区块链原理与应用 课件 第1章 区块链技术简介

区块链技术简介区块链的诞生一般等价物原始人使用以物易物的方式交换物品，并使用贝壳等作为一般等价物黄金货币黄金等贵金属因为开采困难，不容易形成通货膨胀因而适合作为货币纸质货币由国家金融机构发行并由国家信用担保的货币电子货币由计算机系统管理、并完成交易流程的货币区块链是中本聪作为去中心化数字货币系统（比特币）的技术基础提出的区块链的基本概念定义在分布式环境中产生的哈希链式数据结构结构每个区块包含区块头与数据区两部分，其中数据头包含前一个区块的哈希值特点由分布式系统中的节点共同生成与维护，所有节点输出的区块链是相同的从不同角度认识区块链从名字定义理解区块链一种链式数据打包存储的数据结构从数字货币角度理解区块链比特币等数字货币的基础设施从数据存储的角度理解区块链高冗余的数据存储系统从分布式计算角度理解区块链去中心化的分布式计算平台密码数字货币与区块链技术的核心要素共识协议计算模型激励机制共识协议保证区块链系统安全运行的基础骨架激励机制保证区块链系统运行活力的血液计算模型保证区块链系统灵活扩展的神经系区块链系统的层次结构典型的区块链系统分层结构分为网络层、共识层以及应用层三层结构。共识层居于区块链系统的中心位置，习惯上将共识层称作第一层（Layer1）网络层为共识层提供支撑与服务，通常被称为第零层（Layer0）应用层承载了数字货币以等去中心化应用，通常称为第二层（Layer2）。

共识层Layer1:应用层Layer2:网络层Layer0:Layer0网络层去中心化的P2P网络架构去中心化：信息的传输和服务通过节点之间多跳传播（Gossip）的方式实现高扩展性：可以轻松支持数以万计的节点参与高可用性：在部分节点失效时能够自动调整整体拓扑，保持其它节点的连通性高性价比：网络与存储成本分摊到所有的参与节点，并利用参与节点的空闲资源提供服务比特币P2P网络生成网络协议比特币的P2P网络基于TCP协议构建，其主网采用的默认通信端口是8333

节点寻址节点采用域名服务与硬编码地址两种方式寻找可用的节点网络生成节点默认连接8个不同的邻居节点并支持最多125个来自其他节点的连接请求，形成一个随机连接的网络网络测量参数消息通过5-7跳的传播将会覆盖50%−90%的节点，消耗数秒到数十秒的时间Layer1共识层共识协议需要满足三个特性安全性（Safety）：也称为一致性，所有诚实节点在协议执行结束后针对输入请求达成一致活性（Liveness）：也称为中止性，所有诚实节点应该能在预定的时间内完成协议执行有效性（Validity）：诚实节点达成一致的输入应该来自于某一节点的真实请求，有时也用公平性来描述

需要注意的是，区块链通常提到的不可篡改特性是由哈希链式结构提供的，而不是共识协议的原生安全特性共识协议要素网络环境如果诚实节点间的网络延迟上限是已知，则称为同步网络，否则称为异步网络敌手模型恶意敌手可以按照任意行为执行，仅失去功能而不发送恶意消息则称为失效敌手共识结果如果在确定的时间内一定能够形成共识，称为确定性共识算法，否则称为概率性算法。如果形成的共识为最终结果，称为确定性终局（Finality），否则称为概率性终局。需要注意的是，共识协议并不是在任何条件下都存在的共识协议分类工作量证明共识协议给定一组满足计算复杂度要求的难题，如果问题被某个参与者解决则其拥有产生一个区块的权利，区块链的增长依赖于矿工的工作量证明，参与者也称为矿工。拜占庭容错共识协议“拜占庭”敌手环境的共识协议称之为拜占庭容错协议，拜占庭容错协议一般通过多轮的投票机制实现共识，拜占庭容错共识协议通常用于联盟链系统。权益证明共识协议利用参与者在系统中拥有的权益而设计的共识协议，PoS共识机制避免了PoW共识中的算力竞争，节省了能源与硬件资源的消耗。

Layer2应用层单一功能脚本语言计算模型比特币的计算层是围绕转账交易设计的，其基本的计算模型是验证交易的有效性，通过未花费交易输出的模型实现（UnspentTransactionOutput，UTXO）图灵完备的智能合约计算模型智能合约是可以被计算机系统自动执行的算法代码，区块链智能合约可以看作运行于区块链之上的一个虚拟进程，该虚拟进程的执行是在区块链共识节点所提供的虚拟机中实现的。

区块链计算层的执行代码是公开可审计的，执行结果是第三方可验证，智能合约由支持图灵完备的高级程序语言实现。智能合约的部署与资源消耗计算资源统计所有的指令周期就可以实现对计算资源的计费临时内存智能合约执行时动态开辟的物理内存持久存储保存智能合约需要持久化存储的状态数据

区块链的特点与应用场景如果存在可信方，无需使用区块链，区块链相对集中式系统通常具有更低的效率什么情况下需要使用区块链区块链的基本应用原则:需要多方参与的应用场景在多方的参与者中难以选择一个可信方Web3.0与区块链Web1.0 以数据为中心，用户利用浏览器通过门户网站，单向获取内容信息典型代表：传统门户网站、传统视频网站Web2.0 以用户为中心，用户不仅是数据的消费者，也是数据的生产者典型代表：社交网络、电商系统、短视频应用Web3.0 完整的生态体系，数据资产属于用户本人所有而不是被某个应用所控制。通过去中心化的区块链系统，参与者获得对自身数据的控制权

元宇宙与区块链元宇宙区中心化生态去中心化身份认证（生产者独立）去中心化数据应用（产品权属确认）去中心化经济系统（自由公平交易）元宇宙是计算机生成的虚拟世界，但是这个虚拟世界与真实世界存在着一个连续的价值体系，区块链提供如下功能：去中心管理机制去中心化价值传递机制

元宇宙生产力基础高带宽低延迟网络人工智能VR/AR技术区块链具体应用基本应用:密码数字货币与去中心化金融去中心化交易、去中心借贷、去中心稳定币基于区块链的新型数字资产加密数字宠物、体育明星衍生数字产