區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用教育課件

1、區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用1.1 背景 先講比特幣(Bitcoin/BTC)比特幣價(jià)格單位：美元比特幣價(jià)格從誕生時(shí)的一美元兌換1300比特幣，到峰值時(shí)1100美元兌換1個(gè)比特幣。什么是比特幣？什么是區(qū)塊鏈？單位：美元瘋狂的比特幣1.1 背景 比特幣大事記2009-1-3比特幣創(chuàng)世區(qū)塊（Genesis Block）誕生，第一批比特幣被挖出2013-8德國(guó)聯(lián)邦財(cái)政部承認(rèn)比特幣為“記賬單位”，和外匯一樣可具有結(jié)算功能，但不具備充當(dāng)法定支付手段的功能。中本聰發(fā)表論文比特幣：種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)2008-10-31比特幣產(chǎn)量第一次減半2012-11-282010-5-22比特幣歷史上第一筆交易：佛羅里達(dá)程序員L

2、aszloHanyecz用1萬(wàn)個(gè)比特幣購(gòu)買了價(jià)值25美元的披薩2011-6比特幣獲得時(shí)代周刊和福布斯的關(guān)注，開始吸引主流媒體的目光2013-12五部委聯(lián)合發(fā)布關(guān)于防范比特幣風(fēng)險(xiǎn)的通知，并禁止第三方支付參與比特幣交易2015-10比特幣交易平臺(tái)火幣網(wǎng)上比特幣價(jià)格達(dá)到峰值8000元/個(gè)2013-11當(dāng)時(shí)全球最大的比特幣交易平臺(tái)Mt.Gox 宣稱85萬(wàn)個(gè)比特幣被盜，隨后破產(chǎn)2014-2Coinbase成為美國(guó)首家持牌比特幣交易所2015-12014-6美國(guó)加州最終通過(guò)AB-129法案，允許使用比特幣等數(shù)字貨幣在加州進(jìn)行消費(fèi)2015-6歐盟法院裁定比特幣交易免征增值稅2014-7戴爾、美國(guó)衛(wèi)星電視巨頭

3、Dish Network、電子商務(wù)巨頭新蛋網(wǎng)等接受比特幣支付2014-12微軟接受比特幣支付，比爾蓋茨認(rèn)為令人興奮2015年度比特幣上漲約120%，成為表現(xiàn)亮眼的投資品2015-12中國(guó)人民銀行在京召開數(shù)字貨幣研討會(huì)或推出央行數(shù)字貨幣2016-1日本首次批準(zhǔn)數(shù)字貨幣監(jiān)管法案，并定義比特幣為財(cái)產(chǎn)2016-5紐約州金融服務(wù)局（NYDFS）宣布BitLicense許可證正式生效，紐約成為美國(guó)第一個(gè)正式推出定制比特幣和數(shù)字貨幣監(jiān)管的州2016-7比特幣產(chǎn)量第二次減半41.2 相關(guān)概念Peer to Peer，簡(jiǎn)稱p2p，就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的意思。處于p2p網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等，網(wǎng)絡(luò)不依賴于一個(gè)中心。比特幣

4、的賬戶體系使用非對(duì)稱加密算法,其中用到一對(duì)秘鑰：公鑰（publickey）和私鑰（privatekey）。用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后，只有對(duì)應(yīng)的私鑰才能解密；反之如果私鑰用于加密，則只有對(duì)應(yīng)的公鑰才能解密。在發(fā)送比特幣時(shí)，交易發(fā)起者使用私鑰對(duì)他的交易申請(qǐng)進(jìn)行簽名，網(wǎng)絡(luò)上的任何人都可以使用對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)這個(gè)交易的合法性進(jìn)行驗(yàn)證。 比特幣世界中，通過(guò)私鑰可以計(jì)算得到公鑰，公鑰再經(jīng)過(guò)一系列哈希及編碼運(yùn)算就得到地址，地址可以理解為公鑰的摘要，由一串字符表示，例如：16FQCgFD5gBoJvD8kauX9oVoRQhs1NTvb4。地址使公鑰更具可讀性，類似于銀行賬號(hào)。就是比特幣生產(chǎn)過(guò)程的形象說(shuō)法。通過(guò)大量

5、計(jì)算，完成系統(tǒng)要求的的工作量證明，系統(tǒng)就會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)一定數(shù)量的比特幣。在通過(guò)“挖礦”得到比特幣的過(guò)程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒鐘能做多少次計(jì)算，就是其“算力”的代表，單位寫成hash/s，簡(jiǎn)寫 h/s。1 h/s 表示1秒鐘能做1次hash碰撞。1Kh/s=1000h/s，1Mh/s=1000Kh/s， 1 Gh/s=1000Mh/s，1Th/s=1000Gh/s ， 1Ph/s=1000Th/sP2P公鑰、私鑰地址挖礦算力51.2 相關(guān)概念礦機(jī) 隨著挖礦所需算力的不斷上升，專門制造出來(lái)挖礦的專業(yè)設(shè)備，就是礦機(jī)。礦池 一般是對(duì)外開放的團(tuán)隊(duì)開采服務(wù)器， 獎(jiǎng)勵(lì)的比特幣按算力占比分給礦工，其存在意義為提升比特幣開采

6、穩(wěn)定性。山寨幣和競(jìng)爭(zhēng)幣 我們把沒(méi)有對(duì)比特幣進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新的，完全模仿比特幣的開發(fā)出來(lái)的虛擬貨幣稱為山寨幣。通過(guò)借鑒比特比并有一定程度的改進(jìn)或創(chuàng)新的，稱為競(jìng)爭(zhēng)幣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上的山寨幣和競(jìng)爭(zhēng)幣總數(shù)多達(dá)幾百種。冷錢包 線下錢包，不聯(lián)網(wǎng)。熱錢包 線上錢包，聯(lián)網(wǎng)。市場(chǎng)深度 由所有未成交的買單和賣單構(gòu)成。是指平臺(tái)在承受大額交易時(shí)幣價(jià)不出現(xiàn)大幅波動(dòng)的能力。市場(chǎng)深度越深表明市場(chǎng)越穩(wěn)定、越成熟。 62.1 比特幣的產(chǎn)生貝殼、羽毛、牲口等實(shí)物貨幣物物交換黃金、白銀等貴金屬金屬貨幣早期紙幣、銀票、廉價(jià)金屬貨幣紙幣本位貨幣紙幣在線支付銀行卡Q幣等游戲幣電子現(xiàn)金中心化電子貨幣比特幣去中心化電子貨幣商品貨幣時(shí)代貨幣

7、價(jià)值主要取決于貴金屬的發(fā)現(xiàn)和冶煉信用貨幣時(shí)代貨幣本身沒(méi)有價(jià)值而取決于對(duì)發(fā)行機(jī)構(gòu)的信任去中心貨幣時(shí)代貨幣價(jià)值取決于人們對(duì)算法、系統(tǒng)的認(rèn)可貨幣的演化72.1 比特幣的產(chǎn)生去中心化電子貨幣比特幣之前電子貨幣的嘗試都沒(méi)有克服中心化的問(wèn)題，這類系統(tǒng)都內(nèi)生性地受制于“基于信用模式”的弱點(diǎn)。中心化貨幣由于貨幣主體單一，容易出現(xiàn)通貨膨脹、經(jīng)濟(jì)周期性波動(dòng)等缺陷，并且存在使用地區(qū)局限的問(wèn)題。去中心化電子貨幣的特點(diǎn)：沒(méi)有發(fā)行主體，不通過(guò)中央銀行或第三方機(jī)構(gòu)發(fā)行和交易貨幣發(fā)行和系統(tǒng)安全基于數(shù)學(xué)原理依托互聯(lián)網(wǎng)可以全球范圍內(nèi)使用定義目前使用范圍是否依賴中心發(fā)行數(shù)量基于比特幣數(shù)字貨幣全 球不依賴2100萬(wàn)密碼學(xué)Q幣游戲幣騰

8、訊所有游戲、業(yè)務(wù)依賴 由騰訊公司負(fù)責(zé)發(fā)行、監(jiān)管和 調(diào)控，沒(méi)有上限信用比特幣是最早的去中心化電子貨幣，雖然受比特幣啟發(fā)后來(lái)出現(xiàn)了多種競(jìng)爭(zhēng)者，但比特幣在全球的被認(rèn)可程度仍然遙遙領(lǐng)先。以比特幣和Q幣為例的去中心化電子貨幣與中心化電子貨幣的對(duì)比82.2 比特幣的產(chǎn)生比特幣的產(chǎn)生發(fā)明人Satoshi Nakamoto（中本聰）Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System（比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)）第一次以論文的形式提出（紐約時(shí)間2008.10.31）：論文解決了無(wú)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)世界里的兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題 貨幣偽造問(wèn)題 雙重支付問(wèn)題92.2 比特幣的產(chǎn)生第一批比特

9、幣的產(chǎn)生102.2 比特幣的產(chǎn)生比特幣的節(jié)點(diǎn)分布 比特幣節(jié)點(diǎn)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家節(jié)點(diǎn)分布非常廣泛，說(shuō)明比特幣在這些國(guó)家的生命力非常強(qiáng)，除此之外在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市也存在較多比特幣節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)來(lái)源：Q，節(jié)點(diǎn)分布112.3 比特幣的產(chǎn)生比特幣系統(tǒng) 區(qū)塊：區(qū)塊鏈：交易：比特幣的底層是區(qū)塊鏈技術(shù)，區(qū)塊鏈可以形象的理解為去中心化的分布式賬本，該賬本由很多區(qū)塊組成。每10分鐘左右一個(gè)新的區(qū)塊被創(chuàng)建出來(lái)，加到區(qū)塊鏈的尾端。新的區(qū)塊記錄了這10分鐘內(nèi)發(fā)生的所有交易，目前比特幣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了7年多，積累了40多萬(wàn)個(gè)區(qū)塊。交易記錄一筆交易的具體信息。包括付款人地址，收款人地址 ，付款金額，付款人簽字，收款人公鑰、付款人資

10、金來(lái)源交易ID等。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： 使用一個(gè)P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò) 不需要貨幣發(fā)行機(jī)構(gòu)，不需要受信任的第三方 用戶可匿名使用 新貨幣通過(guò)工作量證明機(jī)制產(chǎn)生。 系統(tǒng)的共識(shí)機(jī)制可以有效防止雙重支付的發(fā)生。第一個(gè)區(qū)塊區(qū)塊ID上個(gè)區(qū)塊ID第三個(gè)區(qū)塊區(qū)塊ID上個(gè)區(qū)塊ID第二個(gè)區(qū)塊區(qū)塊ID上個(gè)區(qū)塊ID區(qū)塊ID交易1，交易2，交易3交易n上個(gè)區(qū)塊ID其他信息交易ID資金來(lái)源1：我挖礦所得50btc的交易ID資金來(lái)源2：張三給我100btc的交易ID資金來(lái)源3：李四給我50btc的交易ID資金去向：壹基金捐助賬號(hào)ID金額： 200btc我的簽名2.3 比特幣的產(chǎn)生區(qū)塊與比特幣誰(shuí)創(chuàng)建區(qū)塊，就給誰(shuí)幣！一個(gè)區(qū)塊被創(chuàng)

11、建后，系統(tǒng)就會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)給創(chuàng)建者一定數(shù)量的比特幣。這筆由系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)創(chuàng)建者的交易就被區(qū)塊記錄在第一條交易單中，稱為coinbase交易。比特幣世界里沒(méi)有獨(dú)立的“幣”，每個(gè)賬戶的余額體現(xiàn)為交易鏈條上的輸出，而所有的的輸出都可以追溯到第一條coinbase交易。創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊，系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)多少幣呢？剛開始，創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊有50btc；產(chǎn)生到第21萬(wàn)個(gè)區(qū)塊之后，獎(jiǎng)勵(lì)降為25btc;第42萬(wàn)個(gè)區(qū)塊創(chuàng)建后，獎(jiǎng)勵(lì)降為12.5btc可理解為獎(jiǎng)勵(lì)每4年減半。區(qū)塊的創(chuàng)建幣（比特幣/Bitcoin/BTC ）的由來(lái)在比特幣行業(yè)里，區(qū)塊創(chuàng)建的過(guò)程我們俗稱為挖礦。每個(gè)人都可以創(chuàng)建區(qū)塊。區(qū)塊的創(chuàng)建是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算完成的。上一個(gè)區(qū)塊創(chuàng)建出來(lái)

12、之后，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)數(shù)A。所有人就開始創(chuàng)建新的區(qū)塊，記錄實(shí)時(shí)發(fā)生的交易，同時(shí)玩一個(gè)密碼學(xué)游戲哈希。哈希的特點(diǎn)是：可以根據(jù)任意一段數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)固定長(zhǎng)度的值，此計(jì)算結(jié)果相當(dāng)隨機(jī)，無(wú)法預(yù)知大小。大家不停的計(jì)算區(qū)塊的哈希值（根據(jù)以下數(shù)據(jù)計(jì)算：一個(gè)隨機(jī)數(shù)、上一個(gè)區(qū)塊的哈希值以及十分鐘內(nèi)驗(yàn)證過(guò)的交易），誰(shuí)先算出來(lái)一個(gè)小于A的哈希值誰(shuí)就在游戲中獲勝。系統(tǒng)會(huì)將獲勝的人創(chuàng)建的區(qū)塊鏈接到區(qū)塊鏈上。比特幣世界中，系統(tǒng)算法決定每10分鐘左右產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊。如果一段時(shí)間內(nèi)區(qū)塊產(chǎn)生的平均時(shí)間超過(guò)10分鐘，算法會(huì)降低游戲難度；反之，算法會(huì)提高游戲難度。數(shù)A決定計(jì)算難度，A越小計(jì)算難度系數(shù)越高。這樣就保證了比特幣的發(fā)行速度。

13、133 區(qū)塊鏈原理區(qū)塊鏈 區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，一種通過(guò)去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方案。Block:101上一區(qū)塊哈希值本區(qū)塊哈希值挖礦隨機(jī)數(shù)難度時(shí)間戳交易的TreeHashBlock:102上一區(qū)塊哈希值本區(qū)塊哈希值挖礦隨機(jī)數(shù)難度時(shí)間戳交易的TreeHash時(shí)間有序挖礦就是找這個(gè)數(shù)字構(gòu)成不可逆的鏈條“幣”以交易記錄形式存在只有主人用私鑰簽名后，才能花掉它。143 區(qū)塊鏈原理Bitcoin的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都可以自由加入網(wǎng)絡(luò)，完全分布式的P2P網(wǎng)絡(luò)每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都維護(hù)有賬本，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的惡意篡改，不能得到其余節(jié)點(diǎn)的認(rèn)同。153 區(qū)塊鏈原理Bitcoin的交易過(guò)程所有者

14、A利用他的私鑰對(duì)前一次交易（比特貨來(lái)源）和下一位所有者B簽署一個(gè)數(shù)字簽名，并將這個(gè)簽名附加在這枚貨幣的末尾，制作出交易單。此時(shí)。B是以公鑰作為接收方地址。A將交易單廣播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了B，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到交易信息納入一個(gè)區(qū)塊中 此時(shí)，對(duì)B而言，該枚比特幣會(huì)即時(shí)顯示在比特幣錢包中，但直到區(qū)塊確認(rèn)成功后才可以使用。目前一筆比特幣從支付到最終確認(rèn)成功，得到6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后才能真正的確認(rèn)到賬。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)解一道數(shù)學(xué)難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利，并爭(zhēng)取得到比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)（新比特幣會(huì)在此過(guò)程中產(chǎn)生） 此時(shí)節(jié)點(diǎn)反復(fù)嘗試尋找一個(gè)數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的Hash值以及交易單三部分送入

15、SHA256算法后能計(jì)算出散列值X（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學(xué)難題的解。由此可見，答案并不唯一。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到解時(shí)，它就向全國(guó)廣播該區(qū)塊記錄的所有蓋時(shí)間戳交易，并由全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)。 此時(shí)時(shí)間戳用來(lái)證實(shí)特定區(qū)塊必然于某特定時(shí)間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡(luò)采用從5個(gè)以上節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間，然后取中間值的方式成為時(shí)間戳。全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)核對(duì)該區(qū)塊記賬的正確性，沒(méi)有錯(cuò)誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競(jìng)爭(zhēng)下一個(gè)區(qū)塊，這樣就形成了一個(gè)合法記賬區(qū)塊鏈。第一步第二步第三步第四步第五步3 區(qū)塊鏈的原理區(qū)塊鏈特點(diǎn)區(qū)塊鏈分類開放，共識(shí) 任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺(tái)設(shè)備都能作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都

16、允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝。節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈。任一節(jié)點(diǎn)失敗，其余節(jié)點(diǎn)人能正常工作。去中心化，去信任 區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)端到端的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)之間不能也無(wú)法欺騙其他節(jié)點(diǎn)。交易透明，雙方匿名 區(qū)塊鏈的運(yùn)行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見。由于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是去信任的，因此節(jié)點(diǎn)之間無(wú)需公開身份，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都是匿名的。不可篡改，可追溯 單個(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改無(wú)法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，除非能控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)同時(shí)修改