區(qū)塊鏈原理詳解

區(qū)塊鏈原理詳解區(qū)塊鏈原理詳解第1頁1.區(qū)塊鏈介紹區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與交易信息加密傳輸基礎(chǔ)技術(shù)。它基于密碼學原理而不基于信用，使得任何達成一致雙方直接支付，從而不需要第三方中介參加。互聯(lián)網(wǎng)上貿(mào)易，幾乎都需要借助可資信賴第三方信用機構(gòu)來處理電子支付信息。這類系統(tǒng)依然內(nèi)生性地受制于“基于信用模式”。背景區(qū)塊鏈原理詳解第2頁1.區(qū)塊鏈介紹區(qū)塊鏈是一個分布式賬本，一個經(jīng)過去中心化、去信任方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫技術(shù)方案。定義從數(shù)據(jù)角度來看區(qū)塊鏈是一個幾乎不可能被更改分布式數(shù)據(jù)庫。這里“分布式”不但表達為數(shù)據(jù)分布式存放，也表達為數(shù)據(jù)分布式統(tǒng)計（即由系統(tǒng)參加者共同維護）。從技術(shù)角度來看區(qū)塊鏈并不是一個單一技術(shù)，而是各種技術(shù)整合結(jié)果。這些技術(shù)以新結(jié)構(gòu)組合在一起，形成了一個新數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存放和表示方式。區(qū)塊鏈原理詳解第3頁1.區(qū)塊鏈介紹國際權(quán)威雜志《經(jīng)濟學人》、《哈佛商業(yè)周刊》、《福布斯雜志》等相繼報道區(qū)塊鏈技術(shù)將影響世界。創(chuàng)業(yè)企業(yè)R3聯(lián)合全球42家頂級銀行成立區(qū)塊鏈聯(lián)盟，包含摩根大通、美國銀行、匯豐銀行、花旗銀行、富國銀行、三菱UFJ金融集團、巴克萊銀行、高盛、德意志銀行等。動態(tài)區(qū)塊鏈原理詳解第4頁目錄區(qū)塊鏈介紹1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4

關(guān)鍵問題5

前景展望6區(qū)塊鏈原理詳解第5頁2.特征及分類特征去中心，去信任區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點共同組成一個端到端網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化設(shè)備和管理機構(gòu)。節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換經(jīng)過數(shù)字署名技術(shù)進行驗證，無需相互信任，只要按照系統(tǒng)既定規(guī)則進行，節(jié)點之間不能也無法坑騙其它節(jié)點。開放，共識任何人都能夠參加到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺設(shè)備都能作為一個節(jié)點，每個節(jié)點都允許取得一份完整數(shù)據(jù)庫拷貝。節(jié)點間基于一套共識機制，經(jīng)過競爭計算共同維護整個區(qū)塊鏈。任一節(jié)點失效，其余節(jié)點仍能正常工作。區(qū)塊鏈原理詳解第6頁2.特征及分類特征不可篡改，可追溯單個甚至多個節(jié)點對數(shù)據(jù)庫修改無法影響其它節(jié)點數(shù)據(jù)庫，除非能控制整個網(wǎng)絡(luò)中超出51%節(jié)點同時修改，這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中每一筆交易都經(jīng)過密碼學方法與相鄰兩個區(qū)塊串聯(lián)，所以能夠追溯到任何一筆交易前世今生。交易透明，雙方匿名區(qū)塊鏈運行規(guī)則是公開透明，全部數(shù)據(jù)信息也是公開，所以每一筆交易都對全部節(jié)點可見。因為節(jié)點與節(jié)點之間是去信任，所以節(jié)點之間無需公開身份，每個參加節(jié)點都是匿名。區(qū)塊鏈原理詳解第7頁

2.特征及分類分類聯(lián)盟鏈由若干機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具個別去中心化特征。私有鏈建立在某個企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)運作規(guī)則依據(jù)企業(yè)要求進行設(shè)定，修改甚至是讀取權(quán)限僅限于少數(shù)節(jié)點，同時仍保留著區(qū)塊鏈真實性和個別去中心化特征。公有鏈無官方組織及管理機構(gòu)，無中心服務(wù)器，參加節(jié)點按照系統(tǒng)規(guī)則自由接入網(wǎng)絡(luò)、不受控制，節(jié)點間基于共識機制開展工作。區(qū)塊鏈原理詳解第8頁目錄區(qū)塊鏈介紹1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4

關(guān)鍵問題5

前景展望6區(qū)塊鏈原理詳解第9頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)科普數(shù)字簽名數(shù)字署名包括到一個哈希函數(shù)、發(fā)送者公鑰、發(fā)送者私鑰。數(shù)字署名有兩個作用，一是能確定消息確實是由發(fā)送方署名并發(fā)出來。二是數(shù)字署名能確定消息完整性。工作原理發(fā)送報文時，發(fā)送方用一個哈希函數(shù)從報文文本中生成報文摘要，然后用自己私鑰對摘要進行加密，加密后摘要將作為報文數(shù)字署名和報文一起發(fā)送給接收方，接收方首先用與發(fā)送方一樣哈希函數(shù)從接收到原始報文中計算出報文摘要，接著再用發(fā)送方公鑰來對報文附加數(shù)字署名進行解密，假如這兩個摘要相同、那么接收方就能確認該數(shù)字署名是發(fā)送方。區(qū)塊鏈原理詳解第10頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)科普SHA256一種求Hash值加密算法。工作原理將任何一串數(shù)據(jù)輸入到SHA256將得到一個256位Hash值（散列值）。其特點：相同數(shù)據(jù)輸入將得到相同結(jié)果。輸入數(shù)據(jù)只要稍有改變（比如一個1變成了0）則將得到一個千差萬別結(jié)果，且結(jié)果無法事先預知。正向計算（由數(shù)據(jù)計算其對應(yīng)Hash值）十分輕易。逆向計算（俗稱“破解”，即由Hash值計算出其對應(yīng)數(shù)據(jù)）極其困難，在當前科技條件下被視作不可能。區(qū)塊鏈原理詳解第11頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)MerkleTree一種哈希二叉樹，使用它能夠快速校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)完整性。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，Merkle樹被用來歸納一個區(qū)塊中全部交易信息，最終生成這個區(qū)塊全部交易信息一個統(tǒng)一哈希值，區(qū)塊中任何一筆交易信息改變都會使得使得Merkle樹改變?？破展ぷ髟矸侨~子節(jié)點value計算方法是將該節(jié)點全部子節(jié)點進行組合，然后對組合結(jié)果進行hash計算所得出hashvalue。區(qū)塊鏈原理詳解第12頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時間戳服務(wù)器大多用來進行比對以及驗證處理，時間戳服務(wù)器是一款基于PKI（公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施）技術(shù)時間戳權(quán)威系統(tǒng)，對外提供準確可信時間戳服務(wù)。它采取精確時間源、高強度高標準安全機制，以確認系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時間存在性和相關(guān)操作相對時間次序，為信息系統(tǒng)中時間防抵賴提供基礎(chǔ)服務(wù)。科普區(qū)塊鏈原理詳解第13頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡(luò)特征展開闡述區(qū)塊鏈原理詳解第14頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)任何機器都能夠運行一個完整比特幣節(jié)點，一個完整比特幣節(jié)點包含以下功能：錢包，允許用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進行交易完整區(qū)塊鏈，統(tǒng)計了所有交易歷史，經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)確保歷史交易安全性，而且用來驗證新交易正當性礦工，經(jīng)過統(tǒng)計交易及解密數(shù)學題來生成新區(qū)塊，假如成功能夠賺取獎勵路由功效，把其它節(jié)點傳送過來交易數(shù)據(jù)等信息再傳送給更多節(jié)點除了路由功效以外，其它功效都不是必須。區(qū)塊鏈原理詳解第15頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過程區(qū)塊鏈原理詳解第16頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過程第2步：A將交易單廣播至全網(wǎng)，比特幣就發(fā)送給了B，每個節(jié)點都將收到交易信息納入一個區(qū)塊中第1步：所有者A利用他私鑰對前一次交易（比特貨起源）和下一位全部者B簽署一個數(shù)字署名，并將這個署名附加在這枚貨幣末尾，制作成交易單關(guān)鍵點：B以公鑰作為接收方地址關(guān)鍵點：對B而言，該枚比特幣會即時顯示在比特幣錢包中，但直到區(qū)塊確認成功后才可用。當前一筆比特幣從支付到最終確認成功，得到6個區(qū)塊確認之后才能真正確認到帳。區(qū)塊鏈原理詳解第17頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過程第3步：每個節(jié)點經(jīng)過解一道數(shù)學難題，從而去取得創(chuàng)建新區(qū)塊權(quán)利，并爭取得到比特幣獎勵（新比特幣會在此過程中產(chǎn)生）關(guān)鍵點：節(jié)點重復嘗試尋找一個數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最終一個區(qū)塊Hash值以及交易單三個別送入SHA256算法后能計算出散列值X（256位）滿足一定條件（比如前20位均為0），即找到數(shù)學難題解。由此可見，答案并不唯一第4步：當一個節(jié)點找到解時，它就向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊統(tǒng)計全部蓋時間戳交易，并由全網(wǎng)其它節(jié)點核對關(guān)鍵點：時間戳用來證實特定區(qū)塊必然于某特定時間是確實存在。比特幣網(wǎng)絡(luò)采取從5個以上節(jié)點獲取時間，然后取中間值方式作為時間戳。區(qū)塊鏈原理詳解第18頁3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易過程第5步：全網(wǎng)其它節(jié)點查對該區(qū)塊記賬正確性，沒有錯誤后他們將在該正當區(qū)塊之后競爭下一個區(qū)塊，這么就形成了一個正當記賬區(qū)塊鏈。關(guān)鍵點：每個區(qū)塊創(chuàng)建時間大約在10分鐘。伴隨全網(wǎng)算力不停改變，每個區(qū)塊產(chǎn)生時間會隨算力增強而縮短、隨算力減弱而延長。其原理是依據(jù)最近產(chǎn)生年區(qū)塊時間差（約兩周時間），自動調(diào)整每個區(qū)塊生成難度（比如降低或增加目標值中0個數(shù)），使得每個區(qū)塊生成時間是10分鐘。區(qū)塊鏈原理詳解第19頁目錄區(qū)塊鏈介紹1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4

關(guān)鍵問題5

前景展望6區(qū)塊鏈原理詳解第20頁4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈區(qū)塊鏈以區(qū)塊為單位組織數(shù)據(jù)。全網(wǎng)所有交易統(tǒng)計都以交易單形式存放在全網(wǎng)唯一區(qū)塊鏈中。區(qū)塊鏈原理詳解第21頁4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊是一個統(tǒng)計交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊主體只負責記錄前一段時間內(nèi)全部交易信息，區(qū)塊鏈大個別功效都由區(qū)塊頭實現(xiàn)。區(qū)塊區(qū)塊鏈原理詳解第22頁4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊頭版本號，標示軟件及協(xié)議相關(guān)版本信息父區(qū)塊哈希值，引用區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭哈希值，經(jīng)過這個值每個區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，而且這個值對區(qū)塊鏈安全性起到了至關(guān)主要作用Merkle根，這個值是由區(qū)塊主體中全部交易哈希值再逐層兩兩哈希計算出來一個數(shù)值，主要用于檢驗一筆交易是否在這個區(qū)塊中存在時間戳，統(tǒng)計該區(qū)塊產(chǎn)生時間，準確到秒難度值，該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學題難度目標隨機數(shù)(Nonce)，統(tǒng)計解密該區(qū)塊相關(guān)數(shù)學題答案值區(qū)塊鏈原理詳解第23頁4.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在當前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，全部礦工就馬上開始下一個區(qū)塊生成工作。把在當?shù)貎?nèi)存中交易信息統(tǒng)計到區(qū)塊主體中在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中全部交易信息Merkle樹，把Merkle樹根值保留在區(qū)塊頭中把上一個剛才生成區(qū)塊區(qū)塊頭數(shù)據(jù)經(jīng)過SHA256算法生成一個哈希值填入到當前區(qū)塊父哈希值中把當前時間保留在時間戳字段中難度值字段會依據(jù)之前一段時間區(qū)塊平均生成時間進行調(diào)整以應(yīng)對整個網(wǎng)絡(luò)不停改變整體計算總量，假如計算總量增加了，則系統(tǒng)會調(diào)高數(shù)學題難度值，使得預期完成下一個區(qū)塊時間依然在一定時間內(nèi)區(qū)塊形成過程區(qū)塊鏈原理詳解第24頁目錄區(qū)塊鏈介紹1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4

關(guān)鍵問題5

前景展望6區(qū)塊鏈原理詳解第25頁5.關(guān)鍵問題區(qū)塊頭包含一個隨機數(shù)，使得區(qū)塊隨機散列值出現(xiàn)了所需0個數(shù)。節(jié)點經(jīng)過重復嘗試來找到這個隨機數(shù)，這么就構(gòu)建了一個工作量證實機制。工作量證實工作量證實機制本質(zhì)是一CPU一票，“大多數(shù)”決定表示為最長鏈，因為最長鏈包含了最大工作量。假如大多數(shù)CPU為老實節(jié)點控制，那么老實鏈條將以最快速度延長，并超越其它競爭鏈條。假如想要修改已出現(xiàn)區(qū)塊，攻擊者必須重新完成該區(qū)塊工作量外加該區(qū)塊之后全部區(qū)塊工作量，并最終趕上和超越老實節(jié)點工作量。區(qū)塊鏈原理詳解第26頁5.關(guān)鍵問題同一時間段內(nèi)全網(wǎng)不止一個節(jié)點能計算出隨機數(shù)，即會有多個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中廣播它們各自打包好臨時區(qū)塊（都是正當）。分叉某一節(jié)點若收到多個針對同一前續(xù)區(qū)塊后續(xù)臨時區(qū)塊，則該節(jié)點會在本地域塊鏈上建立分支，多個臨時區(qū)塊對應(yīng)多個分支。該僵局打破要等到下一個工作量證實被發(fā)覺，而其中一條鏈條被證實為是較長一條，那么在另一條分支鏈條上工作節(jié)點將轉(zhuǎn)換陣營，開始在較長鏈條上工作。其它分支將會被網(wǎng)絡(luò)徹底拋棄。區(qū)塊鏈原理詳解第27頁5.關(guān)鍵問題雙花，即二重支付，指攻擊者幾乎同時將同一筆錢用作不一樣交易。雙花每當節(jié)點在把新收到交易單加入?yún)^(qū)塊之前，會順著交易發(fā)起方公鑰向前遍歷檢驗，檢驗當前交易所用幣是否確實屬于當前交易發(fā)起方，此檢驗可遍歷到該幣最初誕生點（即產(chǎn)生它那塊區(qū)塊源）。即使多份交易單能夠任意序廣播，不過它們最終被加入?yún)^(qū)塊時必定展現(xiàn)一定次序。區(qū)塊之間以Hash值作為時間戳則區(qū)塊，這決定了任意一筆交易資金起源都能夠被確定回溯。區(qū)塊鏈原理詳解第28頁5.關(guān)鍵問題高能耗數(shù)據(jù)庫存放空間處理大規(guī)模交易抗壓能力安全性區(qū)塊鏈原理詳解第29頁目錄區(qū)塊鏈介紹1特征及分類2區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)3

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4

關(guān)鍵問題5

前景展望6區(qū)塊鏈原理詳解第30頁6.前景展望從年比特幣開始，區(qū)塊鏈經(jīng)歷了可編程貨幣、可編程金融與可編程社會三大應(yīng)用時代，其應(yīng)用范圍逐步擴展到社會生活方方面面。從需求端來看，金融、醫(yī)療、公證、通信、供給鏈、域名、投票等領(lǐng)域都開始意識到區(qū)塊鏈主要性并開始嘗試將技術(shù)與現(xiàn)實社會對接。從投資端來看，區(qū)塊鏈投資資金供給逐步上升，風投投資熱情也不停高漲，投資密度越來越大，供給端資金供給有