区块链知识—区块链基础入门介绍课件.pptx
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1、区块链基础入门目 录一区块链基础知识二区块链发展历程三区块链关键技术 四区块链产业现状 五区块链应用场景六区块链主流平台区块链基础知识区块链技术最初源自于中本聪(Satoshi Nakamoto)2008年提出的比特币(Bitcoin)。被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动/社交网络之后计算范式的第五次颠覆式创新。被誉为人类信用进化史上继血亲信用、贵金属信用、纸币信用之后的第四个信用里程 碑。区块链基础知识本小节脉络结构:比特币区块链技术基本概念区块链基础知识比特币1.1 从比特币到区块链从比特币到区块链什么是比特币?一种基于区块链底层框架技术的数字货币。早在20世纪80年代,人们就已经开
2、始了“数字货币”的探索。但是直到比特币出现,“数字加密货币”的想法才变成了现实。区块链基础知识比特币1.在2008年11月,一个化名为中本聪的人在一篇“比特币:一种点对点的电子现金系 统”论文中,描述了一种如何建立一套全新的、去中心化的点到点交易系统的方法,并将他在论文中提出的理念付诸实践,开始研发比特币相关的功能2.2009年1月3日,比特币系统正式开始运行,比特币的第一个区块(也称“创世区块”)诞生了。3.2009年1月12日,中本聪通过比特币系统发送了10个比特币给密码学家哈尔芬尼(Hal Finney),这是比特币系统自上线以来完成的第一笔交易。区块链基础知识比特币比特币解决了以往数字
3、比特币解决了以往数字货货币存币存在在的几的几个个问题:问题:发行机构控制货币的发行以及相关政策,可以决定一切;以前的“数字货币”都无法做到匿名化交易;货币自身的价值无法得到保证;所持货币对于持币人来说不具备完全的安全性。区块链基础知识区块链定义本质:是一个去中心化的数据库,它是比特币的核心技术与基础架构,是分布式数据 存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。狭义定义: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、不可伪造的分布式账本。广义定义: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
4、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。区块链基础知识区块链定义相比现有的数据库技术,区块链具有以下技术特征:1.形成块链式的数据结构2.分布式共识算法从技术层面杜绝了非法篡改数据的可能性,从而取代了传统应用中保证信任和交易安全的第三方中介机构,降低了为维护信用而造成的时间成本、人力成本和资源耗用。3.密码学方式区块链系统利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全。存储在区块链上的交易信息 是公开的,但账户的身份信息是高度加密的。区块链系统集成了对称加密、非对称加密 及哈希算法的优点
5、,并使用数字签名技术来保证交易的安全。区块链基础知识区块链定义多个机构在区块链网络中相互监督并实时对账1.多中心智能合约大大提高了经济活动与契约的自动化程度2.自动化记录不可篡改,无需第三方可信中介3.可信任4.开放性区块链的数据信息公开透明区块链基础知识区块链相关概念交易(Transaction):区块链上每一次导致区块状态变化的操作都称为交易,每一次 交易对应唯一的交易哈希值,一段时间后便会对交易进行打包。区块(Block):打包记录一段时间内发生的交易和状态结果,是对当前账本的一次共 识。每个区块以一个相对平稳的时间间隔加入到链上,在企业级区块链平台中,共识 时间可以动态设置。链(Cha
6、in):区块按照时间顺序串联起来,通过每个区块记录上一个区块的哈希值 关联,是整个状态改变的日志记录。区块链基础知识区块链相关概念区块链主要结构区块链基础知识区块链相关概念主要技术创新:1.分布式账本2.加密技术和授权技术3.共识机制(PoW、PoS、DPoS、Paxos、RAFT、PBFT等)共识机制是区块链系统中各个节点达成一致的策略和方法。区块链的共识机制替代了传 统应用中保证信任和交易安全的第三方中心机构,能够降低由于各方不信任而产生的第 三方信用成本、时间成本和资本耗用。4.智能合约智能合约是可以自动化执行预先定义规则的一段计算机程序代码,它自己就是一个系统 参与者。它能够实现价值的
7、存储、传递、控制和管理,为基于区块链的应用提供了创新 性的解决方案。区块链基础知识区块链分类按节点参与方式公有链(Public Blockchain)联盟链(Consortium Blockchain)私有链(Private Blockchain)许可链(Permissioned Blockchain)按权限不同非许可链(Permissionless Blockchain)联盟链和私有链属于许可链,公有链属于非许可链。区块链基础知识区块链分类区块 链私有链联盟链公有链公有链联盟链私有链中心化中心化程程度度分布式去中心化多中心式单中心式参与主参与主体体控制控制任何节点可接入预先设定具有特定特 由
8、中心控制者制定参 征的参与主体与成员信息公信息公开开程度程度账本完全公开(可匿名)联盟内部公开公司内部公开(可匿名)(可匿名)区块链基础知识区块链分类1.公有链(比特币、以太坊(Ethereum)等)在公有链中,每个节点都可以自由加入或者退出网络,参与链上数据的读写、执行交 易,还可以参与网络中共识达成的过程,即决定哪个区块可以添加到主链上并记录当 前的网络状态。公有链是完全意义上的去中心化区块链,它借助密码学的加密算法保证链上交易安全。在采取共识算法达成共识时,公有链主要采取工作量证明(PoW,Proof of Work)机制、权益证明(PoS,Proof of Stake)机制和股份授权证
9、明(DPoS,Delegated Proof of Stake)机制等共识算法,将经济奖励和加密数字验证结合起来,来达到去 中心化和全网达成共识的目的。其完全去中心化和面向大众的特性,公有链通常适用于“虚拟加密货币”和面向大众的一些金融服务以及电子商务等。区块链基础知识区块链分类2.联盟链联盟链不是完全去中心化的,而是一种多中心化或者部分去中心化的区块链。在区块链系统运行时,它的共识过程可能会受某些指定节点的控制。联盟链账本上的数据与公有链的完全公开是不同的,只有联盟成员节点才可以访问,并且链上的读写权限、参与记账规则等操作也需要由联盟成员节点共同决定。由于联 盟链场景中的参与者组成一个联盟,
10、参与共识的节点相对公有链而言会少很多,并且 一般是针对某个商业场景,所以共识协议一般不采用与工作量证明类似的挖矿机制,同时也不一定需要代币作为激励机制,而是采用PBFT、RAFT这类适用于多中心化且 效率较高的共识算法。同时,联盟链对交易的时间、状态、每秒交易数等与公有链有很大区别,所以它比公有链有更高的安全和性能要求。区块链基础知识区块链分类联盟链属于一种许可链,意味着不是任何人都能自由加入网络中,而是需要一定的权限 许可,才可以作为一个新的节点加入。当前联盟链典型的代表有Linux基金会支持的超级 账本(Hyperledger)项目、R3区块链联盟开发的Corda,以及趣链科技推出的 Hy
11、perchain平台等。区块链基础知识区块链分类3.私有链私有链,是指整个区块链上的所有写入权限仅仅掌握在一个组织手里,而读取权限可 以根据情况对外开放或者任意进行限制。相比于公有链和联盟链,私有链的价值主要体现在它可以提供一个安全、可追溯、不可篡改的平台,并且可以同时防止来自内部和外部的安全攻击。与联盟链一样,私有链也属于一种许可链,不过它的许可权掌握在单一节点中,在有 些场景中,私有链还被称为专有链。当下私有链的应用不是很多,开创者都在努力探索之中。当前已经存在的应用主要有 英国币科学公司(Coin Sciences Ltd.)推出的多链(Multichain)平台,这个平台的 宗旨是希望
12、能帮助各企业快速地部署私链环境,提供良好的隐私保护和权限控制。目 录一区块链基础入门二区块链发展历程三区块链关键技术 四区块链产业现状 五区块链应用场景六区块链主流平台区块链发展历程区块链发展历程技术起源比特币是中本聪站在巨人的肩膀上,基于前人的各种相关技术和算法,结合自己独特的 创造性思维而设计出来的。相关基础技术发展历史:相关基础技术发展历史:区块链利用工作量证明区块链利用工作量证明(Proof of Work,PoW)这种共识机制来实现交易更新和共 享,解决了Leslie Lamport等人在1982年提出的拜占庭将军问题(Byzantine Generals Problem),这是一个
13、非常著名的、具有容错性的分布式计算领域问题,即 在一个存在故障节点和错误信息的分布式系统中保证正常节点达到共识,保证信息传 输的一致性。1990年,Leslie Lamport提出了 Paxos算法,Paxos共识算法能在分布 式系统中达成高容错性的全网一致性。但是Paxos共识算法不考虑拜占庭将军问题,Barbara Liskov在1999年提出的拜占庭容错算法(Practical Byzantine fault tolerance,PBFT),改进了Paxos算法,使其可以处理拜占庭将军问题。区块链发展历程技术起源PoW机制机制源于Cynthia Dwork在1993年提出的工作量证明思想
14、,最初被广泛应用于过滤垃圾邮件。1997年,Adam Back发明了Hashcash,一种工作量证明算法,利用成本函数的不可逆性,具有难于破解却易于验证的特点。其算法设计理念被中本聪改进之后,成为比特币区块链 节点达成共识的核心技术之一,达到防止伪造交易的目的,是比特币的基石。1998年,Wei Dai再一次使用PoW机制提出了匿名的分布式电子货币系统B-money,该系 统在没有第三发帮助下实现点对点交易,并且不可篡改,这也使得B-money成为第一个去 中心化的电子加密货币。比特币区块链的许多思想就是借鉴B-money。1999年,Markus Jakobsson和Ari Juels正式发
15、表了工作量证明这个概念。区块链发展历程技术起源2005年,Hal Finney提出可重复使用的工作量证明机制(Reusable Proofs of Work,RPOW),结合Wei Dai提出的B-money系统与Adam Back发明的Hashcash算法来创造数 字加密货币。2008年,中本聪在一个隐秘的密码学论坛组发表了一篇关于比特币的论文,提出了利用 PoW和时间戳机制构造出链式交易区块,实现了一种去中心化的匿名支付方式。而时间戳机 制最早由Stuart Haber与W.Scott Stornetta提出,用来确保电子文件安全,中本聪在比特 币中采用了这一技术,对账本中的交易进行追本溯
16、源。区块链发展历程技术起源为保证区块链中交易的安安全性全性区块链技术采用1992年Scott Vanstone等人提出的椭圆曲线数字签名算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm,ECDSA)。1985年,Neal Koblitz和Victor Miller两人最先将椭圆曲线用于密码学中,独立提出椭圆曲 线密码学(Elliptic Curve Cryptography,ECC)。ECDSA正是在ECC的基础上提出的。ECC与之前的RSA同为建立公开密钥加密算法,但是ECC可用简短且快速的密钥达到与RSA相 同的安全强度,且更加难以攻破。ECC逐渐
17、成为保障网络安全与隐私的首选之策。在安全隐私方面,比特币很多设计与创新借鉴了密码学匿名现金系统eCash,这是 David Chaum在1990年针对自己在1982提出的不可追踪密码学网络支付系统理念开创的。虽然 eCash不是一个去中心化的系统,但它足以成为数字货币历史上重要的里程碑。区块链发展历程1.0 数字货币在2009年比特币上线之后,由于比特币区块链解决了“双花问题”和“拜占庭将军问 题”,真正扫清了“数字货币”流通的障碍。比特币等数字货币的架构一般都可分为三层:区块链层、协议层和货币层。区块链层作为这些“数字货币”系统的底层技术,是最核心部分,系统的共识过程、消息传递等核心功能都是
18、通过区块链达成的。区块链发展历程2.0 智能合约因为比特币和其他山寨币存在资源消耗严重、无法处理复杂逻辑等严重问题,业界将 注意力逐渐转移到更有价值的区块链技术上,产生了运行在区块链上的模块化、可重 用、自动执行脚本,即智能合约。在这一阶段,区块链技术开始脱离“数字货币”领域的创新,其应用范围延伸到金融 交易、证券清算结算、身份认证等商业领域。以太坊是这一阶段的代表性平台,它是一个区块链基础开发平台,提供了图灵完备的 智能合约系统。通过以太坊,用户可以自己编写智能合约,构建去中心化的DAPP。基 于以太坊智能合约图灵完备的性质,开发者可以编程任何去中心化应用。在区块链2.0阶段,以智能合约为主
19、导,越来越多的金融机构、初创公司和研究团体加 入了区块链技术的探索队列,推动了区块链技术的迅猛发展。区块链发展历程3.0 超越货币、经济和市场随着区块链的继续发展,我们可以大胆构想,区块链技术或许将广泛而深刻地改变人 们的生活方式,并重构整个社会,重铸信用价值。将来当区块链技术发展到一定程度时,整个社会进入区块链时代,每一个个体都可作 为区块链网络中的一个节点。社会资源的分配使用去中心化技术,区块链或将成为一 个促进社会经济发展的理想框架。目 录一区块链基础入门二区块链发展历程三区块链关键技术 四区块链产业现状 五区块链应用场景六区块链主流平台区块链关键技术基础模型区块链基本架构可以分为数据层
20、、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层:数据层封装了区块链的链式结构、区块数据以及非对称加密等区块链核心技术;网络层提供点对点的数据通信传播以及验证机制;共识层主要是网络节点间达成共识的各种共识算法;激励层将经济因素引入到区块链技术体系之中,主要包括经济因素的发行机制和分配机制;合约层展示了区块链系统的可编程性,封装了各类脚本、智能合约和算法;应用层则封装了区块链技术的应用场景和案例。区块链关键技术基础模型区块链关键技术数据层数据层是区块链的核心部分,区块链本质上是一种数据库技术和分布式共享账本,是由包含交易信息的区块从后向前有序连接起来的一种数据结构。该层涉及的技术主要包括:区块结构、Me
21、rkle树、非对称加密、时间戳、数字签名和 哈希函数。时间戳和哈希函数相对比较简单,这里重点介绍一下区块结构、Merkle树、非对称加密和数字签名。区块链关键技术数据层1.区块结构每个区块一般都由区块头和区块体两部分 组成。区块头部分包含了父区块哈希值、时间戳、Merkle根等信息。区块体部分则包含着此区块中所有的交易信息。除此之外,每一个区块还对应着两 个值来识别区块:区块头哈希值(可唯一标识一个区块)和区块高度(不能唯一标识一个区块)。版本信息前一区块哈希值时间戳随机数Merkle根交易数据.区块头区块体前 一 区 块后 一 区 块区块链关键技术数据层字段大小(字节)描述版本4版本号,用于
22、跟踪软件/协议的更新父区块哈希值32引用区块链中父区块的哈希值Merkle根32该区块中交易的Merkle树根的哈希值时间戳4该区块产生的近似时间难度值4该区块工作量证明算法的难度目标Nonce4用于工作量证明算法的计数器表1.1区块头详细结构区块链关键技术数据层2.Merkle树Merkle树是一棵哈希二叉树,树的每个叶子节点都是一笔交易的哈希值。以比特币为例,在比特币网络中,Merkle树被用来归纳一个区块中的所有交易,同时 生成整个交易集合的数字指纹即Merkle树根,且提供了一种校验区块是否存在某交易 的高效途径。生成一棵Merkle树需要递归地对每两个哈希节点进行哈希得到一个新的哈希
23、值,并将 新的哈希值存入Merkle树中,直到两两结合最终只有一个哈希值时,这个哈希值就是 这一区块所有交易的Merkle根,存储到上面介绍的区块头结构中。区块链关键技术数据层图1.5Merkle树区块链关键技术数据层第一步,需要使用两次SHA256算法对每笔交易数据进行哈希运算,得到每笔交易的哈希 值,这里可以得到HA、HB、HC、HD这4个哈希值,也就是这棵Merkle树的叶子节点。HA=SHA256(SHA256(交易A)第二步,对两个叶子节点HA、HB的哈希值同样使用两次SHA256进行组合哈希运算,将 会得到一个新的哈希值HAB,对HC、HD进行同样的操作将获得另一个哈希值HCD。H
24、AB=SHA256(SHA256(HAHB)第三步,对现有的两个哈希值HAB、HCD进行第二步中的组合运算,最后将得到一个新的 哈希值HABCD,此时我们已经没有了其他同高度节点,所以最后的HABCD就是这一棵 Merkle树的Merkle根。之后将这个节点的32字节哈希值写入到区块头部Merkle根字段中。Merkle树的整个形成过程结束。HABCD=SHA256(SHA256(HABHCD)区块链关键技术数据层因为Merkle树是一棵二叉树,所以它需要偶数个叶子节点,也就是偶数笔交易。若出现奇数笔交易,Merkle树的解决方案是将最后一笔交易进行一次复制,以此构造成偶 数个叶子节点,这种偶
25、数个叶子节点的二叉树也称为平衡树。当需要证明交易列表中的某笔交易存在时,一个节点只需计算log2N个32字节的哈希值,就可以形成一条从Merkle树根到特定交易的路径,Merkle树的效率如表1.2所示。区块链关键技术数据层3.非对称加密与数字签名非对称加密是区块链技术中用于安全性需求和所有权认证时采用的加密技术,常见的非 对称加密算法有RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC(椭圆曲线加密算法)和ECDSA(椭圆曲线数字签名算法)等等,基于非对称加密算法可使通信双方在不安全 的媒体上交换信息,安全地达成信息的一致。与对称加密算法不同的是,非对称加密算法需要两个密钥:公开密
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