信息技術(shù)（第2版）（拓展模塊）拓展模塊6 區(qū)塊鏈

2/12課題名稱模塊6區(qū)塊鏈?zhǔn)谡n類型理實一體授課對象授課課時所授課程授課地點所授教材一、學(xué)情分析本課程授課對象為高職各專業(yè)大一學(xué)生，課程開設(shè)在大一第二學(xué)期，學(xué)生情況在知識儲備、學(xué)習(xí)特點和信息素養(yǎng)的情況如下。1.知識儲備學(xué)生在高職或高中已經(jīng)學(xué)習(xí)了信息技術(shù)課程，并且在大一第一學(xué)期已經(jīng)完成了高職信息技術(shù)（基礎(chǔ)模塊）的學(xué)習(xí)，具備了基礎(chǔ)的信息技術(shù)知識和技能。2.學(xué)習(xí)特點授課對象都是零零后的學(xué)生，在學(xué)習(xí)方面表現(xiàn)出如下特點。（1）喜歡實踐動手操作，厭煩枯燥乏味的理論講解；（2）喜歡任務(wù)式引導(dǎo)，情境設(shè)定，參與其中，厭煩平淡無極的說教；（3）樂于接受可視化教學(xué)資源，反感靜態(tài)紙質(zhì)學(xué)習(xí)材料；（4）偏愛顆?；⒛K化的學(xué)習(xí)過程，排斥時間冗長的教學(xué)過程；（5）對挑戰(zhàn)性的題目感興趣，對基礎(chǔ)性題目求知欲偏低；（6）喜好電腦與互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，線上操作所見即所得可以引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。3.信息素養(yǎng)學(xué)生通過高職或高中信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，具備了基礎(chǔ)的信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)，但是在數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新方面仍需加強二、教學(xué)內(nèi)容1.知識目標(biāo)2.能力目標(biāo)初步掌握初步掌握3.素養(yǎng)目標(biāo)通過小組學(xué)習(xí)，培養(yǎng)與人溝通、協(xié)同工作、口才表達等能力1.教學(xué)重點八、教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動策略與意圖環(huán)節(jié)一課程導(dǎo)入與學(xué)習(xí)任務(wù)(10分鐘)區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術(shù)的新型應(yīng)用模式。從本質(zhì)上說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集體維護、公開透明等特點，在金融、供應(yīng)鏈、公共服務(wù)、數(shù)字版權(quán)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本主題包含區(qū)塊鏈基礎(chǔ)知識、區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域、區(qū)塊鏈核心技術(shù)等內(nèi)容?！緦W(xué)習(xí)任務(wù)】通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，完成下列學(xué)習(xí)任務(wù)：

1.在學(xué)習(xí)過程中認真復(fù)習(xí)，梳理記錄好學(xué)習(xí)筆記；2.8.感受區(qū)塊鏈的魅力，激發(fā)對興趣，拓展視野和思維；9.通過小組學(xué)習(xí)，培養(yǎng)與人溝通、協(xié)同工作、口才表達等能力；10.完成單元考核評價中的相關(guān)任務(wù)。教師活動1.介紹區(qū)塊鏈導(dǎo)入。3.介紹區(qū)塊鏈小節(jié)的學(xué)習(xí)任學(xué)生活動2.積極思考，回答問題。3.明確本小節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)4.思考記錄1.講授教學(xué)法，介紹區(qū)塊鏈概述、本節(jié)知識圖譜及學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生了解本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的全貌教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動策略與意圖環(huán)節(jié)二了解區(qū)塊鏈的基本知識(40分鐘)12.1.1區(qū)塊鏈的概念1.區(qū)塊鏈的概念（1）區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁矗亢唵蝸碚f，它是由現(xiàn)代密碼學(xué)保護，并以串聯(lián)方式銜接在一起的交易記錄。你也可以把它理解成N個賬本，每個用戶手里都有一份，內(nèi)容隨時更新，但只能添加信息，不能修改信息。得到卓克密碼學(xué)課簡單來說，就是一套“加密的、分布式的、多方參與的記賬技術(shù)”。（2）區(qū)塊鏈的類比案例--石頭貨幣的故事在原始社會，人們通常用不容易大量獲取的物品作為貨幣，例如牲畜、鹽、稀有的貝殼、珍稀鳥類羽毛、寶石、沙金、石頭等。據(jù)1910年WilliamHenryFurness出版的《石幣之島》上記載，密克羅尼西亞西部有一個與世隔絕的小島，叫做雅浦島，而在這個原始小部落里，有一種非常特殊的貨幣———石頭幣。如圖6-3所示。島上居民是航行了約400公里，在其他島嶼上，從洞穴和巖石掩體中采集石灰石，并在現(xiàn)場加工成石頭貨幣后運回雅浦島。采集者在公共聚會上向全島居民介紹了新采集的石頭幣,使島上的每個人都知道哪些個人或氏族團體擁有特定石盤的所有權(quán)。每個石頭幣都根據(jù)尺寸，形狀，均勻度，石材質(zhì)量和旅途中的風(fēng)險分配了一個值。經(jīng)過當(dāng)?shù)厥最I(lǐng)的檢查和核實后，石頭幣被展示在公共場所，如圖12-3所示。石頭幣的大小、重量和保存的歷史年限，也決定了它具體的價值有多少，能換來多少東西。石頭幣的所有權(quán)可以被轉(zhuǎn)移，比如，作為結(jié)婚禮物，送給安全的政治盟友，或者在暴風(fēng)雨之后與附近島嶼的居民交換食物。這些交易也發(fā)生在全島居民內(nèi)部。石頭幣有各種大小，最大的直徑能有三五米，而小的只有三四厘米，可以想象，移動石頭幣是一件非常費勁的事情，所以大家在雅浦島上交易的時候，基本是不用把石頭搬來搬去的。需要做的就是——記賬。無論是誰獲得了一個石頭幣，它都保留在原來的位置。更有意思的是，島上有戶人家，祖先曾得到一枚巨大的石頭幣，但在運回雅浦島途中遇到了海難，石頭沉到了大海。但是由于見證者很多，當(dāng)?shù)氐木用袢匀幌嘈牛m然石頭從物理上來說已經(jīng)找不到了，但是這戶人家依然擁有這枚石幣代表的價值，他們還是可以用這枚虛擬的石頭幣來購買各種物資。具體的買賣依舊是記在大家的賬本上。這個例子揭示了錢的一個重要屬性：一個經(jīng)濟體的貨幣系統(tǒng)完全可以是一個大賬本，而錢的流動（你掙了錢還是花了錢），都是一筆筆的記賬。就像你用支付寶花12塊錢買了個麥當(dāng)勞雞肉漢堡的時候，并沒有什么錢真正在被轉(zhuǎn)移，而只是阿里巴巴公司記了一筆賬——你的支付寶賬戶里減12塊錢，麥當(dāng)勞店的賬戶里加12塊錢，就結(jié)束了。這個案例有許多區(qū)塊鏈的特征，有助于我們理解區(qū)塊鏈技術(shù)。2.區(qū)塊鏈的定義區(qū)塊鏈（英語：blockchain或blockchain）是借由密碼學(xué)串接并保護內(nèi)容的串連交易記錄（又稱區(qū)塊）。每一個區(qū)塊包含了前一個區(qū)塊的加密散列、相應(yīng)時間戳記以及交易數(shù)據(jù)（通常用默克爾樹算法計算的散列值表示），這樣的設(shè)計使得區(qū)塊內(nèi)容具有難以篡改的特性。用區(qū)塊鏈所串接的分布式賬本能讓兩方有效紀(jì)錄交易，且可永久查驗此交易。wiki百科區(qū)塊鏈(Blockchain)是一種由多方共同維護，使用密碼學(xué)保證傳輸和訪問安全，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術(shù)，也稱為分布式賬本技術(shù)(DistributedLedgerTechnology)。狹義：區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義：區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算方式。通俗理解：區(qū)塊鏈技術(shù)是一種整個系統(tǒng)內(nèi)所有個體都參與記賬的方式。系統(tǒng)內(nèi)所有個體（成員）都有一個在系統(tǒng)內(nèi)部公開的數(shù)據(jù)庫，我們可以把這個數(shù)據(jù)庫看成是整個區(qū)塊鏈的賬本。在日常生活中，大部分系統(tǒng)都是中心化的，例如：我們?nèi)ャy行取錢，記賬的是銀行。我們使用的微信，負責(zé)記賬的是騰訊。我們使用的支付寶，是阿里在記賬。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的每個個體（成員）都可以有機會參與記賬。在一定時間段內(nèi)如果有數(shù)據(jù)變化，系統(tǒng)中每個個體（成員）都可以來進行記賬，系統(tǒng)會評判這段時間內(nèi)記賬最快最好的個體（成員），讓他把記錄的內(nèi)容寫到賬本，并將這段時間內(nèi)賬本內(nèi)容對整個系統(tǒng)進行公開，任何個體（成員）都可以隨時查看。這樣系統(tǒng)中的每個個體（成員）都了一本完整的賬本。就這樣，區(qū)塊鏈技術(shù)解決了中介信用問題，這也是區(qū)塊鏈的一個重大突破。在區(qū)塊鏈之前，比特幣可能已經(jīng)被大家所熟知，比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)的一種實踐，區(qū)塊鏈不是比特幣。12.1.2區(qū)塊鏈的技術(shù)特性區(qū)塊鏈中，交易信息以一個個信息塊的形式記錄，這些塊以鏈條方式，按時間順序連接起來。新生成的交易信息記錄塊，不斷地被加到區(qū)塊鏈中。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€賬本，是一個不斷增長的文件，每筆交易按時間順序記錄，它是分布式、去中心化的賬本。區(qū)塊鏈中的記錄是永久性的，一旦交易記入?yún)^(qū)塊鏈，它將永久存在，不會被刪除。區(qū)塊鏈中的記錄是不可修改的，一旦交易記入?yún)^(qū)塊鏈，就不能修改。區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂妹艽a學(xué)技術(shù)將信息被鎖定在區(qū)塊鏈中以確保記錄是安全的。區(qū)塊鏈技術(shù)具有四個主要特征：去中心化、共識機制、可追溯性以及高度信任。第一，去中心化。區(qū)塊鏈?zhǔn)怯杀姸喙?jié)點共同組成的點對點網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不依賴第三方中介平臺或硬件設(shè)施，沒有中心管制，通過分布式記錄和存儲的形式，各個節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自我驗證、傳遞和管理。數(shù)據(jù)在每個節(jié)點互為備份，各節(jié)點地位平等共同維護系統(tǒng)功能，因此系統(tǒng)不會因為任意節(jié)點的損壞或異常而影響正常運行，使得基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲具有較高的安全可靠性。第二，共識機制。共識機制主要指網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點間如何達成共識的認證原則，去認定一份交易信息的有效性，保證信息的真實可靠。有了該機制，區(qū)塊鏈應(yīng)用中便無需依賴中心機構(gòu)來鑒定和驗證某一數(shù)值或交易。共識機制可以減少偽冒交易的發(fā)生，只有超過51%的節(jié)點成員達成共識，數(shù)據(jù)交易才能發(fā)生，有利于保證每份副本信息的一致性，建立適用于不同應(yīng)用場景的交易驗證規(guī)則，從而在效率與安全之間取得平衡。第三，可追溯性。區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)信息全部存儲在帶有時間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)里，具有極強的可追溯性和可驗證性。區(qū)塊鏈中任意兩個區(qū)塊間都通過密碼學(xué)方法相關(guān)聯(lián)，可以追溯到任何一個區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息。第四，高度信任。區(qū)塊鏈?zhǔn)墙⑿湃侮P(guān)系的新技術(shù)，這種信任依賴于算法的自我約束，任何惡意欺騙系統(tǒng)的行為都會遭到其他節(jié)點的排斥和抑制。區(qū)塊鏈技術(shù)具有開源、透明的特性，系統(tǒng)參與者能夠知曉系統(tǒng)的運作規(guī)則和數(shù)據(jù)內(nèi)容，任意節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術(shù)進行驗證，按照系統(tǒng)既定的規(guī)則運行，保證數(shù)據(jù)信任。12.1.3區(qū)塊鏈的分類區(qū)塊鏈有三種分類方式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)范圍劃分為公有鏈(PublicBlockchain)、聯(lián)盟鏈(ConsortiumBlockchain)和私有鏈(PrivateBlockchain)三種,根據(jù)部署環(huán)境劃分為主鏈和測試鏈，根據(jù)對接類型劃分為單鏈和多鏈，如圖12-10所示。（1）公有區(qū)塊鏈公有區(qū)塊鏈（PublicBlockChains)是指：世界上任何個體或者團體都可以發(fā)送交易，且交易能夠獲得該區(qū)塊鏈的有效確認，任何人都可以參與其共識過程。公有區(qū)塊鏈?zhǔn)亲钤绲膮^(qū)塊鏈，也是應(yīng)用最廣泛的區(qū)塊鏈，公有鏈的典型代表是比特幣、以太坊區(qū)塊鏈，任何人都可以通過交易或挖礦讀取和寫入數(shù)據(jù)。公有區(qū)塊鏈有開源(OpenSource)和匿名(Anonymity)兩個特征，開源是指由于整個系統(tǒng)的運作規(guī)則公開透明，這個系統(tǒng)是開源系統(tǒng);匿名是指由于節(jié)點之間無需信任彼此，所有節(jié)點也無需公開身份，系統(tǒng)中每一個節(jié)點的匿名和隱私都受到保護。（2）聯(lián)盟（行業(yè)）區(qū)塊鏈聯(lián)盟區(qū)塊鏈（ConsortiumBlockChains)：由某個群體內(nèi)部指定多個預(yù)選的節(jié)點為記賬人，每個塊的生成由所有的預(yù)選節(jié)點共同決定（預(yù)選節(jié)點參與共識過程），其他接入節(jié)點可以參與交易，但不過問記賬過程(本質(zhì)上還是托管記賬，只是變成分布式記賬，預(yù)選節(jié)點的多少，如何決定每個塊的記賬者成為該區(qū)塊鏈的主要風(fēng)險點），其他任何人可以通過該區(qū)塊鏈開放的API進行限定查詢。聯(lián)盟區(qū)塊鏈主要的應(yīng)用在機構(gòu)間的交易、結(jié)算或清算等B2B場景。例如，銀行間進行支付、結(jié)算、清算的系統(tǒng)就能夠采用聯(lián)盟鏈的形式，將各家銀行的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為記賬節(jié)點。（3）私有區(qū)塊鏈私有區(qū)塊鏈（PrivateBlockChains)：僅僅使用區(qū)塊鏈的總賬技術(shù)進行記賬，可以是一個公司，也可以是個人，獨享該區(qū)塊鏈的寫入權(quán)限，讀取權(quán)限或者對外開放，或者被一定程度地進行了限制。本鏈與其他的分布式存儲方案沒有太大區(qū)別。傳統(tǒng)金融都是想實驗嘗試私有區(qū)塊鏈，私鏈的應(yīng)用產(chǎn)品還在摸索當(dāng)中。私有鏈的特點是交易速度快，保護隱私，而且交易成本極低；但是它也有一些缺點，私有鏈可以被操作價格，也能夠修改代碼的，風(fēng)險較大。教師活動1.講授區(qū)塊鏈的概念、定義技術(shù)特性及分類。2.介紹區(qū)塊鏈的類比案例--石頭貨幣的故事，通過討論分析，進一步加深對區(qū)塊鏈的理解。學(xué)生活動2.積極思考，回答問題。3.參與互動討論，理解區(qū)塊鏈的概念。1.講授教學(xué)法，介紹區(qū)塊鏈的概念、定義技術(shù)特性及分類，使學(xué)生了解區(qū)塊鏈的概念。2.案例教學(xué)法，介紹區(qū)塊鏈的類比案例--石頭貨幣的故事，互動討論區(qū)塊鏈的含義，促進學(xué)生對區(qū)塊鏈的理解。教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動策略與意圖環(huán)節(jié)三區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程(30分鐘)3.區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程（1）區(qū)塊鏈的醞釀階段區(qū)塊鏈的誕生最早可以追溯到密碼學(xué)和分布式計算。1976年，迪菲和赫爾曼發(fā)表了一篇開創(chuàng)性論文《密碼學(xué)的新方向》（NewDirectionsinCryptography）首次提出公共密鑰加密協(xié)議與數(shù)字簽名概念，構(gòu)成了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的加密算法體系的基石，同時這也是密碼貨幣和區(qū)塊鏈技術(shù)誕生的技術(shù)基礎(chǔ),圖-12-3是迪菲和赫爾曼。同年，哈耶克出版了《貨幣的非國家化》，哈耶克從經(jīng)濟自由主義出發(fā)，提出了非主權(quán)貨幣（貨幣非國家化）、競爭發(fā)行（由私營銀行發(fā)行競爭性的貨幣，即自由貨幣）等概念，從理論層面引導(dǎo)去中心化密碼貨幣技術(shù)的發(fā)展，圖12-4是哈耶克。圖6-3赫爾曼(左)和迪菲(右)圖6-4諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎得主哈耶克1979年，MerkleRalf提出了Merkle-Tree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的算法，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于校驗分布式網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)同步的正確性，對密碼學(xué)和分布式計算的發(fā)展起著重要作用，這也是比特幣中用來做區(qū)塊同步校驗的重要手段。1982年，萊斯利.蘭伯特（Lamport）提出拜占庭將軍問題，并證明了在將軍總數(shù)大于3f，背叛者個數(shù)小于等于f時，忠誠的將軍們可以達成一致，標(biāo)志著分布式計算理論和實踐正逐漸走向成熟。同年，大衛(wèi)·喬姆公布了密碼學(xué)支付系統(tǒng)ECash，隨著密碼學(xué)的發(fā)展，具有遠見的密碼貨幣先驅(qū)們開始嘗試將其運用到貨幣、支付等相關(guān)領(lǐng)域，ECash是密碼貨幣最早的先驅(qū)之一。1991年。區(qū)塊鏈技術(shù)是最早由計算機科學(xué)家斯圖爾特·哈伯(StuartHaber)和w·斯科特·斯托內(nèi)塔(W.ScottStornetta)提出的，如圖12-5和圖12-6所示，他們介紹了一種方案，用于在數(shù)字文檔上加蓋時間戳，防止文檔被篡改。他們開發(fā)了一個系統(tǒng)，使用加密的安全區(qū)塊鏈來存儲有時間戳的文檔。圖16-5w·斯科特·斯托內(nèi)塔圖6-6計算機科學(xué)家斯圖爾特·哈伯1992年，默克爾(Merkle)樹被納入到區(qū)塊鏈的設(shè)計中，大大提高了區(qū)塊鏈的效率。默克爾(Merkle)樹被用來創(chuàng)建一個“安全的區(qū)塊鏈”，它存儲了一系列數(shù)據(jù)記錄，每條數(shù)據(jù)記錄都與前一條數(shù)據(jù)記錄相連。這個鏈中的最新記錄包含了整個鏈的歷史。1993年，尼克?薩博（NickSzabo）就提出了“智能合約”這個概念，如今，“智能合約”是以太坊區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的核心部分。1998年，華裔工程師戴偉（WeiDai）和尼克·薩博各自獨立提出密碼貨幣的概念，如圖12-7和圖12-8所示，其中戴偉的B-Money被公認為比特幣的精神先驅(qū)，而尼克·薩博的比特黃金（Bitgold)設(shè)想基本就是比特幣的雛形，他提出比特黃金的去中心化的數(shù)字貨幣的概念被認為是比特幣的起源，其內(nèi)容揭示了現(xiàn)代貨幣的根本問題，即“依賴中心化的權(quán)威第三方”，尼克·薩博還在1993年提出了“智能合約”這個概念，如今，“智能合約”是以太坊區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的核心部分。圖6-7華裔工程師戴偉圖6-8尼克·薩博2004年，計算機科學(xué)家哈爾?芬尼(HalFinney)推出了一個名為“可重用工作量證明”(RPoW)的系統(tǒng)，作為數(shù)字現(xiàn)金的原型。這是加密貨幣歷史上一個重要一步。RPoW系統(tǒng)通過接收不可交換或不可替換的基于Hashcash的工作令牌證明來工作，從而創(chuàng)建一個rsa簽名的令牌，該令牌可以進一步在人與人之間傳輸。RPoW通過保持在可信服務(wù)器上注冊令牌的所有權(quán)，解決了雙重支付(DoubleSpend)問題。該服務(wù)器旨在讓全世界的用戶實時驗證其正確性和完整性。（2）區(qū)塊鏈的誕生區(qū)塊鏈起源于比特幣，2008年11月1日，一位自稱中本聰(SatoshiNakamoto)的人發(fā)表了《比特幣:一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文，闡述了基于P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、加密技術(shù)、時間戳技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等的電子現(xiàn)金系統(tǒng)的構(gòu)架理念，這標(biāo)志著比特幣的誕生。兩個月后理論步入實踐，2009年1月3日第一個序號為0的創(chuàng)世區(qū)塊誕生。幾天后2009年1月9日出現(xiàn)序號為1的區(qū)塊，并與序號為0的創(chuàng)世區(qū)塊相連接形成了鏈，標(biāo)志著區(qū)塊鏈的誕生

。（3）區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程區(qū)塊鏈誕生至今已有十余年，概括起來講可以分為區(qū)塊鏈1.0時代、區(qū)塊鏈2.0時代、區(qū)塊鏈3.0時代三個階段，如圖6-9所示。圖6-9區(qū)塊鏈發(fā)展的三個階段區(qū)塊鏈1.0時代，2009年比特幣的誕生標(biāo)志著區(qū)塊鏈1.0時代的到來，被稱為區(qū)塊鏈貨幣時代，作為所有交易的公共賬簿。通過利用點對點網(wǎng)絡(luò)和分布式時間戳服務(wù)器，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫能夠進行自主管理。該時期的區(qū)塊鏈技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)字貨幣的兌換、轉(zhuǎn)移和支付方面，以比特幣為代表，主要是為了解決貨幣和支付手段的去中心化管理。區(qū)塊鏈2.0時代，

2013年以太坊的出現(xiàn)標(biāo)志著區(qū)塊鏈2.0時代的到來。被稱為區(qū)塊鏈合約時代。以智能合約為代表，更宏觀地為整個互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場去中心化，而不僅僅是貨幣的流通?？梢岳脜^(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)更多數(shù)字資產(chǎn)的轉(zhuǎn)換，從而創(chuàng)造數(shù)字資產(chǎn)的價值。所有的金融交易、數(shù)字資產(chǎn)都可以被改造后在區(qū)塊鏈上使用，包括股票、私募股權(quán)、眾籌、債券、對沖基金、期貨、期權(quán)等金融產(chǎn)品，或者數(shù)字版權(quán)、證明、身份記錄、專利等數(shù)字記錄。以太坊（英文Ethereum）是一個開源的有智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺，通過其專用加密貨幣以太幣提供去中心化的以太虛擬機來處理點對點合約。得益于以太坊開源、智能合約的特點，區(qū)塊鏈技術(shù)在2.0時代得到快速發(fā)展，2015年經(jīng)濟學(xué)人發(fā)布《重塑世界的區(qū)塊鏈技術(shù)》后，區(qū)塊鏈技術(shù)在全球掀起一股金融科技狂潮。區(qū)塊鏈3.0時代，2015年聯(lián)盟鏈的出現(xiàn)標(biāo)志著區(qū)塊鏈3.0時代的到來，被稱為區(qū)塊鏈治理時代。以IBM主導(dǎo)誕生的全球第一個聯(lián)盟鏈為代表，成立了開源組織Hyperleger（超級賬本），底層技術(shù)為Fabric（超級賬本框架）；國內(nèi)也研發(fā)了自主聯(lián)盟鏈Hyperchain，提供面向商業(yè)級的支撐能力。該時代是一個信息互聯(lián)網(wǎng)向價值互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變的時代，是區(qū)塊鏈技術(shù)和實體經(jīng)濟、實體產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的時代，將鏈?zhǔn)接涃~、智能合約和實體領(lǐng)域結(jié)合起來，實現(xiàn)去中心化的自治，發(fā)揮區(qū)塊鏈的價值，區(qū)塊鏈技術(shù)在這一時代的應(yīng)用將超越金融領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于政務(wù)、物流、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。教師活動講授區(qū)塊鏈的醞釀階段、誕生和發(fā)展歷程。學(xué)生活動2.積極思考，回答問題。3.了解區(qū)塊鏈的醞釀階段、誕生和發(fā)展歷程。講授教學(xué)法，通過介紹區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景，使學(xué)生了解區(qū)塊鏈的發(fā)展發(fā)展脈絡(luò)與趨勢教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容教學(xué)活動策略與意圖環(huán)節(jié)四了解區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域(30分鐘)1RPA系統(tǒng)架構(gòu)與功能區(qū)塊鏈自誕生以來，其應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，目前，區(qū)塊鏈的應(yīng)用已延伸到物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、供應(yīng)鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易、企業(yè)金融等多個領(lǐng)域，將為云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展帶來新的機遇，有能力引發(fā)新一輪的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革。本節(jié)介紹區(qū)塊鏈在金融、供應(yīng)鏈、公共服務(wù)和數(shù)字版權(quán)等領(lǐng)域的應(yīng)用。12.2.1區(qū)塊鏈技術(shù)在金融領(lǐng)域的應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)天然具有金融屬性，它正對金融業(yè)產(chǎn)生顛覆式變革，區(qū)塊鏈在國際匯兌、信用證、股權(quán)登記和證券交易所等金融領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用價值，國內(nèi)區(qū)塊鏈技術(shù)在金融領(lǐng)域應(yīng)用的部分案例如圖12-11所示。支付結(jié)算方面，在區(qū)塊鏈分布式賬本體系下，市場多個參與者共同維護并實時同步一份“總賬”，短短幾分鐘內(nèi)就可以完成現(xiàn)在兩三天才能完成的支付、清算、結(jié)算任務(wù)，降低了跨行跨境交易的復(fù)雜性和成本。同時，區(qū)塊鏈的底層加密技術(shù)保證了參與者無法篡改賬本，確保交易記錄透明安全，監(jiān)管部門方便地追蹤鏈上交易，快速定位高風(fēng)險資金流向。證券發(fā)行交易方面，傳統(tǒng)股票發(fā)行流程長、成本高、環(huán)節(jié)復(fù)雜，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠弱化承銷機構(gòu)作用，幫助各方建立快速準(zhǔn)確的信息交互共享通道，發(fā)行人通過智能合約自行辦理發(fā)行，監(jiān)管部門統(tǒng)一審查核對，投資者也可以繞過中介機構(gòu)進行直接操作。數(shù)字票據(jù)和供應(yīng)鏈金融方面，區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效解決中小企業(yè)融資難問題。目前的供應(yīng)鏈金融很難惠及產(chǎn)業(yè)鏈上游的中小企業(yè)，因為他們跟核心企業(yè)往往沒有直接貿(mào)易往來，金融機構(gòu)難以評估其信用資質(zhì)。基于區(qū)塊鏈技術(shù)，我們可以建立一種聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)，涵蓋核心企業(yè)、上下游供應(yīng)商、金融機構(gòu)等，核心企業(yè)發(fā)放應(yīng)收賬款憑證給其供應(yīng)商，票據(jù)數(shù)字化上鏈后可在供應(yīng)商之間流轉(zhuǎn)，每一級供應(yīng)商可憑數(shù)字票據(jù)證明實現(xiàn)對應(yīng)額度的融資。12.2.2區(qū)塊鏈技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前，物流行業(yè)已成為支撐國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，供應(yīng)鏈創(chuàng)新與應(yīng)用也被上升為國家戰(zhàn)略，用技術(shù)推進物流創(chuàng)新發(fā)展成為共識。物流行業(yè)因其鏈條長、環(huán)節(jié)多的行業(yè)特性，長期以來存在協(xié)同難、追溯難、征信難、融資難等痛點，而區(qū)塊鏈技術(shù)作為創(chuàng)造信任的新模式，其分布式、不可篡改、可追溯的技術(shù)特性恰好為解決這些痛點提供了技術(shù)方案。我國區(qū)塊鏈技術(shù)目前在物流行業(yè)正聚焦四大應(yīng)用方向：流程優(yōu)化、物流追蹤、物流征信和物流金融，在流程優(yōu)化方面，通過區(qū)塊鏈和電子簽名技術(shù)不僅可以實現(xiàn)無紙化簽收，還可以依靠智能合約完成自動對賬，實現(xiàn)對賬過程的高度智能和高度信任；在物流征信方面，通過將服務(wù)評分、配送時效、權(quán)威機構(gòu)背書等可信的交易數(shù)據(jù)上鏈，可以實現(xiàn)可管控的信用數(shù)據(jù)共享和驗證，為消費者提供高信任的物流服務(wù)；在物流追蹤方面，包括跨境物流、商品追溯、?；愤\輸?shù)确矫?，實現(xiàn)產(chǎn)品從生產(chǎn)、加工、運輸、銷售等全流程的透明化；在物流金融方面，通過征信評級、賬款查詢、資產(chǎn)評估等幫助金融機構(gòu)完善中小型企業(yè)畫像，解決融資難問題，還可以讓監(jiān)管機構(gòu)參與到鏈中，規(guī)避金融風(fēng)險，如圖12-12所示。圖12-12京東物鏈平臺方案目前，包括京東物流、中國郵政、中遠海運、中外運、福佑卡車、中儲發(fā)展、G7、微軟加速器（北京）等企業(yè)在內(nèi)，“物流+區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用聯(lián)盟”成員均在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用進行了大量探索。例如中遠海運使用區(qū)塊鏈解決跨境物流問題，中外運將區(qū)塊鏈技術(shù)融入智慧物流建設(shè)，京東物流則聯(lián)合福佑卡車打造快運對賬區(qū)塊鏈解決方案，成為用技術(shù)解決物流對賬業(yè)務(wù)的典型案例。通過區(qū)塊鏈和供應(yīng)鏈的創(chuàng)新結(jié)合，正在助力物流行業(yè)朝著更高效、協(xié)同、智能的方向發(fā)展。此外，區(qū)塊鏈還在和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深入結(jié)合，推動建立多方信任的智能物流生態(tài)系統(tǒng)，促進整個物流行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。12.2.3區(qū)塊鏈技術(shù)在政務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用區(qū)塊鏈可以讓數(shù)據(jù)跑起來，大大精簡辦事流程。區(qū)塊鏈的分布式技術(shù)可以讓政府部門集中到一個鏈上，所有辦事流程交付智能合約，辦事人只要在一個部門通過身份認證以及電子簽章，智能合約就可以自動處理并流轉(zhuǎn)，順序完成后續(xù)所有審批和簽章。區(qū)塊鏈發(fā)票是國內(nèi)區(qū)塊鏈技術(shù)最早落地的應(yīng)用。稅務(wù)部門推出區(qū)塊鏈電子發(fā)票“稅鏈”平臺，稅務(wù)部門、開票方、受票方通過獨一無二的數(shù)字身份加入“稅鏈”網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)“交易即開票”“開票即報銷”——秒級開票、分鐘級報銷入賬，大幅降低了稅收征管成本，有效解決數(shù)據(jù)篡改、一票多報、偷稅漏稅等問題。扶貧是區(qū)塊鏈技術(shù)的另一個落地應(yīng)用。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的公開透明、可溯源、不可篡改等特性，實現(xiàn)扶貧資金的透明使用、精準(zhǔn)投放和高效管理，區(qū)塊鏈在數(shù)字政務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用場景如圖12-13所示。圖13-區(qū)塊鏈在政務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用12.2.4區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可實現(xiàn)對數(shù)字內(nèi)容的全生命周期管理，解決數(shù)字內(nèi)容的確權(quán)、用權(quán)、維權(quán)、交易等環(huán)節(jié)存在的問題，其應(yīng)用越來越受關(guān)注，國家版權(quán)保護中心及多省市政府積極推進區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭、區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)業(yè)企業(yè)、專業(yè)內(nèi)容生產(chǎn)平臺積極布局區(qū)塊鏈+數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)已有多個代表性應(yīng)用。1.什么是數(shù)字版權(quán)關(guān)于數(shù)字版權(quán)，目前學(xué)界、業(yè)界尚無統(tǒng)一的定義。從現(xiàn)有的對數(shù)字版權(quán)的討論中，我們可以將數(shù)字版權(quán)理解為數(shù)字作品的創(chuàng)作者享有的對數(shù)字作品進行保存、復(fù)制、發(fā)行并以此獲得相應(yīng)利益的權(quán)利。數(shù)字版權(quán)所對應(yīng)的的數(shù)字作品主要有兩類，一類是傳統(tǒng)作品的數(shù)字化，如將紙質(zhì)版書籍轉(zhuǎn)化成電子版；另一類是原生數(shù)字作品，即圖文影音、軟件、游戲等以數(shù)字化的方式在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上存在、流轉(zhuǎn)的智力產(chǎn)品。當(dāng)前，我國已經(jīng)基本形成以《中華人民共和國著作法》為核心的數(shù)字版權(quán)保護法律體系。我國與數(shù)字版權(quán)保護相關(guān)的法律法規(guī)主要包括《中華人民共和國著作權(quán)法》、《互聯(lián)網(wǎng)著作權(quán)行政保護辦法》、《信息網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)保護條例》等。2.原有數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域存在的問題數(shù)字作品天然具有可復(fù)制、易篡改、非獨占等特點，加上消費者版權(quán)意識薄弱，數(shù)字作品被盜用、濫用的現(xiàn)象非常普遍。同時由于在線信息流轉(zhuǎn)速度加快、傳播網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，導(dǎo)致維權(quán)舉證困難、維權(quán)成本過高，相關(guān)權(quán)益往往難以得到有效保障。尤其在短視頻和自媒體盛行的當(dāng)下，人人都是創(chuàng)作者，由此引發(fā)的洗稿剽竊等行為更是屢禁不止。3.區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對數(shù)字內(nèi)容的全生命周期管理，解決數(shù)字內(nèi)容的確權(quán)、用權(quán)、維權(quán)、交易等環(huán)節(jié)存在的問題，實現(xiàn)數(shù)字版權(quán)登記、智能交易、侵權(quán)監(jiān)測等功能，如圖12-14所示。圖12-14區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域應(yīng)用教師活動區(qū)塊鏈在金融、物流、政務(wù)和數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用學(xué)生活動2.積極思考，回答問題。3.了解區(qū)塊鏈的典型應(yīng)用場景。4.思考記錄1.講授教學(xué)法，通過區(qū)塊鏈在金融、物流、政務(wù)和數(shù)字版權(quán)領(lǐng)域的應(yīng)用，使學(xué)生了解區(qū)塊鏈的典型應(yīng)用場景環(huán)節(jié)五了解區(qū)塊鏈的核心技術(shù)55分鐘)區(qū)塊鏈核心技術(shù)有分布式的數(shù)據(jù)庫、密碼學(xué)的公私鑰體系、P2P網(wǎng)絡(luò)和共識機制。12.3.1區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構(gòu)區(qū)塊鏈系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成，每層分別完成一項核心功能，各層之間互相配合，實現(xiàn)一個去中心化的信任機制，如圖12-15所示。圖12-15區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)（1）數(shù)據(jù)層-描述區(qū)塊鏈技術(shù)的物理形式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個P2P（點對點）網(wǎng)絡(luò)。每一個節(jié)點既接收信息，也產(chǎn)生信息。節(jié)點之間通過維護一個共同的區(qū)塊，數(shù)據(jù)層封裝底層數(shù)據(jù)區(qū)塊以及相關(guān)的數(shù)據(jù)加密和時間戳等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基本算法；（2）網(wǎng)絡(luò)層-實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的信息交流。網(wǎng)絡(luò)層則包括分布式組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制等；（3）共識層-讓高度分散的節(jié)點在去中心化的系統(tǒng)中高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性達成共識。共識層主要封裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各類共識算法，主要有工作量證明（ProofofWork）、權(quán)益證明（ProofofStake）和股份授權(quán)證明（DelegatedProofofStake）算法，還有投注共識、瑞波共識機制、Pool驗證池、實用拜占庭容錯、授權(quán)拜占庭容錯、帕克索斯算法等；（4）激勵層-提供一定的激勵措施，鼓勵節(jié)點參與區(qū)塊鏈的安全驗證工作。激勵層將經(jīng)濟因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中來，主要包括經(jīng)濟激勵的發(fā)行機制和分配機制等；（5）合約層-主要是指各種腳本代碼、算法機制以及智能合約等。合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)，以比特幣為例，比特幣是一種可編程的貨幣，合約層封裝的腳本中規(guī)定了比特幣的交易方式和過程中涉及的種種細節(jié)。；（6）應(yīng)用層-封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例該模型中，基于時間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)、分布式節(jié)點的共識機制、基于共識算力的經(jīng)濟激勵和靈活可編程的智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)最具代表性的創(chuàng)新點。12.3.2數(shù)據(jù)層的核心技術(shù)1.非對稱加密算法（1）互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時的問題在P2P網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸采用廣播的形式，例如A節(jié)點向B節(jié)點傳輸信息，A節(jié)點首先向相鄰節(jié)點擴散信息，以此類推，直到信息傳送至B。但在此過程中存在如圖12-16所示的四個問題。一是竊聽，A向B發(fā)送信息可能在傳輸中被C竊聽；二是假冒，A以為向B發(fā)送了信息，而B有可能是C假冒的，反過來，B以為從A那里收到了信息，而A也有可能是C假冒的；三是篡改，即使B確實收到了A發(fā)送的信息，但是，也有可能該信息的內(nèi)容在傳輸過程中被C惡意更改了，這種行為叫作“篡改”。四是事后否認，B從A那里收到了信息，但是，作為信息發(fā)送者A可能對B抱有惡意，并在事后聲稱“這信息不是我發(fā)送的”。圖12-16互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時的問題解決上述四個問題所用到的安全技術(shù)如表12-1所示。表12-1互聯(lián)網(wǎng)中用到的安全技術(shù)序號互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)膯栴}解決方法1竊聽加密2假冒消息認證或數(shù)字簽名3篡改4事后否認數(shù)字簽名（2）加密的基礎(chǔ)知識在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)社會中，為了防止信息在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸被竊聽，加密技術(shù)是必需要用的，下面簡單介紹加密技術(shù)的基本原理。首先，計算機識別由0和1這兩個數(shù)字表示的二進制數(shù)據(jù)，文本、圖像、音頻、視頻等數(shù)據(jù)信息都是用在計算機中都是用二進制來表示的，如圖12-17所示。在此基礎(chǔ)上介紹如何加密數(shù)據(jù)信息。圖12-17計算機只能理解二進制數(shù)圖12-18加密數(shù)據(jù)對計算機來說，數(shù)據(jù)信息就是一串有意義的數(shù)字排列，加密就是數(shù)據(jù)信息經(jīng)過某種運算后，變成計算機無法理解的數(shù)據(jù)信息的過程，密文也是數(shù)字排列，只不過它是計算機無法理解的無規(guī)律的數(shù)字排列，如圖12-18所示。加密就是用“秘鑰”對數(shù)據(jù)進行數(shù)值運算，把數(shù)據(jù)信息變成第三者無法理解的形式的過程，加密后的數(shù)據(jù)信息稱為“密文”，如圖12-19所示。反過來，解密就是通過秘鑰進行運算，把密文恢復(fù)成原本數(shù)據(jù)信息的過程，把密文恢復(fù)成原本數(shù)據(jù)信息的操作稱為“解密”，如圖12-20所示。圖12-19加密運算生成密文圖12-20解密運算得到原本數(shù)據(jù)上述，將數(shù)據(jù)信息變成第三者的計算機無法理解的形式傳輸，收到的加密數(shù)據(jù)信息再將其恢復(fù)成原本數(shù)據(jù)信息的一系列操作就是加密技術(shù)。A要通過互聯(lián)網(wǎng)向B發(fā)送數(shù)據(jù)信息，首先，A要把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息加密為密文，再把密文發(fā)送給B；B收到密文后，需要進行解密，才能得到原本的數(shù)據(jù)信息，如圖12-21所示。圖12-21加密傳輸過程示意圖（4）非對稱加密非對稱加密又稱公鑰加密，是加密和解密使用不同秘鑰的一種加密方法，加密用的秘鑰叫公開密鑰（簡稱公鑰），解密用的秘鑰叫私有密鑰（簡稱私鑰）。公鑰和私鑰是一對，如果用公鑰加密，只有用對應(yīng)的私鑰才能解密；反之，如果用私鑰加密，只有用對應(yīng)的公鑰才能解密。下面以如圖12-22所示的A準(zhǔn)備通過互聯(lián)網(wǎng)向B發(fā)送數(shù)據(jù)信息的案例，介紹非對稱加密的處理流程。首先，需要由接收方B來生成公開秘鑰和私有秘鑰，并將公開秘鑰發(fā)送給A；二是A使用B發(fā)過來的公開秘鑰加密要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，生成密文并發(fā)送給B；三是B收到密文，使用私有秘鑰對密文進行解密，得到原本的數(shù)據(jù)信息。圖12-22非對稱加密的處理流程非對稱加密技術(shù)可以用于身份驗證。發(fā)送者在發(fā)送信息時用私鑰將信息加密，接收者收到信息后，用公鑰進行解密，即可確認發(fā)送者的身份。非對稱加密算法包括DH算法、RSA算法、DSA算法和橢圓曲線算法（EC）。DH算法一般用于密鑰交換；RSA算法既可以用于密鑰交換，也可以用于數(shù)字簽名；DSA算法則一般只用于數(shù)字簽名。如果加密和解密都使用相同的秘鑰，即只有一個密鑰（該密鑰可以加密也可以解密），稱為對稱加密，也叫作共享秘鑰加密。2.哈希函數(shù)哈希函數(shù)是一種求哈希值的加密算法，哈希函數(shù)是現(xiàn)代密碼體系中的一個重要組成部分，哈希函數(shù)常常用于驗證信息是否被篡改。哈希函數(shù)y=Hash（x）可以將任意長度的信息（輸入值x）轉(zhuǎn)化成固定長度（如，64byte）的二進制字符串（輸出值y），該輸出值稱為哈希值，又稱摘要、散列、雜湊、指紋。哈希函數(shù)本質(zhì)就是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，輸入的長度可以是任意的，但輸出的長度是固定的，相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的輸出結(jié)果，哈希函數(shù)可以簡單理解為攪碎機，把文件攪碎為固定長度的哈希值，如圖12-23所示。常用的哈希算法有MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-3等，我國也自主研發(fā)了商用密碼算法SM3，由國家密碼管理局于2010年發(fā)布，主要用于數(shù)字簽名及驗證、消息認證碼生成及驗證、隨機數(shù)生成等，其算法是公開的。據(jù)國家密碼管理局表示，其安全性及效率與SHA-256相當(dāng)。圖12-23哈希函數(shù)原理示意圖哈希函數(shù)有以下適合存儲區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的優(yōu)點：（1）哈希函數(shù)處理過的數(shù)據(jù)是單向性的，正向計算（由數(shù)據(jù)計算其對應(yīng)的哈希值）十分容易。逆向計算（俗稱“破解”，即由哈希值計算出其對應(yīng)的數(shù)據(jù)）極其困難；（2）哈希函數(shù)處理不同長度的數(shù)據(jù)所耗費的時間是一致的，輸出值也是定長的；（3）哈希函數(shù)的輸入值即使只相差一個字節(jié)，則將得到一個千差萬別的結(jié)果，且結(jié)果無法事先預(yù)知。在比特幣系統(tǒng)中采用的是雙SHA256哈希函數(shù)，通俗來說就是將不同長度的原始數(shù)據(jù)用兩次SHA256哈希函數(shù)進行處理，再輸出長度為256的二進制數(shù)字來進行統(tǒng)一的識別和存儲。3.默克勒（Merkle）樹Merkle樹是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一種樹，可以是二叉樹，也可以是多叉樹，它具有樹結(jié)構(gòu)的所有特點，使用它可以快速校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性。比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的采用的是Merkle二叉樹，它被用來歸納一個區(qū)塊中的所有交易信息，最終生成這個區(qū)塊所有交易信息的一個統(tǒng)一的哈希值，區(qū)塊中任何一筆交易信息的改變都會使得Merkle樹改變。Merkle二叉樹的工作原理是將非葉子節(jié)點的所有子節(jié)點進行組合，對組合結(jié)果進行哈希計算得到哈希值，向上不斷遞歸運算產(chǎn)生新的哈希節(jié)點，最終只剩下一個Merkle根存入?yún)^(qū)塊頭中，每個哈希節(jié)點總是包含兩個相鄰的數(shù)據(jù)塊或其哈希值，如圖12-24所示。圖12-24Merkle樹原理圖使用Merkle樹可以極大地提高了區(qū)塊鏈的運行效率和可擴展性，使得區(qū)塊頭只需包含根哈希值而不必封裝所有底層數(shù)據(jù)，這使得哈希運算可以高效地運行在智能手機甚至物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上。4.區(qū)塊和鏈（1）區(qū)塊鏈結(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全網(wǎng)唯一的區(qū)塊鏈中，如圖12-25所示。圖12-25區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)區(qū)塊是一種記錄交易的數(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(zé)記錄前一段時間內(nèi)的所有交易信息，區(qū)塊鏈的大部分功能都由區(qū)塊頭實現(xiàn)，如圖12-26所示。圖12-26區(qū)塊形成示意圖（2）區(qū)塊形成過程在當(dāng)前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，下一個區(qū)塊的生成過程如下。①把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊主體中；②在區(qū)塊主體中生成此區(qū)塊中所有交易信息的Merkle樹，把Merkle樹根的值保存在區(qū)塊頭中；③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算法生成一個希值填入到當(dāng)前區(qū)塊的父哈希值中；④把當(dāng)前時間保存在時間戳字段中；⑤難度值字段會根據(jù)之前一段時間區(qū)塊的平均生成時間進行調(diào)整以應(yīng)對整個網(wǎng)絡(luò)不斷變化的整體計算總量，如果計算總量增長了，則系統(tǒng)會調(diào)高數(shù)學(xué)題的難度值，使得預(yù)期完成下一個區(qū)塊的時間依然在一定時間內(nèi)。5.時間戳和不可篡改性時間戳是指從格林威治時間1970年01月01日00時00分00秒（北京時間1970年01月01日08時00分00秒）起至現(xiàn)在的總秒數(shù)，通常是一個字符序列，唯一地標(biāo)識某一刻的時間，時間戳的工作原理如圖12-28所示。在比特幣系統(tǒng)中，獲得記賬權(quán)的節(jié)點在鏈接區(qū)塊時需要在區(qū)塊頭中加蓋時間戳，用于記錄當(dāng)前區(qū)塊數(shù)據(jù)的寫入時間。每一個隨后區(qū)塊中的時間戳都會對前一個時間戳進行增強，形成一個時間遞增的鏈條。12-28時間戳的工作原理示意圖時間戳技術(shù)本身并沒有多復(fù)雜，但在區(qū)塊鏈技術(shù)中應(yīng)用時間戳卻是一個重大創(chuàng)新，時間戳為未來基于區(qū)塊鏈的互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)增加了一個時間維度，使得數(shù)據(jù)更容易追溯，重現(xiàn)歷史也成為可能。同時，時間戳可以作為存在性證明（ProofofExistence）的重要參數(shù)，它能夠證實特定數(shù)據(jù)必然在某特定時刻是的確存在的，這保證了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫是不可篡改和不可偽造的。6.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，一是能確定信息確實是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來的，二是數(shù)字簽名能確定消息的完整性。數(shù)字簽名就是在發(fā)送信息后面加上另一段內(nèi)容，作為發(fā)送者的證明并且證明信息沒有被篡改。如圖12-29所示，發(fā)送者A將要發(fā)送的信息用哈希算法處理得出一個哈希值，再用私鑰對該哈希值進行加密，得出一個簽名。然后發(fā)送者再將信息和簽名一起發(fā)送給接收者。接收者B使用發(fā)送者的公鑰對簽名進行解密，還原出哈希值，再通過哈希算法來驗證信息的哈希值和解密簽名還原出來的哈希值是否一致，如果這兩個摘要相同，則接收方就能確認該數(shù)字簽名是發(fā)送方的，并且信息沒有被篡改。圖12-29數(shù)字簽名原理示意圖12.3.3共識層的核心技術(shù)共識層的核心是共識機制，即所有記賬節(jié)點之間如何達成共識，去認定一個記錄（區(qū)塊）的有效性，它既是共識認定的方法，也是防止篡改的手段。目前，主要的共識機制有PoW工作量證明算法、PoS股權(quán)證明算法和DPoS股份授權(quán)證明算法等。1.PoW工作量證明算法—比特幣區(qū)塊鏈的共識機制工作量證明可以簡單理解為一份證明，用來確認你做了一定量的工作。工作量證明機制是比特幣、萊特幣等所采用的共識機制，礦工通過付出算力來挖礦進而獲得相應(yīng)的區(qū)塊獎勵。工作量證明（ProofofWork，簡稱PoW）由比特幣引入，可以保證惡意節(jié)點不超過51％即可達成共識，是目前區(qū)塊鏈最經(jīng)典、也是最久經(jīng)考驗的共識機制，但是，PoW共識機制也有下列三個缺點。一是51％攻擊：當(dāng)攻擊者掌握了全網(wǎng)51％的算力時，其攻擊總能成功，因為他總可以讓自己的鏈成為最長的鏈。因此，全網(wǎng)節(jié)點越多，抗攻擊能力越強，安全性越好。二是高延遲：區(qū)塊出現(xiàn)時間的間隔不能太短，出塊時間過短意味著挖礦難度降低，會增加多個節(jié)點同時算出答案的概率，導(dǎo)致頻繁分叉。但出塊慢意味著確認時間長、高延遲。三是資源浪費：計算機計算密碼謎題需要大量的算力，需要高性能的計算機設(shè)備、消耗大量電力等資源。根據(jù)digiconomist的評估，比特幣2018年度排放的二氧化碳達34.73百萬噸，相當(dāng)于丹麥的碳排放量；耗電量達73.12兆千瓦時，相當(dāng)于奧地利的耗電量；產(chǎn)生電子廢物9.8克拉，相當(dāng)于盧森堡產(chǎn)生的電子廢物。2.POS股權(quán)證明算法—以太坊區(qū)塊鏈的共識機制權(quán)益證明機制（ProofofStake，簡稱PoS）是對PoW機制的改進，與節(jié)點需要做計算工作證明不同，PoS按照各節(jié)點擁有的密碼貨幣的數(shù)量和時間競爭記賬權(quán)，這種模式下持有密碼貨幣的數(shù)量越多、時間越長，率先“挖出”區(qū)塊的概率就越高。這種機制類似于利息制度，PoS算法中有一個名詞叫做“幣天”，是貨幣數(shù)量與持有天數(shù)的乘積（例如若持有60個密碼貨幣20天，則幣天為1200），各節(jié)點每發(fā)現(xiàn)一個區(qū)塊，擁有的幣天就會被清零，每清空365個幣天，可獲得一定數(shù)量的新幣獎勵，（相當(dāng)于持幣利息），如獲得0.05個幣的利息，可以理解為年利率5%。PoS作為PoW的一種升級共識機制，成功地改進了PoW機制的一些缺陷。一是低延遲：根據(jù)每個節(jié)點所持有代幣的數(shù)量和時間，等比例的降低挖礦難度，在一定程度上縮短了共識達成的時間。二是資源消耗少：不再需要消耗大量能源進行計算。PoS的缺點是破壞者對網(wǎng)絡(luò)攻擊的成本低，網(wǎng)絡(luò)的安全性有待驗證。另外擁有代幣數(shù)量大的節(jié)點獲得記賬權(quán)的幾率更大，會使得網(wǎng)絡(luò)的共識受少數(shù)富裕賬戶支配，從而失去公正性。3.DPoS股份授權(quán)證明算法股份授權(quán)證明（Delegat