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目 录区 块 链 简 介The user can demonstrate on projector or computer1 特 征 及 分 类 The user can demonstrate on projector or computer2 区 块 链 网 络The user can demonstrate on projector or computer3 数 据 结 构The user can demonstrate on projector or computer4 核 心 问 题The user can demonstrate on projector or computer5 前 景 展 望The user can demonstrate on projector or computer6 PART 01区 块 链 简 介The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 区 块 链 技 术 是 构 建 比 特 币 区 块 链 网 络 与 交 易信 息 加 密 传 输 的 基 础 技 术 。 它 基 于 密 码 学 原理 而 不 基 于 信 用 ， 使 得 任 何 达 成 一 致 的 双 方直 接 支 付 ， 从 而 不 需 要 第 三 方 中 介 的 参 与 。背 景 互 联 网 上 的 贸 易 ， 几 乎 都 需 要 借 助 可 资 信 赖的 第 三 方 信 用 机 构 来 处 理 电 子 支 付 信 息 。 这类 系 统 仍 然 内 生 性 地 受 制 于 “ 基 于 信 用 的 模式 ” 。 区 块 链 简 介 从 技 术 的 角 度 来 看 区 块 链 并 不 是 一 种 单 一 的 技 术 ， 而 是 多 种 技 术 整 合的 结 果 。 这 些 技 术 以 新 的 结 构 组 合 在 一 起 ， 形 成 了一 种 新 的 数 据 记 录 、 存 储 和 表 达 的 方 式 。定 义 区 块 链 是 一 个 分 布 式 账 本 ， 一 种 通 过 去 中 心 化 、 去 信 任 的 方 式 集 体 维 护 一 个 可 靠 数 据 库 的 技 术 方 案 。从 数 据 的 角 度 来 看 区 块 链 是 一 种 几 乎 不 可 能 被 更 改 的 分 布 式 数 据 库 。这 里 的 “ 分 布 式 ” 不 仅 体 现 为 数 据 的 分 布 式 存 储 ，也 体 现 为 数 据 的 分 布 式 记 录 （ 即 由 系 统 参 与 者 共 同维 护 ） 。区 块 链 简 介 动 态 国 际 权 威 杂 志 经 济 学 人 、 哈 佛 商 业 周刊 、 福 布 斯 杂 志 等 相 继 报 道 区 块 链 技 术将 影 响 世 界 。 创 业 公 司 R3联 合 全 球 42家 顶 级 银 行 成 立 区 块 链联 盟 ， 包 括 摩 根 大 通 、 美 国 银 行 、 汇 丰 银 行 、花 旗 银 行 、 富 国 银 行 、 三 菱 UFJ金 融 集 团 、 巴克 莱 银 行 、 高 盛 、 德 意 志 银 行 等 。区 块 链 简 介 PART 02特 征 及 分 类The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 任 何 人 都 可 以 参 与 到 区 块 链 网 络 ， 每 一 台 设 备 都 能 作 为 一 个 节 点 ， 每 个 节 点 都 允 许 获 得 一份 完 整 的 数 据 库 拷 贝 。 节 点 间 基 于 一 套 共 识 机 制 ， 通 过 竞 争 计 算 共 同 维 护 整 个 区 块 链 。 任一 节 点 失 效 ， 其 余 节 点 仍 能 正 常 工 作 。特 征 区 块 链 由 众 多 节 点 共 同 组 成 一 个 端 到 端 的 网 络 ， 不 存 在 中 心 化 的 设 备 和 管 理 机 构 。 节 点之 间 数 据 交 换 通 过 数 字 签 名 技 术 进 行 验 证 ， 无 需 互 相 信 任 ， 只 要 按 照 系 统 既 定 的 规 则 进行 ， 节 点 之 间 不 能 也 无 法 欺 骗 其 它 节 点 。开 放 共 识去 中 心 去 信 任特 征 及 分 类 不 可 篡 改 可 追 溯区 块 链 的 运 行 规 则 是 公 开 透 明 的 ， 所 有 的 数 据 信 息 也 是 公 开 的 ， 因 此 每 一 笔 交 易 都 对 所 有 节 点 可 见 。由 于 节 点 与 节 点 之 间 是 去 信 任 的 ， 因 此 节 点 之 间 无 需 公 开 身 份 ， 每 个 参 与 的 节 点 都 是 匿 名 的 。特 征交 易 透 明 双 方 匿 名单 个 甚 至 多 个 节 点 对 数 据 库 的 修 改 无 法 影 响 其 他 节 点 的 数 据 库 ， 除 非 能 控 制 整 个 网 络 中 超 过 51%的 节 点同 时 修 改 ， 这 几 乎 不 可 能 发 生 。 区 块 链 中 的 每 一 笔 交 易 都 通 过 密 码 学 方 法 与 相 邻 两 个 区 块 串 联 ， 因 此 可以 追 溯 到 任 何 一 笔 交 易 的 前 世 今 生 。特 征 及 分 类 由 若 干 机 构 联 合 发 起 ， 介 于 公 有链 和 私 有 链 之 间 ， 兼 具 部 分 去 中心 化 的 特 性 。 特 征 及 分 类分 类 公 有 链 私 有 链无 官 方 组 织 及 管 理 机 构 ， 无 中 心 服 务器 ， 参 与 的 节 点 按 照 系 统 规 则 自 由 接入 网 络 、 不 受 控 制 ， 节 点 间 基 于 共 识机 制 开 展 工 作 。建 立 在 某 个 企 业 内 部 ， 系 统 的 运 作 规 则根 据 企 业 要 求 进 行 设 定 ， 修 改 甚 至 是 读取 权 限 仅 限 于 少 数 节 点 ， 同 时 仍 保 留 着区 块 链 的 真 实 性 和 部 分 去 中 心 化 的 特 性 。 联 盟 链 PART 03区 块 链 网 络The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 区 块 链 网 络 数 字 签 名 涉 及 到 一 个 哈 希 函 数 、 发 送 者 的 公 钥 、 发 送 者的 私 钥 。 数 字 签 名 有 两 个 作 用 ， 一 是 能 确 定 消 息 确 实 是由 发 送 方 签 名 并 发 出 来 的 。 二 是 数 字 签 名 能 确 定 消 息 的完 整 性 。数 字 签 名发 送 报 文 时 ， 发 送 方 用 一 个 哈 希 函 数 从 报 文 文 本 中 生 成 报 文摘 要 ， 然 后 用 自 己 的 私 钥 对 摘 要 进 行 加 密 ， 加 密 后 的 摘 要 将作 为 报 文 的 数 字 签 名 和 报 文 一 起 发 送 给 接 收 方 ， 接 收 方 首 先用 与 发 送 方 一 样 的 哈 希 函 数 从 接 收 到 的 原 始 报 文 中 计 算 出 报文 摘 要科 普 工 作 原 理 区 块 链 网 络 一 种 求 Hash值 的 加 密 算 法 。SHA256 将 任 何 一 串 数 据 输 入 到 SHA256将 得 到 一 个 256位 的 Hash值 （ 散 列 值 ） 。 其 特 点 ： 相 同 的 数 据 输入 将 得 到 相 同 的 结 果 。 输 入 数 据 只 要 稍 有 变 化（ 比 如 一 个 1变 成 了 0） 工 作 原 理 区 块 链 网 络Merkle Tree 一 种 哈 希 二 叉 树 ， 使 用 它 可 以 快 速 校 验 大 规 模 数 据 的 完 整 性 。 在 比 特 币 网 络 中 ， Merkle 树 被 用 来 归 纳 一 个 区块 中 的 所 有 交 易 信 息 ， 最 终 生 成 这 个 区 块 所 有 交 易 信 息 的 一 个 统 一 的 哈 希 值 ， 区 块 中 任 何 一 笔 交 易 信 息 的 改变 都 会 使 得 使 得 Merkle 树 改 变 。工 作 原 理 非 叶 子 节 点 value的 计 算 方 法 是 将 该 节 点 的 所 有 子 节 点 进 行 组 合 ， 然 后 对 组 合 结 果 进 行 hash计 算 所 得 出 的 hash value。 区 块 链 网 络 大 多 用 来 进 行 比 对 以 及 验 证 处 理 ， 时 间 戳 服 务 器 是 一款 基 于 PKI（ 公 钥 密 码 基 础 设 施 ） 技 术 的 时 间 戳 权 威系 统 ， 对 外 提 供 精 确 可 信 的 时 间 戳 服 务 。 它 采 用 精 确的 时 间 源 、 高 强 度 高 标 准 的 安 全 机 制 ， 以 确 认 系 统 处理 数 据 在 某 一 时 间 的 存 在 性 和 相 关 操 作 的 相 对 时 间 顺 序 ， 为 信 息 系 统 中 的 时 间 防 抵 赖 提 供 基 础 服 务 。时 间 戳 服 务 器节 点 网 络本 章 节 后 续 内 容 ， 均 以 比 特 币 网 络 特 性 展 开 阐 述 区 块 链 网 络 节 点 网 络 任 何 机 器 都 可 以 运 行 一 个 完 整 的 比 特 币 节 点 ， 一 个 完 整的 比 特 币 节 点 包 括 如 下 功 能 ： 钱 包 ， 允 许 用 户 在 区 块 链 网 络 上 进 行 交 易 完 整 区 块 链 ， 记 录 了 所 有 交 易 历 史 ， 通 过 特 殊 的 结 构 保证 历 史 交 易 的 安 全 性 ， 并 且 用 来 验 证 新 交 易 的 合 法 性 矿 工 ， 通 过 记 录 交 易 及 解 密 数 学 题 来 生 成 新 区 块 ， 如 果成 功 可 以 赚 取 奖 励 路 由 功 能 ， 把 其 它 节 点 传 送 过 来 的 交 易 数 据 等 信 息 再 传送 给 更 多 的 节 点 除 了 路 由 功 能 以 外 ， 其 它 的 功 能 都 不 是 必 须 的 。 区 块 链 网 络 第 2步 ： A将 交 易 单 广 播 至 全 网 ， 比 特 币 就 发 送给 了 B， 每 个 节 点 都 将 收 到 的 交 易 信 息 纳 入 一 个 区 块 中 要 点 ： 对 B而 言 ， 该 枚 比 特 币 会 即 时 显 示 在 比 特币 钱 包 中 ， 但 直 到 区 块 确 认 成 功 后 才 可 用 。 目前 一 笔 比 特 币 从 支 付 到 最 终 确 认 成 功 ， 得 到 6个区 块 确 认 之 后 才 能 真 正 确 认 到 帐节 点 网 络 第 1步 ： 所 有 者 A利 用 他 的 私 钥 对 前 一 次 交 易（ 比 特 货 来 源 ） 和 下 一 位 所 有 者 B签 署 一 个 数 字签 名 ， 并 将 这 个 签 名 附 加 在 这 枚 货 币 的 末 尾 ，制 作 成 交 易 单 要 点 ： B以 公 钥 作 为 接 收 方 地 址 区 块 链 网 络 第 3步 ： 每 个 节 点 通 过 解 一 道 数 学 难 题 ， 从 而 去 获 得 创 建 新 区 块 权 利 ， 并 争 取 得 到比 特 币 的 奖 励 （ 新 比 特 币 会 在 此 过 程 中 产 生 ） 要 点 ： 节 点 反 复 尝 试 寻 找 一 个 数 值 ， 使 得 将 该 数 值 、 区 块 链 中 最 后 一 个 区 块 的Hash值 以 及 交 易 单 三 部 分 送 入 SHA256算 法 后 能 计 算 出 散 列 值 X（ 256位 ） 满 足 一 定条 件 （ 比 如 前 20位 均 为 0） ， 即 找 到 数 学 难 题 的 解 。 由 此 可 见 ， 答 案 并 不 唯 一交 易 过 程 第 4步 ： 当 一 个 节 点 找 到 解 时 ， 它 就 向 全 网 广 播 该 区 块 记 录 的 所 有 盖 时 间 戳 交易 ， 并 由 全 网 其 他 节 点 核 对 要 点 ： 时 间 戳 用 来 证 实 特 定 区 块 必 然 于 某 特 定 时 间 是 的 确 存 在 的 。 比 特 币 网 络采 取 从 5个 以 上 节 点 获 取 时 间 ， 然 后 取 中 间 值 的 方 式 作 为 时 间 戳 。 区 块 链 网 络交 易 过 程 要 点 ： 每 个 区 块 的 创 建 时 间 大 约 在 10分 钟 。 随 着 全 网 算 力 的 不 断 变 化 ， 每 个 区 块 的 产 生 时 间 会 随 算力 增 强 而 缩 短 、 随 算 力 减 弱 而 延 长 。 其 原 理 是 根 据 最 近 产 生 的 2016年 区 块 的 时 间 差 （ 约 两 周 时 间 ） ， 自 动 调 整 每 个 区 块 的 生 成 难 度 （ 比 如 减 少 或 增 加 目 标 值 中 0的 个 数 ） ， 使 得 每 个 区 块 的 生 成 时 间 是10分 钟 。 第 5步 ： 全 网 其 他 节 点 核 对 该 区 块 记 账 的 正 确 性 ， 没 有 错 误 后 他 们 将 在 该 合 法 区 块 之 后 竞 争 下 一个 区 块 ， 这 样 就 形 成 了 一 个 合 法 记 账 的 区 块 链 。 PART 04数 据 结 构The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 数 据 结 构区 块 链 以 区 块 为 单 位 组 织 数 据 。 全 网 所有 的 交 易 记 录 都 以 交 易 单 的 形 式 存 储 在全 网 唯 一 的 区 块 链 中 。区 块 链 数 据 结 构 版 本 号 ， 标 示 软 件 及 协 议 的 相 关 版 本 信 息 父 区 块 哈 希 值 ， 引 用 的 区 块 链 中 父 区 块 头 的哈 希 值 ， 通 过 这 个 值 每 个 区 块 才 首 尾 相 连 组成 了 区 块 链 ， 并 且 这 个 值 对 区 块 链 的 安 全 性起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 题 的 答 案 的 值区 块 头 Merkle 根 ， 这 个 值 是 由 区 块 主 体 中 所 有 交 易 的 哈 希 值再 逐 级 两 两 哈 希 计 算 出 来 的 一 个 数 值 ， 主 要 用 于 检 验 一笔 交 易 是 否 在 这 个 区 块 中 存 在 时 间 戳 ， 记 录 该 区 块 产 生 的 时 间 ， 精 确 到 秒 难 度 值 ， 该 区 块 相 关 数 学 题 的 难 度 目 标 随 机 数 (Nonce)， 记 录 解 密 该 区 块 相 关 数 学 题 的 答 案 的值 数 据 结 构 区 块 是 一 种 记 录 交 易 的 数 据 结 构 。 每 个 区 块 由 区 块 头 和 区 块 主 体 组 成 ， 区 块 主 体 只 负责 记 录 前 一 段 时 间 内 的 所 有 交 易 信 息 ， 区 块 链 的 大 部 分 功 能 都 由 区 块 头 实 现 。区 块 数 据 结 构 4、 难 度 值 字 段 会 根 据 之 前 一段 时 间 区 块 的 平 均 生 成 时 间 进行 调 整 以 应 对 整 个 网 络 不 断 变化 的 整 体 计 算 总 量区 块 形 成过 程 1、 在 当 前 区 块 加 入 区 块 链后 ， 所 有 矿 工 就 立 即 开 始 下一 个 区 块 的 生 成 工 作 2、 把 在 本 地 内 存 中 的 交 易信 息 记 录 到 区 块 主 体 中 在 区块 主 体 中 生 成 此 区 块 中 所 有交 易 信 息 3、 把 上 一 个 刚 刚 生 成 的 区块 的 区 块 头 的 数 据 通 过 SHA256 算 法 生 成 一 个 PART 05核 心 问 题The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 核 心 问 题 区 块 头 包 含 一 个 随 机 数 ， 使 得 区 块 的 随 机 散 列 值 出 现 了 所 需 的 0个 数 。 节 点 通 过 反 复 尝 试 来找 到 这 个 随 机 数 ， 这 样 就 构 建 了 一 个 工 作 量 证 明 机 制 。 工 作 量 证 明 机 制 的 本 质 是 一 CPU一 票 ， “ 大 多 数 ” 的 决 定 表 达 为 最 长 的 链 ， 因 为 最 长 的 链 包含 了 最 大 的 工 作 量 。 如 果 大 多 数 的 CPU为 诚 实 的 节 点 控 制 ， 那 么 诚 实 的 链 条 将 以 最 快 的 速度 延 长 ， 并 超 越 其 他 的 竞 争 链 条 。 如 果 想 要 修 改 已 出 现 的 区 块 ， 攻 击 者 必 须 重 新 完 成 该 区块 的 工 作 量 外 加 该 区 块 之 后 所 有 区 块 的 工 作 量 ， 并 最 终 赶 上 和 超 越 诚 实 节 点 的 工 作 量 。 工 作 量 证 明 核 心 问 题 同 一 时 间 段 内 全 网 不 止 一 个 节 点 能 计 算 出 随 机 数 ， 即 会 有 多 个 节 点 在 网 络 中 广 播 它 们 各 自 打 包 好 的临 时 区 块 （ 都 是 合 法 的 ） 。 某 一 节 点 若 收 到 多 个 针 对 同 一 前 续 区 块 的 后 续 临 时 区 块 ， 则 该 节 点 会 在 本 地 区 块 链 上 建 立 分 支 ， 多个 临 时 区 块 对 应 多 个 分 支 。 该 僵 局 的 打 破 要 等 到 下 一 个 工 作 量 证 明 被 发 现 ， 而 其 中 的 一 条 链 条 被 证实 为 是 较 长 的 一 条 ， 那 么 在 另 一 条 分 支 链 条 上 工 作 的 节 点 将 转 换 阵 营 ， 开 始 在 较 长 的 链 条 上 工 作 。其 他 分 支 将 会 被 网 络 彻 底 抛 弃 。 分 叉 核 心 问 题 双 花 ， 即 二 重 支 付 ， 指 攻 击 者 几 乎 同 时 将 同 一 笔钱 用 作 不 同 交 易 。 每 当 节 点 在 把 新 收 到 的 交 易 单 加 入 区 块 之 前 ， 会顺 着 交 易 的 发 起 方 的 公 钥 向 前 遍 历 检 查 ， 检 查 当前 交 易 所 用 的 币 是 否 确 实 属 于 当 前 交 易 发 起 方 ，此 检 查 可 遍 历 到 该 币 的 最 初 诞 生 点 （ 即 产 生 它 的那 块 区 块 源 ） 。 虽 然 多 份 交 易 单 可 以 任 意 序 的 广 播 ， 但 是 它 们 最 终 被 加 入 区 块 时 必 定 呈 现 一 定 的顺 序 。 区 块 之 间 以 Hash值 作 为 时 间 戳 则 区 块 ， 这决 定 了 任 意 一 笔 交 易 资 金 来 源 都 可 以 被 确 定 的 回溯 。 双 花 高 能 耗 数 据 库 存储 空 间处 理 大 规模 交 易 的抗 压 能 力 安 全 性核 心 问 题 PART 06前 景 展 望The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider fieldThe user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field 前 景 展 望 金 融 、 医 疗 、 公 证 、 通 信 、 供 应 链 、域 名 、 投 票 等 领 域 都 开 始 意 识 到 区 块链 的 重 要 性 并 开 始 尝 试 将 技 术 与 现 实社 会 对 接 。 从 2008年 的 比 特 币 开 始 ， 区 块 链 经 历 了 可 编 程 货 币 、 可 编 程 金 融 与 可 编 程 社 会 三 大 应 用 时 代 ， 其 应用 范 围 逐 步 扩 展 到 社 会 生 活 的 方 方 面 面 。 从 需 求 端 来 看 从 投 资 端 来 看从 市 场 应 用 来 看 区 块 链 的 投 资 资 金 供 给 逐 步 上 升 ， 风 投 的 投 资 热 情 也 不 断 高 涨 ， 投 资密 度 越 来 越 大 ， 供 给 端 的 资 金 供 给 有 望 推 动 技 术 的 进 一 步 发 展 。 区 块 链 能 成 为 一 种 市 场 工 具 ， 帮 助 社 会 削减 平 台 成 本 ， 让 中 间 机 构 成 为 过 去 ； 区 块链 将 促 使 公 司 现 有 业 务 模 式 重 心 的 转 移 ，有 望 加 速 公 司 的 发 展 。 前 景 展 望 从 社 会 结 构 来 看区 块 链 有 望 促 进 数 据 记 录 、 数 据 传 播 及 数 据 存 储管 理 方 式 的 转 型 ； 区 块 链 本 身 更 像 一 种 互 联 网 底层 的 开 源 式 协 议 ， 在 不 远 的 将 来 会 触 动 甚 至 最 后彻 底 取 代 现 有 互 联 网 的 底 层 基 础 协 议 。 区 块 链 技 术 有 望 将 法 律 与 经 济 融 为 一 体 ， 彻 底颠 覆 原 有 社 会 的 监 管 模 式 ； 组 织 形 态 会 因 其 而发 生 改 变 ， 区 块 链 也 许 最 终 会 带 领 人 们 走 向 分布 式 自 治 的 社 会从 底 层 技 术 来 看
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