2018區(qū)塊鏈技術原理詳解PPT.ppt

1、目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,1.區(qū)塊鏈簡介,區(qū)塊鏈技術是構建比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡與交易信息加密傳輸?shù)幕A技術。它基于密碼學原理而不基于信用，使得任何達成一致的雙方直接支付，從而不需要第三方中介的參與。,互聯(lián)網(wǎng)上的貿(mào)易，幾乎都需要借助可資信賴的第三方信用機構來處理電子支付信息。這類系統(tǒng)仍然內(nèi)生性地受制于“基于信用的模式”。,背景,1.區(qū)塊鏈簡介,區(qū)塊鏈是一個分布式賬本，一種通過去中心化、去信任的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術方案。,定義,從數(shù)據(jù)的角度來看 區(qū)塊鏈是一種幾乎不可能被更改的分布式數(shù)據(jù)庫。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的

2、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)參與者共同維護）。,從技術的角度來看 區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術，而是多種技術整合的結果。這些技術以新的結構組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲和表達的方式。,1.區(qū)塊鏈簡介,國際權威雜志經(jīng)濟學人、哈佛商業(yè)周刊、福布斯雜志等相繼報道區(qū)塊鏈技術將影響世界。,創(chuàng)業(yè)公司R3聯(lián)合全球42家頂級銀行成立區(qū)塊鏈聯(lián)盟，包括摩根大通、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),目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,2.特征及分類,特征,去中心，去信

3、任 區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點共同組成一個端到端的網(wǎng)絡，不存在中心化的設備和管理機構。節(jié)點之間數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術進行驗證，無需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進行，節(jié)點之間不能也無法欺騙其它節(jié)點。,開放，共識 任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，每一臺設備都能作為一個節(jié)點，每個節(jié)點都允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫拷貝。節(jié)點間基于一套共識機制，通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。,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)庫的修改無法影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，除非能控制整個網(wǎng)絡中超過51%的節(jié)點同時修改，這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中的每一筆交易都通過密碼學方法與相鄰

4、兩個區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生。,交易透明，雙方匿名 區(qū)塊鏈的運行規(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所有節(jié)點可見。由于節(jié)點與節(jié)點之間是去信任的，因此節(jié)點之間無需公開身份，每個參與的節(jié)點都是匿名的。,2.特征及分類,分類,聯(lián)盟鏈 由若干機構聯(lián)合發(fā)起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具部分去中心化的特性。,私有鏈 建立在某個企業(yè)內(nèi)部，系統(tǒng)的運作規(guī)則根據(jù)企業(yè)要求進行設定，修改甚至是讀取權限僅限于少數(shù)節(jié)點，同時仍保留著區(qū)塊鏈的真實性和部分去中心化的特性。,公有鏈 無官方組織及管理機構，無中心服務器，參與的節(jié)點按照系統(tǒng)規(guī)則自由接入網(wǎng)絡、不受控制，節(jié)點間基于共識機

5、制開展工作。,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,科普,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，一是能確定消息確實是由發(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。,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，然后用自己的私鑰對摘要進行加密，加密后的摘要將作為報文的數(shù)字簽名和報文一起發(fā)送給接收方，接收方首先用與發(fā)送方一樣的哈希函數(shù)從接收到的原始報文中計算出報文摘要，接著再用發(fā)送方的公鑰來對報文附加的數(shù)字簽名進行解密，如果這兩個摘要相同、那么接

6、收方就能確認該數(shù)字簽名是發(fā)送方的。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,科普,SHA256 一種求Hash值的加密算法。,工作原理 將任何一串數(shù)據(jù)輸入到SHA256將得到一個256位的Hash值（散列值）。其特點：相同的數(shù)據(jù)輸入將得到相同的結果。輸入數(shù)據(jù)只要稍有變化（比如一個1變成了0）則將得到一個千差萬別的結果，且結果無法事先預知。正向計算（由數(shù)據(jù)計算其對應的Hash值）十分容易。逆向計算（俗稱“破解”，即由Hash值計算出其對應的數(shù)據(jù)）極其困難，在當前科技條件下被視作不可能。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,Merkle Tree 一種哈希二叉樹，使用它可以快速校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)的完整性。在比特幣網(wǎng)絡中，Merkle 樹被用來歸

7、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使得 Merkle 樹改變。,科普,工作原理 非葉子節(jié)點value的計算方法是將該節(jié)點的所有子節(jié)點進行組合，然后對組合結果進行hash計算所得出的hash value。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,時間戳服務器 大多用來進行比對以及驗證處理，時間戳服務器是一款基于PKI（公鑰密碼基礎設施）技術的時間戳權威系統(tǒng)，對外提供精確可信的時間戳服務。它采用精確的時間源、高強度高標準的安全機制，以確認系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)在某一時間的存在性和相關操作的相對時間順序，為信息系統(tǒng)中的時間防抵賴提供基礎服務。,科普,3.區(qū)

8、塊鏈網(wǎng)絡,節(jié)點網(wǎng)絡,本章節(jié)后續(xù)內(nèi)容，均以比特幣網(wǎng)絡特性展開闡述,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,節(jié)點網(wǎng)絡,任何機器都可以運行一個完整的比特幣節(jié)點，一個完整的比特幣節(jié)點包括如下功能： 錢包，允許用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡上進行交易 完整區(qū)塊鏈，記錄了所有交易歷史，通過特殊的結構保證歷史交易的安全性，并且用來驗證新交易的合法性 礦工，通過記錄交易及解密數(shù)學題來生成新區(qū)塊，如果成功可以賺取獎勵 路由功能，把其它節(jié)點傳送過來的交易數(shù)據(jù)等信息再傳送給更多的節(jié)點,除了路由功能以外，其它的功能都不是必須的。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,交易過程,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,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)點都將收到的交易信

9、息納入一個區(qū)塊中,第1步：所有者A利用他的私鑰對前一次交易（比特貨來源）和下一位所有者B簽署一個數(shù)字簽名，并將這個簽名附加在這枚貨幣的末尾，制作成交易單,要點：B以公鑰作為接收方地址,要點：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。目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。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,交易過程,第3步：每個節(jié)點通過解一道數(shù)學難題，從而去獲得創(chuàng)建新區(qū)塊權利，并爭取得到比特幣的獎勵（新比特幣會在此過程中產(chǎn)生）,要點：節(jié)點反復嘗試尋找一個數(shù)值，使得將該數(shù)值、區(qū)塊鏈中最后一個區(qū)塊的Hash值以及交易單三部分送入SHA256算法后能計

10、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)學難題的解。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)塊記錄的所有蓋時間戳交易，并由全網(wǎng)其他節(jié)點核對,要點：時間戳用來證實特定區(qū)塊必然于某特定時間是的確存在的。比特幣網(wǎng)絡采取從5個以上節(jié)點獲取時間，然后取中間值的方式作為時間戳。,3.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,交易過程,第5步：全網(wǎng)其他節(jié)點核對該區(qū)塊記賬的正確性，沒有錯誤后他們將在該合法區(qū)塊之后競爭下一個區(qū)塊，這樣就形成了一個合法記賬的區(qū)塊鏈。,要點：每個區(qū)塊的創(chuàng)建時間大約在10分鐘。隨著全網(wǎng)算力的不斷變化，每個區(qū)塊的產(chǎn)生時間會隨算力增強而縮短、隨算力減弱而延長。

11、其原理是根據(jù)最近產(chǎn)生的2016年區(qū)塊的時間差（約兩周時間），自動調(diào)整每個區(qū)塊的生成難度（比如減少或增加目標值中0的個數(shù)），使得每個區(qū)塊的生成時間是10分鐘。,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,4.數(shù)據(jù)結構,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。,4.數(shù)據(jù)結構,區(qū)塊是一種記錄交易的數(shù)據(jù)結構。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)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)。,區(qū)塊,4.數(shù)據(jù)結構,區(qū)塊頭,版本號，標示軟件及協(xié)議的相關版本信息 父區(qū)塊哈希

12、值，引用的區(qū)塊鏈中父區(qū)塊頭的哈希值，通過這個值每個區(qū)塊才首尾相連組成了區(qū)塊鏈，并且這個值對區(qū)塊鏈的安全性起到了至關重要的作用 Merkle 根，這個值是由區(qū)塊主體中所有交易的哈希值再逐級兩兩哈希計算出來的一個數(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，記錄該區(qū)塊產(chǎn)生的時間，精確到秒 難度值，該區(qū)塊相關數(shù)學題的難度目標 隨機數(shù)(Nonce)，記錄解密該區(qū)塊相關數(shù)學題的答案的值,4.數(shù)據(jù)結構,在當前區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，所有礦工就立即開始下一個區(qū)塊的生成工作。 把在本地內(nèi)存中的交易信息記錄到區(qū)塊主體中 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

13、在區(qū)塊頭中 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 哈希值填入到當前區(qū)塊的父哈希值中 把當前時間保存在時間戳字段中 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)整以應對整個網(wǎng)絡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)學題的難度值，使得預期完成下一個區(qū)塊的時間依然在一定時間內(nèi),區(qū)塊形成過程,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,5.核心問題,區(qū)塊頭包含一個隨機數(shù)，使得區(qū)塊的隨機散列值出現(xiàn)了所需的0個數(shù)。節(jié)點通過反復嘗試來找到這個隨機數(shù)， 這樣就構建了一個工作量證明機制。,工作量證明,

14、工作量證明機制的本質(zhì)是一CPU一票，“大多數(shù)”的決定表達為最長的鏈，因為最長的鏈包含了最大的工作 量。如果大多數(shù)的CPU為誠實的節(jié)點控制，那么誠實的鏈條將以最快的速度延長，并超越其他的競爭鏈條。如果想要修改已出現(xiàn)的區(qū)塊，攻擊者必須重新完成該區(qū)塊的工作量外加該區(qū)塊之后所有區(qū)塊的工作量，并最終趕上和超越誠實節(jié)點的工作量。,5.核心問題,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)絡中廣播它們各自打包好的臨時區(qū)塊（都是合法的）。,分叉,某一節(jié)點若收到多個針對同一前續(xù)區(qū)塊的后續(xù)臨時區(qū)塊，則該節(jié)點會在本地區(qū)塊鏈上建立分支，多個臨時區(qū)塊對應多個分支。該僵局的打破要等到下一個工作量證明被發(fā)

15、現(xiàn)，而其中的一條鏈條被證實為是較長的一條，那么在另一條分支鏈條上工作的節(jié)點將轉換陣營，開始在較長的鏈條上工作。其他分支將會被網(wǎng)絡徹底拋棄。,5.核心問題,雙花，即二重支付，指攻擊者幾乎同時將同一筆錢用作不同交易。,雙花,每當節(jié)點在把新收到的交易單加入?yún)^(qū)塊之前，會順著交易的發(fā)起方的公鑰向前遍歷檢查，檢查當前交易所用的幣是否確實屬于當前交易發(fā)起方，此檢查可遍歷到該幣的最初誕生點（即產(chǎn)生它的那塊區(qū)塊源）。雖然多份交易單可以任意序的廣播，但是它們最終被加入?yún)^(qū)塊時必定呈現(xiàn)一定的順序。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來源都可以被確定的回溯。,5.核心問題,高能耗,數(shù)據(jù)庫存儲空間,處理大規(guī)模交易的抗壓能力,安全性,目錄,區(qū)塊鏈簡介,1,特征及分類,2,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,3,數(shù)據(jù)結構,4,核心問題,5,前景展望,6,6. 前景展望,從 2008年的比特幣開始，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用時代，其應用范圍逐步擴展到社會生活的方方面面。,從需求端來看，金融、 醫(yī)療、公證、通信、供應鏈、域名、投票等領域都開始意識到區(qū)塊鏈的重要性并開始嘗試將技術與現(xiàn)實社會對接。,從投資端來看，區(qū)塊鏈的投資資金供給逐步上升， 風投的投資熱情也不斷高漲，投資密度越來越大，供給端的資金供給有望推動技術的進一步發(fā)展。,從市