体的“日总账”。在每个夜晚，村民们聚集在一起，借着灯笼的柔和光芒，讨论和总结当天的所有交易。这一过程不仅增强了社区之间的合作，还提高了交易记录的效率和可靠性。日总账的引入，标志着菠萝村从单一的、易于篡改的公告板记录，向一个更加安全、可靠且集体维护的记录系统的转变。这一创新方法不仅让村民们能够更有效地管理和追踪交易，也为整个社区带来了更强的凝聚力。菠萝村的故事---解决地理距离问题面对地理分布带来的挑战，菠萝村的村民们采取了一种创新的方法来共享交易信息。尽管一些家庭距离村中心的公告板较远，但通过互相借阅账本，村民们成功地实现了信息的有效传递。在这个过程中，村民们形成了一个动态的、去中心化的网络。他们通过传统的方式，如传递书籍或卷轴，进行点对点的信息交换。这种方法不仅解决了地理距离的问题，还加快了信息的传播速度。通过建立桥梁和路径，克服物理距离的限制。通过社区的共同努力，村民们确保了每个人都能及时接收到最新的交易信息。菠萝村的故事---从菠萝村到区块链技术菠萝村的日总账系统，通过每日汇总交易信息形成连续的记录链条，预示了现代区块链技术的基本原则。每一份日总账就像是区块链中的一个区块，紧密连接着前一天的信息，保证了数据的连续性和不可篡改性。我们看到，一系列的日总账（或卷轴、书籍）形成了一条长长、坚不可摧的链条。这不仅象征着区块链技术的安全性和持续性，也反映了其去中心化和社区共同努力的特点。村民们的共同参与，不仅强化了记录系统的安全性和透明度，还展现了传统社区如何通过合作和创新，解决现代技术问题的能力。菠萝村的故事---从菠萝村到区块链技术菠萝村的故事虽然根植于传统，但其精髓深深植入了分布式账本和点对点网络的现代科技理念。通过将古老的智慧与前沿技术相结合，菠萝村揭示了如何建立一个更加公平、透明和安全的交易记录系统。分布式账本技术分布式账本是一种记录数据的技术，它将数据复制、分布和同步到网络中的多个地点或参与者。与传统的集中式账本相比，分布式账本不依赖于中央权威机构来验证或记录事务。它通过网络中的各个节点之间的共识机制来保证数据的一致性和不可篡改性。在20世纪70年代，随着计算需求的增长和技术的进步，对于分布式计算的需求开始显现，标志着分布式系统概念的诞生。这一时期，LeslieLamport等计算机科学家对分布式系统理论的研究，如对事件顺序的理解和“拜占庭将军问题”的提出，为这一领域奠定了理论基础。进入1980年代，互联网的兴起为分布式数据库的发展提供了技术平台，推动了分布式事务处理技术的进步，如两阶段提交机制的应用。到了21世纪，云计算和大数据的兴起进一步推动了分布式系统技术的发展，云服务平台和大数据处理框架如Hadoop，使得分布式计算和存储技术得到了广泛应用，并为处理海量数据提供了可能分布式系统的诞生分布式账本中的数据存储结构---Merkle树Merkle树，也称为哈希树，是一种树形数据结构，其中每个非叶子节点都是其子节点内容的加密哈希。叶子节点包含数据（如交易或文件）的哈希值。这种结构使得可以通过比较顶层的哈希值快速验证整个数据集的完整性，而无需下载全部数据。在区块链中，Merkle树用于高效、安全地验证交易列表的完整性，尤其在比特币和以太坊等主要区块链项目中得到了广泛应用。分布式账本中的数据存储结构---MPT树根节点（通常为空或代表树的起始）位于顶部，每个子节点都代表字符串中的一个字符，从根节点到任一叶子节点的路径都代表数据集中的一个键或单词，同一层级的节点可能会代表不同的单词中相同位置的相同字符。在给定的前缀树示例中，树结构存储了单词"blanket","black","block","chain","change",和"extend"。我们可以通过遍历从根节点到特定叶子节点的路径来找到这些单词。例如，为了找到单词"block"，我们从根节点开始，沿着包含字符'b'、'l'、'o'、'c'、'k'的路径进行遍历，最终到达代表单词"block"结束的叶子节点。分布式账本中的数据存储结构---MPT树在PatriciaTrie中，例如，单词"blanket"和"black"共享相同的前缀"bl"，在标准Trie中这将需要两个独立的节点来存储字符'b'和'l'，但在PatriciaTrie中，这个共享前缀只被存储一次，作为一个单一的节点，这样就节省了空间并提高了查询效率。这种结构的好处就在于便于使查找的次数尽可能的少，一些钱包地址是非常长的，所以这种方法很好的压缩了路径。分布式账本中的数据存储结构---MPT树起点-根扩展节点： Trie的根是一个扩展节点，其前缀为0，共享节点部分为b5，这意味着所有键都共享这个前缀。第一次分支： b5指向一个分支节点，这个分支节点有16个可能的分支，对应十六进制的0到f。键b58231e中的下一个字符是8，因此我们跟随分支节点中的第8个槽位，这指向了另一个扩展节点。第二个扩展节点：

在这个扩展节点中，我们有一个共享节点部分为2，表示所有后续路径都会包含这个部分，此节点指向另一个分支节点。第二次分支：

在这个分支节点中，我们根据键中的下一个字符3选择了对应的槽位，但因为5.00ETH对应的键是b58231e，我们实际上需要查找1对应的槽位，因为我们已经处理了b5823部分。最终的叶子节点：

分支节点中1对应的槽位指向5.00ETH的叶子节点，在叶子节点中，prefix值为2，表示这是一个叶子节点，并且后面是偶数个nibbles，key-end是1e，这是键的最后一部分，value是5.00ETH，表示与键b58231e相关联的值。对等网络点对点网络是一种去中心化的网络架构，其中每个参与者（或节点）可以直接与其他参与者通信，而无需经过中心服务器。这种网络结构使得数据可以在节点之间直接交换，从而提高了系统的可扩展性和容错能力。P2P网络是分布式技术的基础，允许数据和资源在网络中的多个点之间共享。点对点（P2P）网络技术开始于20世纪的后半叶，P2P网络最初的概念简单而直接——在网络中的每个节点（即“对等体”）能够直接与其他节点交换数据，而无需中央服务器的介入。这一概念的提出，标志着网络通信方式的一次重大转变，从中心化模型转向了更为灵活和分散的模式。2001年，BitTorrent协议的出现成为P2P网络发展史上的一个里程碑。BitTorrent通过一种创新的方式优化了文件传输的效率：将大文件分割成小块，允许用户下载时同时从多个节点获取数据，然后再在本地组装这些数据块。这种方法不仅加快了下载速度，也减轻了单个服务器的负担。2009年，随着第一个成功的加密货币比特币的诞生。比特币的背后是一种全新的P2P网络——区块链点对点网络的诞生有中心服务器的网络对等网络服务器位于核心位置，与其它多个客户端或者节点直接连接。每个节点都通过网络向中心服务器发送请求，并从中心服务器接收数据和服务。中心服务器处理所有的数据存储、处理和响应任务，而节点则通常依赖服务器来进行资源的访问。这个图中标注了四个不同的箭头，分别表示不同的数据流向：实线箭头：表示数据的实际流动方向。在这里，所有节点与中心服务器之间有双向的数据交换，节点可以向服务器发送请求，并从服务器接收响应。虚线箭头：可能表示与外部网络或其他系统的连接，这里指的是“直流进”和“直流出”，可能意味着数据可以直接从外部流入中心服务器，或者从中心服务器流向外部。中央服务器：是网络的核心，处理来自所有节点的请求，并管理数据存储。节点：表示客户端或末端用户，它们与服务器进行交互，但不直接与彼此交互。纯分布式网络对等网络每个节点都直接与其他多个节点连接，没有中央控制点或服务器。节点之间的连接形成了一个网状结构，每个节点既是数据的提供者也是数据的接收者。在这个图示中，每个圆圈代表网络中的一个节点。箭头表示数据可以在节点之间直接传输的路径，说明了数据传输的双向性。这种网络结构非常适合于需要高度去中心化的应用，例如加密货币网络和某些文件分享系统。每个节点通过算法达成共识，验证和记录交易，这是区块链技术的基础。然而，这种网络也可能面临一些挑战，比如网络的同步问题，以及如何有效地搜索和路由到特定的节点混合式网络对等网络某些节点具有中心化的特征，表现为更多的连接（在图中为灰色的较大节点），而其他节点（在图中为较小的白色节点）则可能以分布式的形式连接到这些中心节点或相互之间。混合式网络结构通常由以下几部分组成：中心化节点：这些节点在图中显示为较大的圆圈，它们可能扮演特殊的角色，如协调通信、处理更多的数据或提供重要的服务。它们与多个其他节点有直接的连接，有时候这些节点也被称作超级节点或锚点节点。普通节点：这些节点在图中显示为较小的圆圈，它们可能直接连接到中心化节点，或者在某些情况下与其他普通节点连接。普通节点依赖于中心化节点来获取网络资源或与网络中的其他部分通信。在区块链领域，混合式网络可能被用于特定的区块链(比如EOS)实现，其中某些节点（如区块链的全节点）承担着更多的数据验证和传输任务，而轻节点（如钱包应用）则依赖于全节点来获取信息。这种结构有助于在去中心化和网络效率之间找到一个折衷点对等网络特征集中式网络分布式网络(P2P)混合式网络去中心化程度低（有中心服务器）高（无中心服务器）中等（结合中心化与去中心化）效率高（中心服务器处理所有请求）低至中等（取决于网络和协议）中等至高（优化特定操作）扩展性有限（受中心服务器能力限制）高（节点可以随意增加）中等（取决于中心节点的扩展能力）共识机制无（中心服务器决策）PoW、PoS、DPoS等取决于具体实现容错能力低（单点故障风险）高（无单点故障）中等（部分中心节点提供容错）主要应用传统企业应用、Web服务加密货币、文件共享某些区块链平台、内容分发网络P2P网络核心技术：Gossip协议Gossipprotocol也叫EpidemicProtocol（流行病协议），实际上它还有很多别名，比如：“流言算法”、“疫情传播算法”等。这个协议的作用就像其名字表示的意思一样，非常容易理解，它的方式其实在我们日常生活中也很常见，比如电脑病毒的传播，森林大火，细胞扩散等等Gossip过程是由种子节点发起，当一个种子节点有状态需要更新到网络中的其他节点时，它会随机的选择周围几个节点散播消息，收到消息的节点也会重复该过程，直至最终网络中所有的节点都收到了消息。这个过程可能需要一定的时间，由于不能保证某个时刻所有节点都收到消息，但是理论上最终所有节点都会收到消息，因此它是一个最终一致性协议。P2P网络核心技术：Gossip协议信息传播机制节点间的信息传播是通过周期性地与随机选择的邻居节点交换信息来实现的。这种方法不仅能够快速地将信息传播到网络中的每个角落，而且由于其随机性，它还能够有效地应对网络拓扑的变化，如节点的加入和离开。随机化和交换策略Gossip协议核心的随机化策略确保了信息交换的公平性和系统的可扩展性。随机选择邻居节点和信息内容可以减少网络中的热点，避免某些节点成为信息传播的瓶颈。自适应性和容错性根据网络状态和节点性能自适应调整信息传播策略。这种自适应性提高了协议在动态变化环境下的效率和可靠性。。P2P网络核心技术：Gossip协议为了简化，以一个包含12个节点的系统为例，其中1号节点作为种子节点开始传播信息。我们假设每个节点每次最多向2个其他节点传达信息（即fanout为2）。在第一周期，种子节点1选择节点2和6传播信息。进入第二周期，现在节点1、2和6都参与传播，节点1选择节点5和7，节点2选择节点3和4，而节点6选择节点8和10。这样，到第二周期结束时，有7个节点接收到了信息。在第三周期，这7个节点各自向未被感染的节点传播，假设节点3传播给了节点9，节点4给了节点11，节点8给了节点12。这样，在第三周期结束时，所有12个节点都接收到了信息，达到了系统的信息同步。这个过程呈指数级增长，使得信息能够在对数时间内快速传播到整个网络中的每一个节点。。对等网络中共识的传播和达成（例）102911821431201523192671236假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？对等网络中共识的传播和达成（例）292911311415313131233136233636假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？对等网络中共识的传播和达成（例）293131311531313136313636363636假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？对等网络中共识的传播和达成（例）313131313136363136363636363636假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？对等网络中共识的传播和达成（例）313131363636363636363636363636假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？对等网络中共识的传播和达成（例）363636363636363636363636363636假定每个节点只能同自己的邻居通信，如何找到全局最大/最小标号？分布式账本和点对点网络的关系技术基础：点对点网络为分布式账本提供了一个去中心化的通信框架，使得分布式账本能够在没有中央服务器的情况下运行。这意味着分布式账本技术依赖于P2P网络来实现其去中心化的特性。数据分发和共识：在P2P网络中，分布式账本技术通过网络中的所有节点共享和复制账本数据，确保所有参与者都拥有数据的一个完整且更新的副本。此外，DLT利用P2P网络来实现共识机制，如工作量证明（PoW）或权益证明（PoS），以验证和记录事务，确保网络中的数据一致性和安全。去中心化和安全性：P2P网络的去中心化特性与分布式账本的需求相吻合，共同提高了系统的透明度、安全性和抗审查性。通过分