一種去中心化的數(shù)據(jù)庫---區(qū)塊鏈PPT精品課件（國科大數(shù)據(jù)庫新技術(shù)）

1、一種去中心化的數(shù)據(jù)庫-區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈簡介1區(qū)塊鏈主要技術(shù)區(qū)塊鏈主要技術(shù)2區(qū)塊鏈基本原理區(qū)塊鏈基本原理35目錄 區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁磪^(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?區(qū)塊鏈的特點區(qū)塊鏈的特點 區(qū)塊鏈的應(yīng)用區(qū)塊鏈的應(yīng)用 區(qū)塊鏈現(xiàn)狀區(qū)塊鏈現(xiàn)狀區(qū)塊鏈簡介01區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈技術(shù)what is blockchain?區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈技術(shù)是由多方共同記錄和維護(hù)的一個分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫通過哈希索引形成一種鏈狀鏈狀結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)的記錄和維護(hù)通過密碼學(xué)技術(shù)密碼學(xué)技術(shù)來保護(hù)其完整性，使得任何一方難以篡改、抵賴、造假。核心技術(shù)密碼學(xué)原理共識機(jī)制分布式存儲分布式分布式核算和存儲，共享交易賬本，共同維護(hù)可靠數(shù)據(jù)庫參與節(jié)點擁

2、有完整數(shù)據(jù)庫拷貝安全可信采用非對稱密碼學(xué)對交易簽名，使交易不能被偽造；哈希算法保證交易不能被篡改；工作量證明抵御攻擊；自治性交易條件和狀態(tài)內(nèi)嵌，不需要認(rèn)為干預(yù)； 區(qū)塊鏈的組成區(qū)塊鏈的組成上一區(qū)塊頭的哈希值隨機(jī)數(shù)區(qū)塊體區(qū)塊體上一區(qū)塊頭的哈希值隨機(jī)數(shù)區(qū)塊體區(qū)塊體上一區(qū)塊頭的哈希值隨機(jī)數(shù)區(qū)塊體區(qū)塊體區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊體的結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊體的結(jié)構(gòu)版本號前一區(qū)塊頭的Hash值時間戳隨機(jī)數(shù)目標(biāo)哈希Merkle根區(qū)塊頭區(qū)塊頭區(qū)塊體區(qū)塊體交易1.交易4交易3交易2.Hash4Hash1Hash2Hash3Hash12Hash34Hash1234區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈技術(shù)交易流程交易流程 交易生成 AB 交易傳播

3、挖礦 整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點驗證 交易形成區(qū)塊鏈發(fā)展區(qū)塊鏈發(fā)展區(qū)塊鏈1.0-數(shù)字貨幣區(qū)塊鏈2.0-智能合約區(qū)塊鏈3.0-廣泛應(yīng)用可編程貨幣，比特幣等貨幣應(yīng)用；可編程金融，是經(jīng)濟(jì)、市場和金融領(lǐng)域的區(qū)塊鏈應(yīng)用；可編程社會，是超越貨幣、經(jīng)濟(jì)和市場的應(yīng)用，特別在政府、健康、科學(xué)、文化等領(lǐng)域；區(qū)塊鏈技術(shù)特點去中心去中心化化去信任去信任可靠數(shù)可靠數(shù)據(jù)庫據(jù)庫集體維集體維護(hù)護(hù)信息不信息不可篡改可篡改區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式賬本，一種通過去中心化,去信任的方式集體維護(hù)一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案。 去中心化去中心化 去信任去信任 區(qū)塊鏈就是將所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了備份，并不僅僅局限于一臺電腦上，而是備份到全世界所有的電腦上 換句話說，

4、這些數(shù)據(jù)都已經(jīng)對外公開，任何個人或機(jī)構(gòu)都無法進(jìn)行篡改或造假 因為要修改一個基于區(qū)塊鏈的信用記錄，就必須修改世界上每個人的手機(jī)，每個人的電腦，甚至所有的智能設(shè)備，這個幾乎不可能實現(xiàn) 不可篡改性不可篡改性我們的微信微信,QQ群群就是一個不可篡改的數(shù)據(jù)庫微信群里記錄的是聊天記錄，聊天記錄不可篡改聊天記錄不可篡改。而區(qū)塊鏈也是存著一些特定的“聊天記錄”，這些記錄在區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缋镉歇?dú)特的名字交易。這些歷史交易使用區(qū)塊鏈的方式保存就不可篡改。優(yōu)點：優(yōu)點：記錄的信息不可篡改，可信任缺點缺點：在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)需要修改是時常發(fā)生的事情，比如銀行卡密碼忘記了，需要重置密碼；賬戶被盜需要追回資金等等，對于不可

5、篡改的區(qū)塊鏈而言，這些都是硬 應(yīng)用場景應(yīng)用場景需求端需求端金融、醫(yī)療、公證、通信、供應(yīng)鏈、域名等領(lǐng)域都開始意識到區(qū)塊鏈的重要性并開始嘗試將技術(shù)與現(xiàn)實社會對接投資端投資端區(qū)塊鏈的投資資金供給逐步上升，風(fēng)投的投資熱情也不斷高漲，投資密度越來越大，供給端的資金供給有望推動技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展市場應(yīng)用市場應(yīng)用區(qū)塊鏈能成為一種市場工具，幫助社會削減平臺成本，讓中間機(jī)構(gòu)成為過去，區(qū)塊鏈將促使公司現(xiàn)有業(yè)務(wù)模式中心的轉(zhuǎn)移，有望加速公司的發(fā)展社會結(jié)構(gòu)社會結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈技術(shù)有望將法律與經(jīng)濟(jì)融為一體，徹底顛覆原有社會的監(jiān)管模式，組織形態(tài)會因其而發(fā)生改變，區(qū)塊鏈也許最終會帶領(lǐng)人們走向分布式自治的社會區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)狀區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)

6、狀-巨頭企業(yè)提前布局巨頭企業(yè)提前布局應(yīng)用于支付寶愛心捐贈平臺；試點“醫(yī)聯(lián)體+區(qū)塊鏈”項目；區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈技術(shù)賦能物流搭建了區(qū)塊鏈服務(wù)端Baa；加入超級賬本開源項，并上線了電寵物萊茨狗。提供公有云區(qū)塊鏈服務(wù)發(fā)起了融區(qū)塊鏈合作聯(lián)盟；開發(fā)聯(lián)盟鏈云服務(wù)BaaS；項目多屬于實驗性、非核心項目多屬于實驗性、非核心傳統(tǒng)大型金融企業(yè)改革成本大傳統(tǒng)大型金融企業(yè)改革成本大加入R3，搭建區(qū)塊鏈云平臺直聯(lián)清算系統(tǒng)將正式投產(chǎn)前景展望前景展望-區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈+ 區(qū)塊鏈+政府 區(qū)塊鏈+醫(yī)療 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng) 區(qū)塊鏈+能源 區(qū)塊鏈+能源 哈希函數(shù)哈希函數(shù) Merkel Tree Merkel Tree 加密算法加密算法 數(shù)字

7、簽名數(shù)字簽名區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)02區(qū)塊鏈主要技術(shù)區(qū)塊鏈主要技術(shù)哈希函數(shù)哈希函數(shù)n哈希函數(shù)哈希函數(shù)一種將輸入的字節(jié)數(shù)據(jù)散列化散列化的不可逆不可逆的函數(shù)，例如SHA256相當(dāng)于一個消息的縮寫。n特點特點 相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結(jié)果 輸入的數(shù)據(jù)一旦稍有變化，就會得到一個千差萬別的結(jié)果，結(jié)果無法預(yù)測 正向計算(由數(shù)據(jù)計算其對應(yīng)的Hash值)十分容易 逆向計算(俗稱“破解”由Hash值計算其對應(yīng)的數(shù)據(jù))相當(dāng)困難 哈希函數(shù)用于區(qū)塊鏈，需要有非常高的安全標(biāo)準(zhǔn)，需要滿足密碼安全級別。要使哈希函數(shù)達(dá)到密碼安全， Secure Hash Algorithm 256 (SHA-256)比特幣世界中所采用的哈希算法S

8、HA256.SHA算法大致分為如下三個步驟：常量初始化信息預(yù)處理計算消息摘要計算消息摘要過程如下:Step1：將消息分解成n個512-bit大小的塊Step2：n次迭代運(yùn)算區(qū)塊鏈主要技術(shù)區(qū)塊鏈主要技術(shù)Merkel Treen Merkel TreeMerkel Tree 一種哈希二叉樹哈希二叉樹可以快速校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，Merkel Tree被用來記錄區(qū)塊中所有的交易信息，最終生成這個區(qū)塊所有交易信息的一個統(tǒng)一哈希值，任何一筆交易信息的改變都會使得整個樹改變n 工作原理工作原理 非葉子節(jié)點value的計算方法是將該節(jié)點與所有子節(jié)點進(jìn)行組合，然后對組合結(jié)果進(jìn)行Hash計算所

9、得出的哈希值區(qū)塊鏈主要技術(shù)區(qū)塊鏈主要技術(shù)加密算法加密算法n 對稱加密對稱加密n 非對稱加密非對稱加密區(qū)塊鏈主要技術(shù)區(qū)塊鏈主要技術(shù)數(shù)字簽名數(shù)字簽名n 數(shù)字簽名數(shù)字簽名數(shù)字簽名涉及到一個哈希函數(shù)、發(fā)送者的公鑰、發(fā)送者的私鑰。數(shù)字簽名有兩個作用：確定消息確實是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來的數(shù)字簽名能確定消息的完整性 區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu) 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò) 區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)區(qū)塊鏈原理03區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù) 全網(wǎng)所有的交易記錄都以交易單的形式存儲在區(qū)塊鏈中區(qū)塊鏈：公開的、去中心化、去信任分布式賬本區(qū)塊形成過程區(qū)塊形成過程在當(dāng)前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立刻開始下一個區(qū)塊

10、的生成工作把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊體中在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交易信息的Merkle樹，把樹根樹根的值保存在區(qū)塊頭中把上一個剛剛生成的區(qū)塊的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)通過SHA256 算法生成一個哈希值填入到當(dāng)前區(qū)塊的父哈希值父哈希值中把當(dāng)前時間保存在時間戳字段戳字段中通過共識算法來確定新區(qū)塊(礦工爭奪記賬權(quán)利)，在比特幣中的共識算法是工作量證明算法POW，進(jìn)行POW的過程也叫挖礦區(qū)塊頭父哈希父哈希值值實現(xiàn)區(qū)塊的連接隨機(jī)數(shù)隨機(jī)數(shù)用來實現(xiàn)挖礦機(jī)制時間戳?xí)r間戳記錄時間順序Merkle根根記錄交易區(qū)塊體交易信息輸入輸入輸入密鑰密鑰密鑰Bitcoin的區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)block headertransac

11、tion data hash:00000000000000001aad2., ver:2, prev_block:00000000000000003043., time:1391279636, mrkl_root:89776., nonce:459459841, n_tx:354, size:181520, tx: . , mrkl_tree: 6bd5eb25., . 89776cdb. 共識機(jī)制與挖礦共識機(jī)制與挖礦 在沒有中心控制的情況下，在互相沒有信任基礎(chǔ)的個體之間就交易的合法性需要達(dá)成共識 目前主要有4類：POW、POS、DPOS、分布式一致性算法l 先打包交易構(gòu)建區(qū)塊再挖礦版本號|父

12、區(qū)塊哈希|merkle樹根|時間戳|難度系數(shù)|NonceEg.目標(biāo)難度：0 x00000000003A300C000000找到Nonce，使Hash值小于目標(biāo)值（eg.Nonce+）l 區(qū)塊驗證驗證該區(qū)塊滿足挖礦難度交易數(shù)據(jù)符合規(guī)范l 曠工獎勵50BTC-25BTC-12.5BTC交易費(fèi)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)P2P網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)n P2PP2P網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)沒有中心節(jié)點所有節(jié)點是對等的區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈1.0技術(shù)架構(gòu)技術(shù)架構(gòu)區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈1.0 1.0 代表代表 比特幣比特幣誕生時間誕生時間：2009年1月3日誕生，block1 是在1月9號才被挖出來。產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景：2008年，爆發(fā)全球金融危機(jī)。當(dāng)時有人用“中

13、本聰?shù)幕l(fā)表了一篇論文，描述了比特幣的模式。第一次公允匯率：第一次公允匯率：2010年5月，弗羅里達(dá)程序員用1萬枚比特幣購買了25美元的披薩優(yōu)惠券。區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈2.0技術(shù)架構(gòu)技術(shù)架構(gòu)增加智能合約出塊時間10分鐘縮短至15s增加POS DPOS PBFT擴(kuò)充區(qū)塊大小支持發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)化加密算法、merkle樹區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈2.0 2.0 代表代表 以太坊以太坊組成部分組成部分?jǐn)?shù)字貨幣以太幣（Ether） + 用來構(gòu)建和發(fā)布分布式應(yīng)用的以太腳本（EtherScript）。應(yīng)用場景應(yīng)用場景以太坊可以用來創(chuàng)建去中心化的程序、自治組織和智能合約特點特點智能合約（smart contract）：存儲在區(qū)塊鏈上

14、的程序，由各節(jié)點運(yùn)行，需要運(yùn)行程序的人支付手續(xù)費(fèi)給結(jié)點的礦工或權(quán)益人。叔塊（uncle block）：將因為速度較慢而未及時被收入母鏈的較短區(qū)塊鏈并入。使用的是有向無環(huán)圖的相關(guān)技術(shù)。權(quán)益證明（proof-of-stake）：相較于工作量證明，可節(jié)省大量在挖礦時浪費(fèi)的電腦資源，并避免特殊應(yīng)用集成電路造成網(wǎng)絡(luò)中心化。 共識共識機(jī)制機(jī)制 我們在解釋什么是區(qū)塊鏈時，可以用一句簡潔明了的去中心化分布式分類賬來概括，但是在這個賬本中，是如何對在幾乎相同時間內(nèi)的產(chǎn)生的事物前后排序的，就涉及到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機(jī)制。 所以共識機(jī)制，就是在一個時間段內(nèi)對事物的前后順序達(dá)成共識的一種算法。共識機(jī)制的作用共識機(jī)制的作

15、用 它就像一個國家的法律，維系著區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绲恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)。 在區(qū)塊鏈上，每個人都會有一份記錄鏈上所有交易的賬本，鏈上產(chǎn)生一筆新的交易時，每個人接收到這個信息的時間是不一樣的，有些想要干壞事的人就有可能在這時發(fā)布一些錯誤的信息，這時就需要一個人把所有人接收到的信息進(jìn)行驗證，最后公布最正確的信息。目前常用的幾種共識機(jī)制目前常用的幾種共識機(jī)制1、工作量證明機(jī)制工作量證明機(jī)制(Proof of Work - (Proof of Work - PoWPoW) ) 是我們最熟知的一種共識機(jī)制。就如字面的解釋，PoW就是工作越多，收益越大。這里的工作就是猜數(shù)字，誰能最快的猜出這個唯一的數(shù)字，誰就能做信息公示人。

16、2、權(quán)益證明機(jī)制權(quán)益證明機(jī)制(Proof of Stake-(Proof of Stake-PoSPoS) ) 也屬于一種共識證明，它類似股權(quán)憑證和投票系統(tǒng)，因此也叫“股權(quán)證明算法”。由持有最多（token）的人來公示最終信息。3、拜占庭共識算法（拜占庭共識算法（Practical Byzantine Fault Tolerance- PBFTPractical Byzantine Fault Tolerance- PBFT） 也是一種常見的共識證明。它與之前兩種都不相同，PBFT以計算為基礎(chǔ)，也沒有代幣獎勵。由鏈上所有人參與投票，少于（N-1）/3個節(jié)點反對時就獲得公示信息的權(quán)利 思考題 從第6-7頁區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)，結(jié)合我們已經(jīng)介紹的密碼學(xué)技術(shù)，說明區(qū)塊鏈為什么是不可篡改的？比特幣中的每個區(qū)