第二章 區(qū)塊鏈的組成與基本原理

區(qū)塊鏈金融第二章任課老師：請輸入任課老師姓名目錄第一節(jié)區(qū)塊的認(rèn)知第二節(jié)哈希和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)第三節(jié)點對點網(wǎng)絡(luò)

1區(qū)塊的大小

3區(qū)塊的意義

2區(qū)塊的組成

4創(chuàng)世區(qū)塊第一節(jié)區(qū)塊的認(rèn)知案例導(dǎo)入：淘寶購物的中心化分析思考：有沒有一種“去中心化”體系可以解決這些問題？它是如何解決這些問題的？區(qū)塊加鏈組成區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈由一個區(qū)塊連接另一個區(qū)塊所組成什么是區(qū)塊鏈01區(qū)塊的大小01。02區(qū)塊的大小除了決定了所含交易數(shù)據(jù)的多少，還決定了一個區(qū)塊被數(shù)據(jù)填滿所需要的時間，一旦數(shù)據(jù)達(dá)到一個區(qū)塊的存儲上限就會產(chǎn)生新的區(qū)塊。0303區(qū)塊的大小取決于開發(fā)者的設(shè)計，一旦確認(rèn)，區(qū)塊鏈上所有的區(qū)塊都將遵循同樣的大小。只有更新整個區(qū)塊鏈的系統(tǒng)才能改變區(qū)塊的大小。區(qū)塊的大小區(qū)塊存儲了一定量的交易數(shù)據(jù)，區(qū)塊的大小決定了交易數(shù)據(jù)的多少。02區(qū)塊的組成前一個區(qū)塊的哈希默克爾根時間戳每個區(qū)塊的區(qū)塊頭都包含著前一個區(qū)塊的哈希，可以理解為每一個區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊信息的“數(shù)字指紋”，從而使新的區(qū)塊數(shù)據(jù)有序地排列在上一個區(qū)塊數(shù)據(jù)的后面。默克爾根歸納了所在區(qū)塊體含有的所有交易，形成了整個交易數(shù)據(jù)集合的“數(shù)字指紋”。每個區(qū)塊的區(qū)塊頭包含時間戳。時間戳能表明此區(qū)塊生成的時間，同時能為區(qū)塊體含有的每一筆數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)記，具備唯一性。區(qū)塊由區(qū)塊頭+區(qū)塊體組成，區(qū)塊頭包括隨機數(shù)區(qū)塊頭里的隨機數(shù)是一個隨意的號碼，它的存在與比特幣挖礦息息相關(guān)。隨機數(shù)往往存在于采用工作量證明（ＰｏＷ）共識機制的區(qū)塊鏈里。03區(qū)塊的意義存儲區(qū)塊存儲著區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)效率區(qū)塊的存在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的批量處理，讓數(shù)據(jù)得以有條不紊地被處理，提高了整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。04創(chuàng)世區(qū)塊創(chuàng)世區(qū)塊創(chuàng)世區(qū)塊指的是比特幣區(qū)塊鏈產(chǎn)生的第一個區(qū)塊。1現(xiàn)在不同區(qū)塊鏈產(chǎn)生的第一區(qū)塊也可被稱作創(chuàng)世區(qū)塊。2比特幣創(chuàng)世區(qū)塊的內(nèi)容如圖3第二節(jié)哈希和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

1哈希函數(shù)

2哈希的應(yīng)用

3哈希的特性

4默克爾樹

5鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)思路說明（二）哈希函數(shù)的特性（一）哈希函數(shù)在區(qū)塊中的作用哈希（Ｈａｓｈ）是哈希值的縮寫，又稱散列值。哈希函數(shù)又稱散列函數(shù)，把任意長度的輸入通過哈希函數(shù)，變換成固定長度的輸出，該輸出就是哈希值。哈希函數(shù)01哈希函數(shù)（一）

哈希函數(shù)在區(qū)塊中的作用快速驗證用于PoW共識機制防止篡改哈希函數(shù)在區(qū)塊鏈中生成各種數(shù)據(jù)的摘要，當(dāng)比較兩個數(shù)據(jù)是否相等時，只需要比較它們的摘要就可以了。哈希函數(shù)主要是在ＰｏＷ共識機制中使用。詳細(xì)說來，就是給定一組數(shù)據(jù)，然后尋找其他的數(shù)據(jù)，合并起來計算出的哈希值小于某個值。比特幣、以太坊，都是使用的ＰｏＷ共識機制。傳遞一個數(shù)據(jù)，要保證它在傳遞過程中不被篡改，只需要同時傳遞它的摘要即可。收到數(shù)據(jù)的人將這個數(shù)據(jù)重新生成摘要，然后比較傳遞的摘要和生成的摘要是否相等，如果相等，則說明數(shù)據(jù)在傳遞過程中沒有被篡改。。（二）哈希函數(shù)的特性特性不定長度輸入固定長度輸出。1抗碰撞性2不可逆性（單向性）302哈希的應(yīng)用映射哈希函數(shù)可以將任意大小的數(shù)據(jù)（輸入內(nèi)容）映射到固定大小的數(shù)據(jù)（哈希值）密碼保護保存到數(shù)據(jù)庫中的是密碼生成的哈希。即使是公司后臺管理人員，也拿不到用戶的密碼。萬一公司數(shù)據(jù)庫泄露了，用戶的密碼依然是相對安全的。03哈希的特性安全哈希的不可逆性保證了密碼的安全不沖突性哈希的不沖突性指的是一個數(shù)據(jù)對應(yīng)著一個哈希，任何數(shù)據(jù)的變動哈希也隨著變動。哈希的不沖突性又保證了用戶再次輸入密碼的時候，能夠登錄賬號。04默克爾樹01。默克爾樹默克爾樹具體而言，是一個區(qū)塊中的所有交易都會求取哈希值，得到的哈希值，再兩兩組合成新文本求取哈希值，以此類推，直到生成最后一個哈希值，即根哈希值，這些哈希值組成的二叉樹就是默克爾樹，如圖２-８。05鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)當(dāng)區(qū)塊和區(qū)塊連接在一起的時候，當(dāng)前的區(qū)塊頭里總是會有前一個區(qū)塊的哈希。由于哈希的不沖突性，只要一個區(qū)塊里數(shù)據(jù)導(dǎo)致哈希值改變了，那么后面所有的區(qū)塊將會隨著改變。哈希和區(qū)塊構(gòu)成了一個可被驗證的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證了對數(shù)據(jù)的可驗證性。區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)主要通過前塊哈希值組成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來保證防篡改和可驗證的特性。

1點對點網(wǎng)絡(luò)的定義

3點對點網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈

2點對點網(wǎng)絡(luò)的特點第三節(jié)點對點網(wǎng)絡(luò)

4共識機制

6區(qū)塊鏈交易運行原理

5區(qū)塊鏈賬戶體系01點對點網(wǎng)絡(luò)的定義區(qū)塊鏈的去中心化結(jié)構(gòu)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，并不存在一個中心節(jié)點來校驗并記錄交易信息，校驗和記錄工作由網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點共同完成。當(dāng)一個節(jié)點需要發(fā)起轉(zhuǎn)賬交易時，需要指明轉(zhuǎn)賬目的地址、轉(zhuǎn)賬金額，還需要對該交易并進行簽名。由于不存在中心服務(wù)器，該交易會隨機發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的鄰近節(jié)點，鄰近節(jié)點收到交易信息后，對交易的簽名進行校驗，確認(rèn)身份合法后，再校驗余額是否充足等信息。驗證都完成后，則將該信息轉(zhuǎn)發(fā)至自己的鄰近節(jié)點。。點對點網(wǎng)絡(luò)的定義點對點網(wǎng)絡(luò)不同于有中心服務(wù)器的中心化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種消除了中心化服務(wù)節(jié)點，將所有的網(wǎng)絡(luò)參與者視為對等節(jié)點，并在它們之間進行任務(wù)和工作的系統(tǒng)。點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的中心服務(wù)器架構(gòu)，去除了中心服務(wù)器，是一種依靠用戶群共同維護的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。02點對點網(wǎng)絡(luò)的特點點對點網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢是它是去中心化的，網(wǎng)絡(luò)中的資源和服務(wù)分散在所有節(jié)點上，信息的傳輸和服務(wù)的實現(xiàn)都直接在節(jié)點之間進行，可以無需中間環(huán)節(jié)和服務(wù)器的介入。去中心化點對點網(wǎng)絡(luò)通常都是以自組織的方式建立起來的，并允許節(jié)點自由地加入和離開。對于點對點網(wǎng)絡(luò)，理論上其可擴展性幾乎可以認(rèn)為是無限的。可擴展性點對點網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是分散在各個節(jié)點之間進行的，部分節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)遭到破壞對其他部分的影響很小。點對點網(wǎng)絡(luò)一般在部分節(jié)點失效時能夠自動調(diào)整，保持其他節(jié)點的連通性。健壯性03點對點網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，要求所有節(jié)點共同維護賬本機構(gòu)，即每筆交易都需要發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點。如果按照傳統(tǒng)的中心化的服務(wù)器架構(gòu)，中心節(jié)點要將大量交易信息轉(zhuǎn)發(fā)給所有節(jié)點，這也是非常低效率的。點對點網(wǎng)絡(luò)的這些設(shè)計思想和區(qū)塊鏈的理念完全契合，在區(qū)塊鏈中，所有交易及區(qū)塊的傳播不需要發(fā)送者將消息發(fā)給所有節(jié)點。節(jié)點只需要將消息發(fā)送給一定數(shù)量的相鄰節(jié)點即可，其他節(jié)點收到消息后，會按一定的規(guī)則發(fā)給自己的相鄰節(jié)點，通過一傳十、十傳百的方式，最終將消息發(fā)給所有節(jié)點。04共識機制（一）分布式共識問題區(qū)塊鏈通過全民記賬來解決信任問題，但是所有節(jié)點都參與記錄數(shù)據(jù)，那么最終以誰的記錄為準(zhǔn)呢？或者說，怎么樣保證所有節(jié)點記錄的是一份相同的正確數(shù)據(jù)呢？這就是一個如何達(dá)成共識的問題?！鞍菡纪④妴栴}”是萊斯利·蘭伯特（２０１３年的圖靈獎得主）為描述分布式共識問題在論文中抽象出來的一個著名的例子?！鞍菡纪④妴栴}”也被稱為“拜占庭容錯”?！鞍菡纪④妴栴}”是一個分布式共識問題，關(guān)于拜占庭帝國軍隊的將軍們必須全體一致地決定是否攻擊敵國。其核心描述是軍中可能有叛徒，卻要保證進攻決定一致，并由此引申到了計算機分布式系統(tǒng)領(lǐng)域。抽簽式共識投票式共識中心式共識（二）共識機制及其分類解決雙花問題和拜占庭將軍問題（三）常見的共識機制工作量證明（ＰｏＷ）：就是一個抽簽式共識。工作量證明的主要特征是計算的不對稱性，節(jié)點需要做一定難度的工作得到一個結(jié)果，而驗證方很容易通過結(jié)果來檢查節(jié)點是不是做了相應(yīng)的工作。權(quán)益證明（ＰｏＳ）：引入了“憑證”的概念。根據(jù)每個節(jié)點的某些屬性（擁有的幣數(shù)、持幣時間、可貢獻的計算資源、聲譽等），定義每個節(jié)點進行出塊的難度或者優(yōu)先度，并且取憑證排序中最優(yōu)的節(jié)點，或者取憑證排序中比較高的小部分節(jié)點進行加權(quán)隨機抽取某個節(jié)點，進行下一段時間的記賬出塊。拜占庭容錯協(xié)議（ＢＦＴ）算法：通過投票的方式產(chǎn)生能被所有（誠實）節(jié)點認(rèn)可的區(qū)塊。01010203（一）私鑰私鑰就是一組隨機獲取的數(shù)字。私鑰是用戶控制區(qū)塊鏈賬戶的根本。私鑰用來生成數(shù)字簽名，數(shù)字簽名能證明對應(yīng)私鑰的所有權(quán)。（二）公鑰公鑰是通過私鑰使用非對稱加密算法運算而來。（三）非對稱加密非對稱加密使用兩個成對的密鑰：公鑰，對外公開；私鑰，必須嚴(yán)格保密，密鑰本質(zhì)上是一個數(shù)值，使用數(shù)學(xué)算法產(chǎn)生?？梢杂霉€加密消息，然后使用私鑰解密；反過來也可以使用私鑰加密，用公鑰解密，這也被稱為簽名。05區(qū)塊鏈賬戶體系06區(qū)塊鏈交易運行原理如何記賬所有人記賬記賬篡改難度非常大記賬會給獎勵（一）簡易的區(qū)塊鏈系統(tǒng)