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计算机理论

区块链技术分析及应用

作者：翟社平//杨锐

出版社：科学出版社出版时间：2021-10-01

开本： 16开 页数： 229

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节选

区块链技术分析及应用版权信息

ISBN：9787030671851
条形码：9787030671851 ; 978-7-03-067185-1
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
计算机/网络
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计算机理论

区块链技术分析及应用内容简介

本书以区块链研究和比特币为代表的数字加密货币的应用现状为切入点，系统并深入地介绍区块链基础理论和关键技术；从区块链应用面临的机遇与挑战出发，探究区块链技术与各领域融合发展的应用前景；以区块链技术应用平台为基础，给出基于区块链的版权存证开发实例。本书技术原理详尽，内容全面，开发步骤清晰。本书可供高等院校计算机信息安全专业的本科生或研究生作为教材使用，也可供对区块链技术感兴趣的研发人员参考。

区块链技术分析及应用目录

目录
前言
第1章区块链技术现状 1
1.1 区块链起源 1
1.1.1 货币演进过程 1
1.1.2 数字货币 2
1.1.3 比特币的诞生 3
1.2 区块链概述 5
1.2.1 区块链定义 5
1.2.2 区块链原理 6
1.2.3 区块链分类 7
1.3 区块链技术研究 8
1.3.1 区块链技术平台及演进研究 10
1.3.2 区块链关键技术研究 14
1.3.3 区块链技术应用研究 19
1.4 区块链技术发展 20
1.4.1 区块链1.0 20
1.4.2 区块链2.0 21
1.4.3 区块链3.0 22
1.4.4 体系架构 22
第2章区块链数据存储 24
2.1 分布式数据库 24
2.2 数据存储方式 26
2.3 区块链数据结构 27
2.4 数据存储案例 34
2.4.1 比特币数据存储 34
2.4.2 以太坊数据存储 38
第3章密码学技术 45
3.1 加解密算法 45
3.1.1 加解密系统 45
3.1.2 对称加密算法 46
3.1.3 非对称加密算法 47
3.1.4 椭圆曲线密码算法 48
3.2 哈希算法 49
3.2.1 哈希函数 49
3.2.2 常见算法 50
3.2.3 SHA256算法 50
3.2.4 RIPEMD-160算法 54
3.2.5 Keccak算法 57
3.3 数字签名 61
3.3.1 数字签名定义 61
3.3.2 数字签名技术 61
3.3.3 椭圆曲线签名生成与签名验证 62
3.4 区块链中密码学的应用 64
3.4.1 公私钥对的生成 64
3.4.2 地址的生成 66
3.4.3 区块链上的交易 68
3.4.4 哈希指针 72
第4章区块链传输机制 73
4.1 P2P网络技术 73
4.1.1 P2P网络定义及特性 73
4.1.2 网络模型 74
4.2 分布式通信协议 75
4.2.1 基本原理 75
4.2.2 TCP 78
4.2.3 HTTP 81
4.2.4 RPC协议 83
4.2.5 Gossip协议 84
4.3 比特币网络数据传输 85
4.3.1 握手通信 86
4.3.2 地址发现 86
4.3.3 区块同步 87
4.3.4 数据传输 88
4.4 超级账本数据传输 89
4.4.1 通信实现 89
4.4.2 主节点选取 91
4.4.3 状态同步 91
4.4.4 数据传输 92
4.4.5 Fabric操作 92
第5章区块链共识机制 101
5.1 分布式一致性 101
5.1.1 一致性问题 101
5.1.2 一致性理论 102
5.2 一致性协议 105
5.2.1 Paxos算法 105
5.2.2 Raft算法 115
5.3 PBFT算法 119
5.3.1 拜占庭将军问题 119
5.3.2 实用拜占庭容错算法 121
5.4 PoW共识机制 127
5.5 PoS共识机制 129
5.6 DPoS共识机制 130
5.7 Ripple协议共识算法 131
第6章区块链技术问题和挑战 133
6.1 区块链技术的发展局限 133
6.2 区块链技术现存问题 134
6.2.1 区块链自身安全特性分析 134
6.2.2 效率问题 137
6.2.3 隐私保护问题 142
6.2.4 安全性问题 145
6.3 区块链技术发展挑战 146
6.3.1 对传统法律法规的冲击 146
6.3.2 政府层面所面临的挑战 147
第7章区块链与信息技术 150
7.1 新的计算架构 151
7.2 大数据技术 153
7.3 云计算技术 154
7.4 物联网 154
7.5 信息安全技术 156
第8章区块链场景/应用案例分析 157
8.1 区块链与金融 157
8.1.1 数字货币现状 157
8.1.2 应用案例 157
8.2 区块链与医疗 158
8.2.1 医疗领域现状 158
8.2.2 应用案例 159
8.3 区块链与政府管理 159
8.3.1 政府服务现状 159
8.3.2 应用案例 160
8.4 区块链与教育 160
8.4.1 教育行业现状 160
8.4.2 应用案例 161
8.5 区块链与农业 161
8.5.1 农业现状 161
8.5.2 应用案例 161
8.6 区块链与物联网 162
8.6.1 物联网行业现状 162
8.6.2 应用案例 163
第9章区块链应用开发 164
9.1 比特币 164
9.1.1 比特币简介 164
9.1.2 技术原理 164
9.1.3 编译与安装 165
9.1.4 bitcoin-cli模块详解 169
9.2 以太坊 182
9.2.1 以太坊简介 182
9.2.2 工作原理 184
9.2.3 关键概念 185
9.2.4 搭建与配置 190
9.3 超级账本 199
9.3.1 超级账本简介 199
9.3.2 系统架构 201
9.3.3 关键概念 202
9.3.4 搭建与配置 206
第10章数字版权存证与交易平台开发 210
10.1 背景 210
10.2 平台简介 211
10.3 平台开发 212
10.3.1 环境准备 212
10.3.2 目录创建 216
10.3.3 合约编写 217
10.3.4 合约部署 223
10.3.5 前端页面 225
参考文献 228

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区块链技术分析及应用节选

第1章区块链技术现状　　1.1 区块链起源　　20世纪下半叶互联网飞速发展，电子邮件转瞬可以环游全球，美丽的风景照片很快可以分享给全世界。可以看到，互联网发展至今，每一项新技术的诞生都在深刻改变着人们的生活方式。如今，一个新兴的技术——区块链（blockchain），登上历史舞台前沿。区块链技术是以比特币（bitcoin，BTC）为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术，其核心优势是去中心化[1]。下面从货币的起源探讨区块链技术的诞生过程。　　1.1.1 货币演进过程　　货币起源于一般等价物，一般等价物产生于满足人们日常所需之外用来交换的剩余物品，随着社会中以物易物的交易方式逐渐频繁，大型物品携带困难和物品价值不匹配等问题暴露出来。因此，人们开始使用具有一定价值的媒介，即一般等价物进行交易。一般等价物起初主要是人们饲养的牲畜，由于其体积庞大、不易携带，逐渐向体积更小的物品发展，如贝壳或丝帛。随着人类逐渐掌握冶金技术，金、银、铜等贵金属开始成为新的一般等价物，商品交易进入新的时代。但是，贵金属被大量交易使用后，人们发现其作为一般等价物仍存在弊端。例如，金属容易出现生锈损坏的情况，保存期限有限；大量金属不便于携带，并存在一定的安全隐患。因此，一般等价物产生了新的代替形式——银票，同时产生的还有发放银票的机构票号，人们使用金、银等金属在机构票号交换等价的银票，在日常生活中使用银票进行交易。后来，银票与金属不再挂钩，逐渐发展为一种信用货币，时至今日成为人们使用的货币。在现代信用货币制度下，货币就是债权。人们所拥有的纸币代表银行欠纸币持有者金额的总和，当人们向他人付款时，只要把纸币付给对方，这时对方所拥有的纸币总额就代表了银行所欠金额，完成一笔交易即可实现价值或购买力的转移。　　然而，有些地区货币的诞生并没有经过一般等价物这一阶段。据说在西太平洋的一个小岛上，人们使用一种名为费（Fei）的巨大石盘作为货币。由于石盘体积巨大难以流通，当交易完成时，费的新主人无需将其带走，也不做任何标记，而是日后做类似清算的账目抵消。甚至有人的费掉入海中，其他人仍然认为他拥有这一块费，并同意与他进行交易。因此，费成了一个记账系统，也是一种信用货币。其主要体现在巨石本身虽并无任何价值，但在当地人心中，巨石就代表着财富，人们愿意与拥有石头多的人进行交易，并接受他开的欠条。纵观我国的货币发展史，大多数时期是使用铜钱和纸币等不足值的非一般等价物作为货币，并非黄金白银。北宋首次出现印刷在纸上的货币“交子”。人们发现，使用脱离一般等价物的货币仍然能够进行交易，可以认为货币就是债权，但是并非所有的债权都是货币，只有那些能记载数字、不易被伪造且便于保存和流通的债权才是货币。人们相信货币是因为实物货币代表着信用，使用它能够进行交易，所以无论是实物货币还是信用货币，信用都是货币更为本质的属性。　　1.1.2 数字货币　　随着全球市场化的发展，特别是信息技术在金融领域的广泛应用，逐渐出现非法定形式的货币，主要有电子货币、虚拟货币和数字密码货币三种。　　（1）电子货币是法定货币的电子化形式，通过将法定货币存在银行或其他金融机构等途径转换为电子货币。当用户使用电子货币进行转账交易时，银行或金融机构通过更新资金信息实现资金的流动。电子货币的源头是中央银行发行的法币，其稳定流通的前提是政府法定货币和金融体系的正常运转。　　（2）虚拟货币分为广义和狭义两种，广义的虚拟货币是指一切没有实物形态的货币，包括电子货币和密码货币等；狭义的虚拟货币是指网络上使用的货币，又被称为网络货币，来源于对真实世界货币体系的模拟，如网络游戏中发行的游戏币、百度文库设计的积分等。虚拟货币通过现实货币进行购买，但无法通过虚拟货币购买现实货币，这种单向流通的方式使虚拟货币只能在互联网上供用户使用，而不能充当真实世界的电子货币。人们对虚拟货币的信任来自对互联网发行企业的信心。　　（3）数字密码货币是基于节点网络和数字加密算法的虚拟货币。数字密码货币和电子货币的*大区别是没有现实货币的存在，本身就能够表现财富。数字密码货币具有三个显著特点：一是没有发行主体，货币由特定的算法产生；二是由于算法的固定，数字密码货币总量是固定的，其优点是不会出现货币滥发造成通货膨胀；三是交易过程非常安全，使用数字密码货币进行交易时，需要网络中所有节点进行确认，这种方式能够保证交易的有效性。　　无论是纸质货币还是数字货币，都需要背后的支持机构（如银行）来完成生产、分发、管理等操作。中心化的结构带来了管理和监管上的便利，但系统安全性存在很大挑战，如伪造、信用卡诈骗、盗刷、转账骗局等安全事件屡见不鲜。如果能实现一种新型货币，保持既有货币方便易用的特性，并能消除使用上的缺陷，将有可能进一步提高社会整体经济活动的运作效率。　　虽然数字货币的预期优势可能很美好，但要设计和实现一套能经得住实际考验的数字货币并非易事。现实生活中常用的纸币具备良好的可转移性，可以相对容易地完成价值的交割。但是对于数字货币，数字化内容容易被复制，数字货币持有人可以将同一份货币发给多个接收者，就出现“双重支付”问题。也许有人会想到，银行中的货币实际也是数字化的，是通过电子账号里面的数字记录了客户的资产。这种情况实际上依赖一个前提：假定存在一个安全可靠的第三方记账机构负责记账，该机构负责所有的担保环节，*终完成交易。中心化控制下，数字货币的实现相对容易。但是，很多时候很难找到一个安全可靠的第三方记账机构进行中心管控。例如，发生贸易的两国可能缺乏足够的外汇储备用以支付；汇率的变化等导致双方对合同有不同意见；网络上的匿名双方进行直接买卖而不通过电子商务平台；交易的两个机构彼此互不信任，找不到双方都认可的第三方担保；使用第三方担保系统，但某些时候可能无法与其连接；第三方的系统可能会出现故障或受到篡改攻击，要解决这些问题，就需要实现去中心化（de-centralized）或多中心化（multi-centralized）的数字货币系统。在去中心化的场景下，实现数字货币存在三个难题：①货币的防伪，谁来负责对货币的真伪进行鉴定；②货币的交易，如何确保货币从一方安全转移到另外一方；③避免双重支付，如何避免同一份货币支付给多个接收者。　　可见，在无第三方记账机构的情况下，实现一个数字货币系统难度很大。比特币的出现，去除了第三方记账机构，实现了去中心化的记账系统。　　1.1.3 比特币的诞生比特币的本质是由分布式网络系统生成的数字货币，具有以下五个基本特性。　　（1）去中心化的电子现金系统，进行交易时比特币直接从付款人账户转到收款人账户，无需第三方的参与。　　（2）使用点对点（peer to peer，P2P）网络解决双重支付问题。　　（3）所有的交易都加有时间戳，每一笔交易都记录在一个基于哈希算法的链条上，该链条通过工作量证明机制的确认不断延长，*终形成的交易记录除非完成全部的工作量证明，否则无法更改。　　（4）*长链条记录了所有的交易信息，并且形成该链条的区块来自计算能力*大的 CPU池。只有当操控超过所有 CPU计算能力的一半时，才能够对*长链条造成攻击。　　（5）该系统中的节点负责给其他节点传播信息，不限制节点加入和离开网络的时间。当节点重新加入时，只需按照*长链更新节点信息。上述五条基本特性保障了比特币系统无须中心化的参与，通过让网络中各个节点扮演信用中介的角色，实现有效的点对点交易。比特币网络由分布于全球各地的上万个节点组成，利用分布式机制保障了比特币系统交易的稳定，实现了完全的去中心化。比特币首次实现了安全可靠的去中心化数字货币机制，这也是它受到无数金融科技从业者热捧的根本原因。作为一种概念货币，比特币被期望解决已有货币系统面临的几个核心问题：由单一机构掌控，容易被攻击；自身的价值无法保证，容易出现波动；无法匿名化交易，隐私性不能得到保护。　　现有的银行机制作为金融交易的第三方中介机构，有代价地提供了交易记录服务。如果参与交易的多方都完全相信银行的记录（数据库），就不存在信任问题。但如果是更大范围，甚至跨多家银行进行流通的货币呢？哪家银行的系统能提供完全可靠不中断的服务呢？唯一可能的方案是利用一套分布式账本。该账本可以被所有用户自由访问，而且任何个体都无法对所记录的数据进行恶意篡改和控制。为了实现这样一个前所未有的账本系统，比特币系统采用了区块链结构，保障了数字货币账本的安全可靠。比特币系统中，货币的发行是通过比特币协议规定的。货币总量受到控制，发行速度随时间自动进行调整。由于比特币总量是一个定值，其单价会随着比特币的推广与使用而越来越高。发行速度的自动调整则会避免出现通胀或者滞胀的情况。比特币的开源特性吸引了众多开发者贡献其技术和创新方法，目前比特币系统已经形成覆盖发行、流通和市场的生态圈，如图1.1所示。比特币系统使用工作量证明（proof of work，PoW）机制确保网络中算力*强的节点获得生成新区块的权利，并为该节点奖励一定的比特币，因此比特币系统的各个节点可以进行共享算力，凭借更大的算力赚取比特币共享收益。比特币一经发行进入流通环节后，持币人可通过比特币钱包等平台支付比特币，购买商品或服务，这体现了比特币的货币属性。同时，比特币的价格具有涨跌机制，使其具备金融衍生物的所有属性，因此比特币具有投资价值。比特币的每一次交易都会被比特币网络的矿工节点记录在区块链中并进行全网广播。　　图1.1 比特币系统生态圈　　比特币系统2009年上线以来，在无人管理的情况下，已经在全球范围内连续运行超过10年时间，成功处理了几百万笔交易，甚至支持过单笔1.5亿美元的交易。值得一提的是，比特币网络诞生以来并未出现严重的系统故障。区块链技术作为比特币系统的底层核心技术，为未来更安全可靠的去中心化商业网络提供了可能。　　1.2 区块链概述　　1.2.1 区块链定义　　区块链技术并非是一种全新的技术，而是由分布式存储、点对点传输、共识算法和加密算法等多种技术集成创新，是一种新的去中心化数据存储体系，通过对存储数据的区块加上时间戳并链接到主链上形成一个连续的存储结构，*终形成一个不可篡改的数据系统[2]。在区块链系统中，利用区块的形式存储数据，并根据生成区块的时间顺序将区块链接成一个链，通过共识机制使系统中的所有节点都存储该链的所有信息，共同保障区块链系统的数据安全可靠、不被篡改。当区块链系统生成新的区块时，需要经过全网多数节点的确认，并广播实现所有节点的同步。然后这一区块就被成功链接，区块内的信息便不可被修改和删除，只能进行授权查询。　　维基百科定义区块链是一种分布式数据库，起源于比特币。区块链是由使用密码学算法产生的区块链接形成，每个区块内存储了比特币系统自上一个区块生成至今的所有交易信息，该信息可验证交易的有效性并生成下一区块。中本聪在比特币系统创建的**个区块被称为“创世区块”。英国政府发布的 Distributed Ledger Technology: beyond block chain报告认为“区块链是数据库的一种。它拥有大量的记录，并将这些记录全部存放在区块内（而非整理在一页纸或表格中）。每个区块通过使用加密签名，链接到下一个区块。人们可以像使用账本一样使用区块链，可以共享，也可以被拥有适当权限的人查阅”。区块链论坛巴比特网站认为区块链是由一串使用密码学算法产生的数据库组成，区块是按照时间顺序依次产生，自创世区块开始不断链接包含当前区块哈希值的新区块，*终形成区块链。　　区块链系统与传统的分布式数据库相比具有以下特点：一是分布式记账。传统的记账方式是记录多个账目信息，*后进行对账。　　区块链使用所有节点共同记账，通过共识机制确保数据的一致和不可篡改。二是从“增、删、改、查”变为仅“增、查”两个操作。相较于传统数据库的基本功能—增、删、改、查，区

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