數(shù)字素養(yǎng)與技能 課件 模塊八 區(qū)塊鏈技術(shù)

主講人：時間：20XX.XX模塊八

區(qū)塊鏈技術(shù)CONTENTS01單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述02單元2區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用案例物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述202X單元1單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述區(qū)塊鏈（Blockchain或BlockChain）是一種塊鏈?zhǔn)酱鎯?、不可篡改、安全可信的去中心化分布式賬本，它結(jié)合了分布式存儲、點對點傳輸、共識機制、密碼學(xué)等技術(shù)，通過不斷增長的數(shù)據(jù)塊鏈（Blocks）記錄交易和信息，確保數(shù)據(jù)的安全和透明性?！皡^(qū)塊鏈”技術(shù)最初是由一位化名中本聰?shù)娜藶楸忍貛牛ㄒ环N數(shù)字貨幣）而設(shè)計出的一種特殊的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它基于密碼學(xué)中的橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）來實現(xiàn)去中心化的P2P系統(tǒng)設(shè)計。但區(qū)塊鏈的作用不僅僅局限在比特幣上?，F(xiàn)在，人們在使用“區(qū)塊鏈”這個詞時，有的時候是指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有時是指數(shù)據(jù)庫，有時則是指數(shù)據(jù)庫技術(shù)，但無論是哪種含義，都和比特幣沒有必然的聯(lián)系?；靖拍顔卧?區(qū)塊鏈技術(shù)概述從數(shù)據(jù)的角度來看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)庫（或稱為分布式共享總賬，DistributedSharedLedger），這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者來集體維護）。簡單地說，區(qū)塊鏈能實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)信息的分布式記錄（可以由系統(tǒng)參與者集體記錄，而非由一個中心化的機構(gòu)集中記錄）與分布式存儲（可以存儲在所有參與記錄數(shù)據(jù)的節(jié)點中，而非集中存儲于中心化的機構(gòu)節(jié)點中）。從效果的角度來看，區(qū)塊鏈可以生成一套記錄時間先后的、不可篡改的、可信任的數(shù)據(jù)庫，這套數(shù)據(jù)庫是去中心化存儲且數(shù)據(jù)安全能夠得到有效保證的。基本概念單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述區(qū)塊鏈技術(shù)原理的來源可歸納為一個數(shù)學(xué)問題：拜占庭將軍問題。拜占庭將軍問題延伸到互聯(lián)網(wǎng)生活中來，其內(nèi)涵可概括為：在互聯(lián)網(wǎng)大背景下，當(dāng)需要與不熟悉的對方進行價值交換活動時，人們?nèi)绾尾拍芊乐共粫黄渲械膼阂馄茐恼咂垓_、迷惑從而做出錯誤的決策。進一步將拜占庭將軍問題延伸到技術(shù)領(lǐng)域中來，其內(nèi)涵可概括為：在缺少可信任的中央節(jié)點和可信任的通道的情況下，分布在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點應(yīng)如何達成共識。區(qū)塊鏈技術(shù)解決了聞名已久的拜占庭將軍問題——它提供了一種無須信任單個節(jié)點還能創(chuàng)建共識網(wǎng)絡(luò)的方法。一、區(qū)塊鏈的核心技術(shù)單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述設(shè)想一下，如果現(xiàn)在我們想要在互聯(lián)網(wǎng)世界中建立一套全球通用的數(shù)據(jù)庫，那么我們會面臨三個亟待解決的問題，這三個問題也是設(shè)計區(qū)塊鏈技術(shù)的核心所在。問題一：如何建立一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)庫，使得該數(shù)據(jù)庫能夠存儲下海量的信息，同時又能在沒有中心化結(jié)構(gòu)的體系下保證數(shù)據(jù)庫的完整性？問題二：如何記錄并存儲下這個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)庫，使得即便參與數(shù)據(jù)記錄的某些節(jié)點崩潰，我們?nèi)匀荒鼙ＷC整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行與信息完備？問題三：如何使這個嚴(yán)謹(jǐn)且完整存儲下來的數(shù)據(jù)庫變得可信賴，使得我們可以在互聯(lián)網(wǎng)無實名背景下成功防止詐騙？一、區(qū)塊鏈的核心技術(shù)單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述針對這三個核心問題，區(qū)塊鏈構(gòu)建了一整套完整的、連貫的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來達成目的，解決這三個問題的技術(shù)也成為了區(qū)塊鏈最核心的三大技術(shù)。此外，為了保證區(qū)塊鏈技術(shù)的可進化性與可擴展性，區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計者還引入了“腳本”的概念來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的可編程性。我們認(rèn)為，這四大技術(shù)構(gòu)成了區(qū)塊鏈的核心技術(shù)。一、區(qū)塊鏈的核心技術(shù)關(guān)于如何建立一個嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)據(jù)庫的問題，區(qū)塊鏈的辦法是：將數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，把數(shù)據(jù)分成不同的區(qū)塊，每個區(qū)塊通過特定的信息鏈接到上一區(qū)塊的后面，前后順連來呈現(xiàn)一套完整的數(shù)據(jù)，這也是“區(qū)塊鏈”這三個字的來源。核心技術(shù)1：區(qū)塊+鏈（1）關(guān)于如何讓所有節(jié)點都能參與記錄的問題（2）關(guān)于如何存儲下“區(qū)塊鏈”這套嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)據(jù)庫的問題核心技術(shù)2：分布式結(jié)構(gòu)什么是非對稱加密？簡單來說，它讓我們在“加密”和“解密”的過程中分別使用兩個密碼核心技術(shù)3：非對稱加密算法腳本可以理解為一種可編程的智能合約。如果區(qū)塊鏈技術(shù)只是為了適應(yīng)某種特定的交易，那腳本的嵌入就沒有必要了，系統(tǒng)可以直接定義完成價值交換活動所需要滿足的條件。核心技術(shù)4：腳本單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述1．去中心化在中本聰?shù)脑O(shè)計中，每一枚比特幣的產(chǎn)生都獨立于權(quán)威中心機構(gòu)，任意個人、組織都可以參與到每次挖礦、交易、驗證中，成為龐大的比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一部分。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常由數(shù)量眾多的節(jié)點組成，根據(jù)需求不同會由一部分節(jié)點或者全部節(jié)點承擔(dān)賬本數(shù)據(jù)維護工作，少量節(jié)點的離線或者功能喪失并不會影響整體系統(tǒng)的運行。在區(qū)塊鏈中，各個節(jié)點和礦工遵守一套基于密碼算法的記賬交易規(guī)則，通過分布式存儲和算力，共同維護全網(wǎng)的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)中心化機構(gòu)對數(shù)據(jù)進行管理帶來的高成本、易欺詐、缺乏透明、濫用權(quán)限等問題。普通用戶之間的交易也不需要第三方機構(gòu)介入，直接點對點進行交易互動即可。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述2．開放性區(qū)塊鏈系統(tǒng)是開放的，它的數(shù)據(jù)對所有人公開，任何人都可以通過公開的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和開發(fā)相關(guān)應(yīng)用，因此整個系統(tǒng)的信息高度透明。雖然區(qū)塊鏈的匿名性使交易各方的私有信息被加密，但這不影響區(qū)塊鏈的開放性，加密只是對開放信息的一種保護。在開放性的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，為了保護一些隱私信息，一些區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用了隱私保護技術(shù)，使得人們雖然可以查看所有信息，但不能查看一些隱私信息。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述3．匿名性在區(qū)塊鏈中，數(shù)據(jù)交換的雙方可以是匿名的，系統(tǒng)中的各個節(jié)點無須知道彼此的身份和個人信息即可進行數(shù)據(jù)交換。我們談?wù)摰碾[私通常是指廣義的隱私：別人不知道你是誰，也不知道你在做什么。事實上，隱私包含兩個概念：狹義的隱私（Privacy）與匿名（Anonymity）。狹義的隱私就是別人知道你是誰，但不知道你在做什么；匿名則是別人知道你在做什么，但不知道你是誰。雖然區(qū)塊鏈上的交易使用化名（Pseudonym），即地址（Address），但由于所有交易和狀態(tài)都是明文，因此任何人都可以對所有化名進行分析并建構(gòu)出用戶特征（UserProfile）。更有研究指出，有些方法可以解析出化名與IP的映射關(guān)系，一旦IP與化名產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，則用戶的每個行為都如同裸露在陽光下一般。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述4．可追溯性區(qū)塊鏈采用帶時間戳的塊鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，有利于追溯交易從源頭狀態(tài)到最近狀態(tài)的整個過程。時間戳作為區(qū)塊數(shù)據(jù)存在的證明，有助于將區(qū)塊鏈應(yīng)用于公證、知識產(chǎn)權(quán)注冊等時間敏感領(lǐng)域。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述5．透明性相較于用戶匿名性，比特幣和區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易和歷史都是透明的。由于在區(qū)塊鏈中，賬本是分發(fā)到整個網(wǎng)絡(luò)所有參與者的，賬本的校對、歷史信息等對于賬本的持有者而言，都是透明的、公開的。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述6．不可篡改性比特幣的每次交易都會記錄在區(qū)塊鏈上，不同于由中心機構(gòu)主宰的交易模式，其中心機構(gòu)可以自行修改任意用戶的交易信息，比特幣很難篡改。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述7．多方共識區(qū)塊鏈作為一個多方參與維護的分布式賬本系統(tǒng)，參與方需要約定數(shù)據(jù)校驗、寫入和沖突解決的規(guī)則，這被稱為共識算法。比特幣和以太坊作為公有鏈當(dāng)前采用的是工作量證明算法（PoW），應(yīng)用于聯(lián)盟鏈領(lǐng)域的共識算法則更加靈活多樣，貼近業(yè)務(wù)需求本身。二、區(qū)塊鏈的特征單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述根據(jù)去中心化程度，區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈三類三、區(qū)塊鏈的分類單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述1．公有鏈由于公有鏈系統(tǒng)對節(jié)點是開放的，公有鏈通常規(guī)模較大，所以達成共識難度較高，吞吐量較低，效率較低。在公有鏈環(huán)境中，由于節(jié)點數(shù)量不確定，節(jié)點的身份也未知，因此為了保證系統(tǒng)的可靠可信，需要確定合適的共識算法來保證數(shù)據(jù)的一致性和設(shè)計激勵機制去維護系統(tǒng)的持續(xù)運行。典型的公有鏈系統(tǒng)有比特幣、以太坊。三、區(qū)塊鏈的分類單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述2．聯(lián)盟鏈聯(lián)盟鏈通常是由具有相同行業(yè)背景的多家不同機構(gòu)組成的，其應(yīng)用場景為多個銀行之間的支付結(jié)算、多種企業(yè)之間的供應(yīng)鏈管理、政府部門之間的信息共享等。聯(lián)盟鏈中的共識節(jié)點來自聯(lián)盟內(nèi)各個機構(gòu)，且提供節(jié)點審查、驗證管理機制，節(jié)點數(shù)目遠小于公有鏈，因此吞吐量較高，可以實現(xiàn)毫秒級確認(rèn)；鏈上數(shù)據(jù)僅在聯(lián)盟機構(gòu)內(nèi)部共享，擁有更好的安全隱私保護。聯(lián)盟鏈有Hyperledger、Fabric、Corda平臺和企業(yè)以太坊聯(lián)盟等。三、區(qū)塊鏈的分類單元1區(qū)塊鏈技術(shù)概述3．私有鏈私有鏈通常部署于單個機構(gòu)，適用于內(nèi)部數(shù)據(jù)管理與審計，共識節(jié)點均來自機構(gòu)內(nèi)部。私有鏈一般網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更小，因此比聯(lián)盟鏈效率更高，甚至可以與中心化數(shù)據(jù)庫的性能相當(dāng)。聯(lián)盟鏈和私有鏈由于準(zhǔn)入門檻的限制，可以有效地減小惡意節(jié)點作亂的風(fēng)險，容易達成數(shù)據(jù)的強一致性。三、區(qū)塊鏈的分類區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用案例202X單元2單元2物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備介紹區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分布式賬本技術(shù)，它通過加密和安全驗證機制，允許網(wǎng)絡(luò)中的多個參與者之間進行可信的、不可篡改的交易和數(shù)據(jù)的記錄與傳輸。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用場景廣泛，其優(yōu)勢也十分顯著。單元2物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備介紹一、應(yīng)用場景（1）加密貨幣：區(qū)塊鏈最初和最著名的應(yīng)用是比特幣，一種去中心化的數(shù)字貨幣。（2）供應(yīng)鏈管理：通過區(qū)塊鏈，可以追蹤商品從生產(chǎn)到交付的每一個步驟，增加透明度和效率。（3）智能合約：智能合約是自動執(zhí)行、控制或記錄法律相關(guān)事件和行動的計算機程序，它們在滿足合約條款時自動執(zhí)行。（4）身份驗證和隱私保護：區(qū)塊鏈可以提供一個安全、不可篡改的身份認(rèn)證機制。（5）金融服務(wù)：區(qū)塊鏈可以簡化支付和清算流程，降低交易成本，并提高交易速度。（6）房地產(chǎn)交易：通過區(qū)塊鏈進行房地產(chǎn)交易可以簡化流程，減少欺詐，確保所有權(quán)的清晰和不可篡改。（7）醫(yī)療健康：區(qū)塊鏈可以用于安全地存儲和共享醫(yī)療記錄，同時保護患者隱私。（8）版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)保護：區(qū)塊鏈可以用于追蹤和保護藝術(shù)作品、音樂、文學(xué)作品等知識產(chǎn)權(quán)。（9）選舉和投票：區(qū)塊鏈可以提供一個透明、不可篡改的投票系統(tǒng)，增加選舉的公正性。單元2物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備介紹二、經(jīng)典案例一個生活中使用區(qū)塊鏈的經(jīng)典案例是食品溯源。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，消費者可以追蹤食品從農(nóng)場到餐桌的整個流程，確保食品的安全和質(zhì)量。（1）生產(chǎn)階段：農(nóng)民或生產(chǎn)商在食品生產(chǎn)過程中，將食品的信息（如種植時間、地點、使用的農(nóng)藥和肥料等）記錄在區(qū)塊鏈上。（2）加工階段：食品加工商在接收原材料后，將其加工信息（如加工日期、使用的添加劑等）添加到區(qū)塊鏈上。（3）分銷階段：分銷商在食品準(zhǔn)備發(fā)貨時，記錄物流信息（如發(fā)貨日期、運輸方式等）到區(qū)塊鏈上。（4）零售階段：零售商在接收食品后，更新區(qū)塊鏈上的信息，包括到達時間和存儲條件。（5）消費