《区块链技术原理与实践》课件-1第1章区块链概述

区块链概述BlockchainOverview梧桐区块链实验室WuTongblockchainLaboratory引导部分00“区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。我们要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展。”习近平2019年10月24日中央政治局第十八次集体学习加快推动区块链技术和产业创新发展2016年12月15日，区块链被写入我国《“十三五”国家信息化规划》，被列为需要加强基础研发和前沿布局的重要发展方向和重点前沿技术。《“十三五”国家信息化规划》区块链是国家战略信息技术交易：记录一笔资产转移的过程。区块：记录一段时间内全局最新交易的数据块。区块链：通过共识机制，确定全局认可的区块，把区块按时序串接在一起，形成全局公开账簿。区块链是一种分布式共享账本技术区块链用于解决信任问题区块链技术特点狭义：区块链是一种按照时间顺序将数据区块依次链接形成的链式数据结构，并以密码学方法保证数据块的不可篡改不可伪造。广义：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，利用密码学方式保证数据传输和访问安全，利用由自由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。去中介去中介点对点交易防篡改多方共识记账易追溯块链式结构防丢失全网分布保存知识目标掌握区块链的体系架构；熟悉区块链1.0的运行过程及其特征；学习重点区块链的体系架构，运行过程技能目标了解区块链的技术演进、关键技术及其应用场景；学习难点区块链1.0的运行过程学习目标区块链的发展历史DEVELOPMENTHISTORYOFBLOCKCHAIN区块链的体系结构ARCHITECTUREOFBLOCKCHAIN区块链的特征TYPICALAPPLICATIONSCENARIOS区块链的关键技术KEYTECHNOLOGIESOFBLOCKCHAIN其他主流区块链平台典型应用场景课程总结课堂提问参考资料课后习题REVIEWQUESTIONINGASSIGNMENTREFERENCECHARACTERISTICSOFBLOCKCHAINOTHERMAINSTREMBLOCKCHAINPLATFORMS01DEVELOPMENTHISTORYOFBLOCKCHAIN区块链的发展历史发展简史

198519911997200819821982年，莱斯利·兰伯特提出拜占庭将军问题（ByzantineGeneralsProblem）

1985年，提出椭圆曲线密码学（EllipticCurveCryptography，ECC）。1997年，亚当·贝克发明Hashcash（哈希现金），Hashcash是一种工作量证明算法（ProofofWork，PoW）此算法仰赖成本函数的不可逆特性，达到容易被验证，但很难被破解的特性，最早被应用于阻挡垃圾邮件。Hashcash之后成为比特币区块链所采用的关键技术之一（亚当·贝克于2002年正式发表Hashcash论文）。20141991年，提出用时间戳确保数位文件安全的协议，此概念之后被比特币区块链系统所采用。.

2008年，中本聪发表了一篇关于比特币的论文，描述了一个点对点电子现金系统，能在不具信任的基础之上，建立一套去中心化的电子交易体系。

第一代区块链由此诞生。2014年，维塔利克·布特林（V神）发布以太坊白皮书，并提出智能合约概念，以用于货币以外的数字形式资产的转移，如股票、债券等。开发者可以在以太坊网络上基于智能合约开发各种分布式应用DAPP，极大扩展区块链应用场景。第二代区块链由此诞生。2015年区块链技术高光时刻（备注）。区块链的发展历史21区块链的技术演进区块链的诞生从物物交换到数字货币的产生人类使用货币初衷物物交换1数字货币的难点与比特币的诞生数字货币失败原因比特币白皮书《Bitcoin：Apeer-to-peerElectronicCashSystem》2区块链与比特币的区别区块链是构建比特币数据结构与交易信息加密传输的基础技术3区块链的诞生区块链的诞生物物交换到数字货币的诞生货币缺失时代人类社会发展初期以物易物货币1.0时代石头贝壳布匹充当一般等价物货币2.0时代金属货币的出现是经济社会发展到一定阶段的成果货币3.0时代商业社会的发展纸币钱庄以主权国家信用为担保电子货币（ElectronicMoney）在互联网上或通过其他电子通信方式进行支付的手段。以物易物一般等价物金属货币纸币电子货币2008年11月，中本聪比特币白皮书《比特币：一个点对点的电子现金系统》（Bitcoin：Apeer-to-peerElectronicCashSystem）解决困扰电子货币发展三大难题：重复支付问题，依赖第三方中心问题与发行量控制问题。区块链的诞生数字货币的难点与比特币的诞生交易无需金融机构参与采用点对点技术交易采用PoW取代中心信任节点可离开或重加入网络，接收最长链的变化并更新账本大多数节点忠实共同维护最长链

比特币的交易示意图区块链的诞生比特币的交易所有者2的公钥随机数列所有者1的公钥交易所有者3的公钥随机数列所有者2的公钥交易所有者2的私钥所有者3的私钥所有者1的公钥随机数列所有者0的公钥交易所有者1的私钥验证验证签名签名区块链的诞生HowDoesBitcoinWork？图片来源：倪明选In

What

we

trust？图灵大会2017年5月区块链的诞生区块链与比特币的区别VS一个基于密码学的数字货币工作量证明PoW最大7笔/s公有链不符合金融监管要求一种分布式价值传递架构多种共识算法，如PoS、DPoS、PBFT等不同算法速度不同公有链、私有链、联盟链技术、协议与法律均处于论证阶段本质区别交易速度

算法链接形式局限性比特币区块链区块链的技术演进P2P网络技术非对称加密算法分布式数据库数字货币技术起源分布式账本块链式数据结构默克尔树工作量证明区块链1.0智能合约去中心化应用……区块链2.0

区块链发展示意图P2P网络技术又称对等互联网技术或点对点技术，区块链系统连接各对等节点的组网技术，是与中心化连接网络相对应的建构在互联网上的连接网络。P2P网络技术是构成区块链技术架构的核心技术之一。区块链的技术演进P2P网络技术P2P网络模式中心化网络模式一种基于密钥的信息加解密方法成对公钥加密，对应的私钥方能解密公钥私钥使用不同的密钥，因此被称为非对称加密算法区块链使用非对称加密的公私钥对建立节点间的保密通信，保证节点可信性及可验证性区块链的技术演进非对称加密算法（PUBLICKEYANDPRIVATEKEY）

密文传输加密解密明文内容甲方明文内容乙方乙的公钥乙的私钥非对称加密算法加密、解密过程区块链的技术演进分布式数据库（DISTRIBUTEDDATEBASE）

P2P网络技术非对称加密算法分布式数据库数字货币技术起源分布式数据库是一个数据集合，逻辑上属于同一系统，物理上却分散在计算机网络的若干节点上，且要求各节点具有自治处理能力，能执行本地应用。区块链借助分布式数据库思想，将数据分散在网络中各个节点上，数据难篡改，保证数据稳定性与安全性。数字货币（DigitalCurrency）基于数字技术，依托网络传输、非物理形式存在的价值承载和转移的载体。所有利用数字技术打造的货币都可称为数字货币。特点分布性逻辑相关性区块链的技术演进分布式账本块链式数据结构默克尔树工作量证明区块链1.0分布式账本（DistributedLedger）分布式数据库技术在电子货币领域的应用，可在多节点，不同地理位置或多机构组成的网络系统中分享的资产数据库资产安全性和准确性，公钥私钥定义使用权，实现基于密码学对账本维护参与者共同更新各节点账本完整一致分布式账本块链式数据结构前一区块默克尔根前块哈希时间戳随机数后一区块区块链数据链式存储块链式数据结构保证交易数据防篡改节点获取记账权时需前一区块哈希值、当前时间戳、一段时间发生有效交易及MerkleTree根值打包区块全网广播每一区块和前一区块均有密码学链接防篡改区块链的技术演进默克尔树工作量证明默克尔树区块链基本组成部分之一，哈希大量聚集数据‘块’的方式根哈希（RootHash）：单一的哈希指针工作量证明（ProofofWork，Pow）比特币的奖励机制：区块奖励交易费通过节点占有资源比例分配记账权，希望该资源不可垄断，若该资源为计算能力称之为工作量证明。比特币是工作量证明系统，通过哈希函数解密的方式证明工作量。

区块链的技术演进区块链2.0智能合约去中心化应用……区块链2.0以数字形式定义的承诺自动执行的计算机程序体现特定应用系统业务逻辑通过引入智能合约，使用者类似于发起一笔交易，要求执行指定合约的相关业务规则，使得区块链系统演变为去中心化的计算平台智能合约去中心化应用分布式应用(DAPP)区块链技术在数字货币之外的应用分布式身份证明分布式自治组织以智能合约、分布式应用为代表的第二代区块链技术很有可能在未来广泛而深刻地改变人类的生产和生活方式。02ARCHITECTUREOFBLOCKCHAIN区块链的体系结构区块链的体系结构321区块链1.0的运行过程区块链的类型区块链的技术架构区块链的技术架构区块链1.0技术架构应用层实现转账和记账功能激励层发行机制分配机制共识层工作量证明（PoW）网络层P2P网络传播机制验证机制数据层区块数据链式结构数字签名哈希函数默克尔树非对称加密区块链的技术架构区块链2.0技术架构应用层数字钱包可编程（货币/金融/社会）合约层运行环境脚本语言合约脚本激励层发行机制代币分配机制共识层工作量证明（PoW）权益证明委任权益证明……网络层P2P网络安全传输访问控制数据层数据区块时间戳哈希指针哈希函数默克尔树非对称加密盲签/环签/同态加密/零知识证明/混币/分区等区块链的技术架构由区块串联而成的“链”区块链1.0的运行过程区块构造区块链1.0的运行过程比特币运行过程：节点发起交易，交易广播给节点（矿工）每个矿工将当前10min内收到的每一笔交易加盖时间戳，记入当前区块通过解SHA256难题竞争该10min区块的合法记账权，争取获得奖励若一个矿工解开10min内的SHA256难题，公布该块记录的所有时间戳交易，其他矿工核对核对无误，竞争下一区块发起交易传播交易验证交易添加区块区块链的类型公有链联盟链私有链

公有链联盟链私有链参与者任何人授权的公司和组织个体或一个公司内记账人任何人参与者协调授权控制自定信任机制工作量证明等集体背书自行背书中心化程度去中心化多中心化中心化突出优势信用的自建立效率、成本优化透明、可追溯典型应用场景比特币清算审计承载能力7～1000次/s1000次/s以上1000次/s以上03CHARACTERISTICSOFBLOCKCHAIN区块链的特征区块链的特征去中心化透明性最基本特征信任基础开放性对参与节点公开自治性基于协商一致的规范和协议不宜篡改性两套加密机制防篡改匿名性哈希加密去中心化优势更强计算能力更低成本更高可靠性自增长能力劣势节点间的协调节点间冗余通信对网络过度依赖系统编程复杂度高安全问题04KEYTECHNOLOGIESOFBLOCKCHAIN区块链的关键技术安全技术哈希算法非对称加密算法组网技术区块链的核心技术之一智能合约智能合约（SmartContract）由尼克萨博于1995年提出。定义：一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。数据存储区块数据结构数据库区块链的关键技术共识机制区块链技术的核心问题常用共识机制：PoW、PoS、DPoS、PBFT等。共识机制PoW（工作量证明）工作端对有难度的数学问题提交运算结果，他人通过验证确信已完成。主要特征：根据运算资源分配记账权哈希运算资源消耗高PoS（权益证明）所有权证明，通过其获得产生新区块的权利与PoW同等挖矿难度比，减少了运算难度和资源消耗，性能有提升。仍基于哈希运算的竞争方式，可监管性弱DPoS（委任权益证明）解决PoW和PoS机制不足可产生N个见证人进行签名，权益所有者保留了控制权使系统实现去中心化。PBFT（实用拜占庭容错算法）基于异步网络环境状态机副本复制协议，与一般公有链基于经济博弈原理不同。允许35%节点作恶。安全技术哈希算法哈希算法概念哈希算法特点常见哈希算法哈希算法用途数据摘要或散列算法，原理是将一段信息映射成一个固定长度的二进制——哈希值⭐信息查询数据校验哈希指针数据摘要⭐MD5SHA1SHA256SM3等

⭐某两段信息相同，哈希值也相同某两段信息不同，即使仅差一个字符，哈希值不同，且毫无关联⭐哈希算法概念哈希算法特点常见哈希算法哈希算法用途安全技术哈希算法目前区块链主要使用SHA256;国内某些特定业务场景使用国密SM3哈希碰撞：如果两个哈希值相同，那么这两个输入值可能是相同的也可能不同，输入相同的情况称为“碰撞（collision）”，理想的哈希算法很难靠反推找到两段哈希值一致而内容不同的明文（发生碰撞）。各类哈希算法的性能可以通过其抗碰撞性进行评价。加密算法安全性运算速度输出大小（位）MD5低快128SHA1中中160SHA256高比SHA1略慢256SM3高比SHA1略慢256典型哈希算法的特点非对称加密算法是区块链基础技术之一使用非对称的公钥和私钥构建节点间的信任非对称加密算法由一一对应的公钥和私钥组成公钥加密，私钥解密安全技术非对称加密算法加密算法成熟度安全性运算速度资源消耗RSA高低慢高ECC高高中中SM2高高中中常用非对称加密算法的特点智能合约组网技术SmartContract由尼克萨博于1995年提出，以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。智能合约工作原理类似于计算机程序中的if-then语句本质为程序，存在出错可能性，做好容错机制。区块链核心技术之一，在去中心化的组网架构中区块链才能实现不依赖中心网络的特性区块链网络协议一般采用P2P协议，各节点共同提供服务，无特殊节点智能合约组网技术区块链中，数据以区块方式永久储存时间戳解决排序问题，新区块记录上一区块哈希值，实现区块密码学链接每一区块记录所有交易信息区块主标识符为加密哈希值；另一方式为按照区块在链中位置即“块高度”数据存储区块数据结构区块链的数据结构

块高度：124头哈希：000……436e父哈希：000……23e5默克尔根时间戳难度随机数交易单1交易单2……

块高度：123头哈希：000……23e5父哈希：000……257e默克尔根时间戳难度随机数交易单1交易单2……

块高度：125头哈希：000……143e父哈希：000……436e默克尔根时间戳难度随机数交易单1交易单2……数据存储数据库关系型数据库非关系型数据库关系模型组织数据支持各种SQL功能，读写性能一般，可扩展性弱键值对数据库的数据结构组织形式不支持复杂的SOL功能和事务，读写性能很高，可扩展性强数据海量并发情况表现差支持海量并发读写请求数据存储数据库单机型数据库分布式数据库保证强一致性和较好可用性物理部署遵循分布式架构，可提供高并发读写性能与容错性，很强的可用性和分区容错性一致性较弱只能保证最终一致性区块链中，待存储为字符串，JSON对象，可使用扩展账本结构链存储图片，视频等较大多媒体文件，可将文件哈希值存储链上，源文件可使用云存储置于云端。05OTHERMAINSTREMBLOCKCHAINPLATFORMS其他主流区块链平台其他主流区块链平台大企业领衔的商业化联盟链项目超级账本开源平台最大特点：引入了图灵完备的虚拟机运行脚本代码以太坊最大特点：预留共识模块接口。梧桐链R3联盟背后的创业公司被设想为许可分布式账本Corda其他主流区块链平台特性以太坊超级账本Corda梧桐链平台描述通用区块链平台模块化区块链平台金融行业专用分布式账本平台区块链系统平台管理方以太坊开发者Linux基金会R3联合开发各机构运行模式无授权，可公开，可私有有授权，私有有授权，私有有授权共识基于pow挖矿，账本层面支持多种方法，更宽泛的共识理解，交易层面对共识的特定理解，交易层面预留共识模块接口，实现Raft和MBFT共识算法智能合约智能合约代码智能合约代码智能合约代码智能合约代码06TYPICALAPPLICATIONSCENARIOS典型应用场景基于核心企业的供应链金融平台区块链在供应链金融方面的应用核心企业一级供应商形成应付账款区块链供应链金融平台二级供应商开立信用凭证支付金融机构融资申请发票、货物、资金三流合一融资本金+融资利息+综合费承兑根据信用凭证持有情况进行资金划拨持有信用凭证兑付持有信用凭证兑付融资还本付息可引入上游企业加入平台利用信用凭证进行支付N级供应商业务流资金流核心企业可基于自身应付账款，在金融机构保贴范围内开立数字信用凭证，并承诺在数字信用凭证到期日进行兑付。供应商可依据实际贸易背景，利用数字信用凭证支付给上游企业；供应商可使用数字信用凭证进行融资。运用区块链技术，对航运理货报告、航运保险数据等进行存证、公示和追溯，同时提供基于区块链的文档安全分享、流转、比对查验等功能，降低上下游企业间的摩擦，增强互信典型应用场景区块链在航运物流方面的应用“区块链+公证”，运用科技手段推出数字治理工具,将区块链技术运用法治领域,改进公证等服务流程,最大限度消除服务盲区。公证机构作为节点加入，具有公信力保障；区块链技术可以确保不被篡改，数据加密上链确保数据隐私安全。目前,苏州已有苏州公证协会、相城公证处、中新公证处等数家公证处作为节点加入。典型应用场景区块链在司法存证方面的应用基于区块链技术架构的公证摇号系统区块链在司法存证方面的应用通过区块链公证摇号系统，利用公证公信力和区块链技术双重背书，实现摇号流程中各节点实时查询、追溯、监管的功能，杜绝人为因素干预，提高摇号应用的公信力。区块链+防伪溯源区块链防伪溯源：连接数字与物理，通过安全开放的数据，得知产品的前世今生每个物理产品都拥有唯一的电子标签、具有数字化的历史。可以跟踪和验证其起源、属性及所有权等数字与物理连接通过强大的加密技术及共识机制建立品牌公信力，实现品牌价值传递让消费者放心可追溯到所有物理产品生命周期旅程记录。防止假冒商品的销售，以及当前系统中存在的“双重支出”认证问题产品的旅行提供公开透明的供应链数据平台，帮助预防和减少损失，深度挖掘每个环节的财富透明度07REVIEW课程总结区块链的体系结构区块链的技术架构区块链1.0运行过程区块链的类型区块链的关键技术共识机制智能合约安全技术数据存储典型应用场景区块链在供应链金融方面的应用区块链在航运物流方面的应用区块链在司法存证方面的应用区块链发展历史区块链的特征其他主流区块链平台区块链的诞生区块链的技术演进六大特征以太坊超级账本Corda梧桐链学习内容选择题：1WhatdoesP2Pstandfor?__________APasswordtoPasswordBPeertoPeerCProducttoProductDPrivateKeytoPublicKey2AblockinaBlockchainhasaheaderand_________ATransactionsBInputsCDigitalLedgerDBitcoins3ThealgorithmforconsensusintheBitcoinblockchainiscalled_____protocol.AProofofElapsedTimeBProofofWorthCProofofStakeDProofofWork快速复习判断题：1Ablockchainenablespeer-to-peertransferofdigitalcurrencywithoutanyintermediariessuchasbank.TrueorFalse?TrueFalse2Transactionconfirmationisindependentlyperformedbyallminernodes.TrueorFalse?FalseTrue选择题：1P2P是什么意思?__________APasswordtoPasswordBPeertoPeerCProducttoProductDPrivateKeytoPublicKey2区块链的区块有头（header）和_________ATransactions交易BInputs输入CDigitalLedger数字账本DBitcoins比特币3比特币区块链的共识算法是_____protocol.

AProofofElapsedTimeBProofofWorthCProofofStakeDProofofWork快速复习（中文版）判断题：1区块链可以在没有银行等中介机构的情况下实现数字货币的点对点传输。对还是错？TrueFalse2交易确认由所有miner节点独立执行。对还是错？FalseTrue08QUESTIONING课堂提问区块链的类型有哪些？区块链有哪些特征？区块链的关键技术都有哪些？课堂提问09REFERENCE参考资料参考书籍：区块链技术原理与实践一本书读懂区块链区块链基础知识25讲图说区块链

视频资料：区块链是一场引领人类走向智能社会的大革命?区块链是如何改变世界的区块链下的金融新世界参考资料文章：WhatisBlockchainTechnology?AStep-by-StepGuideForBeginnersBlockchain:TheInvisibleTechnologyThat'sChangingtheWorldAGentleIntroductiontoBlockchainTechnology

PPT：区块链技术与产业发展现状和趋势（马小峰上海区块链技术研究中心同济区块链研究院）INWHATWETRUST?（倪明选UniversityofMacau）10ASSIGNMENT课后习题课后习题选择题：1Whatisthegenesisblock?AThefirsttransactionineachblockBThelastblockcreatedintheBlockchainCAnyblockcreatedbythefounderDThefirstblockofaBlockchain2Wherearethetransactionsrecordedinablockchain?AOnadistributedimmutableledgerBOnaSQLiteDatabaseCOnaSQLDatabaseDOnacentral