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区块链详解 丁勇Email 18442056 QQ com 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 应用现状 6 7 前景展望 7 1 区块链简介 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 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 背景 1 区块链简介 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 定义 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 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 1 区块链简介 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 动态 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 6 应用现状 6 7 前景展望 7 2 特征及分类 特征 去中心 去信任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 2 特征及分类 特征 不可篡改 可追溯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 交易透明 双方匿名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 2 特征及分类 分类 联盟链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 私有链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 公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 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 应用现状 6 7 前景展望 7 3 区块链网络 科普 数字签名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 工作原理发送报文时 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 接着再用发送方的公钥来对报文附加的数字签名进行解密 如果这两个摘要相同 那么接收方就能确认该数字签名是发送方的 3 区块链网络 科普 SHA256一种求Hash值的加密算法 工作原理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 则将得到一个千差万别的结果 且结果无法事先预知 正向计算 由数据计算其对应的Hash值 十分容易 逆向计算 俗称 破解 即由Hash值计算出其对应的数据 极其困难 在当前科技条件下被视作不可能 3 区块链网络 MerkleTree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 科普 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hashvalue 3 区块链网络 时间戳服务器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 科普 3 区块链网络 节点网络 本章节后续内容 均以比特币网络特性展开阐述 3 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 3 区块链网络 交易过程 3 区块链网络 交易过程 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 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 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 3 区块链网络 交易过程 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 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 3 区块链网络 交易过程 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 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 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 应用现状 6 7 前景展望 7 4 数据结构 区块链 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 4 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 4 数据结构 区块头 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 4 数据结构 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 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的Merkle树 把Merkle树根的值保存在区块头中把上一个刚刚生成的区块的区块头的数据通过SHA256算法生成一个哈希值填入到当前区块的父哈希值中把当前时间保存在时间戳字段中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 如果计算总量增长了 则系统会调高数学题的难度值 使得预期完成下一个区块的时间依然在一定时间内 区块形成过程 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 6 应用现状 6 7 前景展望 7 5 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 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 5 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 分叉 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 5 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 双花 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 5 核心问题 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 目录 区块链简介 1 特征及分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 应用现状 6 7 前景展望 7 区块链的应用现状 高盛研究报告中的区块链应用 Blockchain PuttingTheoryintoPractice 2016 5 24工信部白皮书中的区块链应用 中国区块链技术和应用发展白皮书 2016 10 18乐视金融 万向控股 蚂蚁金服 微众银行 平安科技 万达网络科技及中国电子技术标准化研究院国内外区块链应用案例区块链应用展望 高盛研究报告中的区块链应用 共享经济中的信用系统房地产交易优化反洗钱监控流程优化证券交易的清算和结算流程个人电力能源交易 高盛 区块链 从理论走向实践 共享经济中的信用系统引入安全且无法篡改的数字化资质和信用管理系统 并与共享经济和其他领域网站的评价和评分等系统衔接适用企业 Airbnb HomeAway OneFineStay等 市场规模为30 90亿美元房地产交易将房地产产权证书保存于区块链之中 购房者将能更容易确认卖方对房屋的所有权 减少承保产权保险的交易成本 节约20 40亿美元优化反洗钱监控流程客户的所有交易的历史记录都能自动追溯 有助于银行识别异常交易并防止欺诈 机构间共享的客户信息可减少客户审核方面的重复劳动 节约30 50亿美元 高盛 区块链 从理论走向实践 优化证券交易的清算和结算流程美国的股票交易不到1秒即可完成 但结算流程需花上3天 T 3 多方涉及单笔交易时 交易会被各方使用多个不同的系统记录无需在交易后要求多个参与方核验并同意 在美国将能每年节省20亿美元成本个人电力能源交易随着屋顶太阳能以及高容量电池技术的到来 个人就有可能自行发电并在网络上售卖适用企业 TransActiveGrid GridSingularity 市场规模为25 70亿美元 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 工信部白皮书中的区块链应用 区块链与金融服务区块链与供应链管理区块链与文化娱乐区块链与智能制造区块链与社会公益区块链与教育就业 区块链与金融服务支付领域 降低金融机构间的对账成本及争议解决的成本 从而显著提高支付业务的处理速度及效率 在跨境支付领域实现点到点交易 减少中间费用资产数字化 如股权 债券 票据 收益凭证 仓单等均可被整合进区块链中 成为链上数字资产 资产所有者无需通过各种中介机构就能直接发起交易 行业机构确保资产的真实性与合规性智能证券 金融资产的交易是相关各方之间基于一定的规则达成的合约 区块链能用代码充分地表达这些业务逻辑 如固定收益证券 回购协议 各种掉期交易以及银团贷款等 进而实现合约的自动执行 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 区块链与金融服务清算和结算 通过基于区块链技术的法定数字货币与数字资产对接 即可完成点对点的实时清算与结算 从而显著降低价值转移的成本 缩短清算 结算时间客户识别 传统方式下 客户识别非常耗时 缺少自动验证消费者身份的技术 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 区块链与供应链管理物流 快递交接需要双方私钥签名 是否签收或交付只需要查一下区块链即可 杜绝快递员通过伪造签名来逃避考核的行为 防止货物的冒领误领 而收件人不需在快递单上直观展示实名制信息溯源防伪 数据不可篡改 交易可完整追溯以及时间戳功能 可有效解决食品 艺术品 收藏品 奢侈品等的假冒伪劣 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 区块链与文化娱乐音乐版权 视频版权 作品的所有交易都会被实时记录 文化娱乐业的全生命周期可追溯 可追踪 能有效确保音乐人直接从其作品的销售中获益 音乐人跨过出版商和发行商 通过区块链平台自行发布和推广作品文化众筹 消费者能够参与知识产权创作 生产 传播和消费的全流程 添加信任的确权节点 进行IP及其相关权利的交易 以及权益分配等功能 可解决交易不透明 内容不公开等问题 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 区块链与智能制造物联网 区块链技术利用P2P组网技术和混合通信协议 处理异构设备间的通信 同时可以将计算和存储需求分散到组成物联网网络的各个设备生产过程智能化管理 将制造企业中的传感器 控制模块和系统 通信网络 ERP系统等系统连接起来并记录在统一的账本设施 区块链账本记录的可追溯性和不可篡改性也有利于企业审计工作的开展 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 区块链与社会公益2016年7月 支付宝与公益基金会合作 设立了第一个基于区块链的公益项目 听障儿童重获新声 在进行了必要的隐私保护基础上 捐赠人可以看到自己的捐款从支付宝平台划拨到基金会账号 以及最终进入受助人指定账号的整个过程区块链与教育就业利用分布式账本记录学生信息 方便追踪学生在校园时期所有正面以及负面的行为记录 能帮助有良好记录的学生获得更多的激励措施 并构建起一个良性的信用生态 工信部 中国区块链技术和应用发展白皮书 国内外区块链应用案例 ShoCard电子身份证EverLedger钻石防伪DocuSign汽车租赁FollowMyVote在线投票Gem医疗健康Onchain小蚁资产数字化系统布比区块链微众银行WeBank公信宝个人征信数据服务 ShoCard电子身份证 通过一款电子身份证App 将用户的个人信息储存在区块链ShoCard正与SITA旅游资讯科技公司 其与90 的航空业具合作关系 共同思索机场过境堵塞的解决方案 以加快护照检查的程序 EverLedger钻石防伪 Everledger开发了一种基于区块链技术的钻石防伪验证数字账本 包含了98万个钻石规格信息2015年10月Everledger成为第一个赢取Meffy奖项的区块链初创公司德国保险业巨头安联旗下分公司与Everledger合作 探索区块链技术 DocuSign汽车租赁 VISA和DocuSign合作通过区块链和智能合约来实现的租车项目消费者仅凭一张VISA卡就能租车 其在车内配置租赁 保险和每天日常采购的项目 如停车费 通行费 FollowMyVote在线投票 基于区块链的端到端的透明的 可验证的在线投票系统依据区块链的审计线索 选民可以审核自己的投票 Gem医疗健康 医疗健康数据保存 可避免大规模医疗数据泄露医疗付费过程 让保险公司 医院结算部门 贷款人和病人共同使用一个区块链来管理支付 能够在整个行业中大规模的减少冗余病人医疗记录过程 病历可以被多方进行创建 共享 并且能够让多方进行追加更新 重塑整个行业的效率和透明度 Onchain小蚁资产数字化系统 小蚁是用来发行 管理 交易各种权益份额的区块链协议 初期会以非上市公司的股权作为切入点 为初创公司提供数字化股权激励方案 为股权众筹公司提供股权管理方案 未来会过渡到股权的可交易 即 区块链IPO 逐步模糊非上市公司和上市公司的界线 Vechain防伪平台 提供一套面向全球的真假校验和透明供应链管理的解决方案以应对全球泛滥的假货问题 同时使得消费客户更加关注产地 材料质地 设计理念 品牌故事等 个人征信数据服务 成立于2016年 是一家专注于提供个人授权下抓取用户数据的金融科技公司 公信宝采用爬虫技术和区块链的存储和验证技术 用户一次授权即可享有自动对账 全网共享 失信用户监控等特色功能 为各大银行 消费金融 网络贷款 汽车金融等公司提供优质的征信基础数据服务 微众银行WeBank 2016年9月微众银行副行长马智涛透露 微众银行与华瑞银行联合开发了一套区块链应用系统 可用于两家银行微粒贷联合贷款的结算 清算 该系统已在9月投入试运行 未来合作银行可以选择将部分信息写入到区块链中 由微众银行提供统一标准的链上对账服务与统一的操作视图和交互接口 让合作银行可全面实时高效地了解信贷及资金交易信息 进行实时的头寸监控 免除依赖日终对账文件进行清算对账的繁重工作 布比区块链 开发了高可扩展高性能的区块链基础服务平台 具备快速构建上层应用业务的能力 满足亿级用户规模的场景快速应用构建 海量用户支撑 可视化操作管理 隐私权限策略 内置智能合约 区块链即服务 Viewfin区块链 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