教案4 第二章 区块链的组成与基本原理

课时7-8第二章区块链的组成与基本原理（二）一、教学设计授课内容第三节点对点网络学时1次2学时授课教师授课班级授课地点课程类型□理论□实践□理实一体教学目标知识目标1.熟悉点对点网络的特点2.熟悉区块链的分布式共识机制3.掌握区块链的账户体系能力目标学习点对点网络、非对称加密、共识机制素质目标1：掌握点对点网络的特性及其在区块链中的应用2：理解不同共识机制的特点。3：了解区块链交易运行的原理。课堂思政学习共识机制，理解相比POW机制，POS机制对环境更友好，树立节约能源资源的思想。知识点1：点对点网络的定义2：点对点网络的特点3：点对点网络与区块链4：共识机制5：区块链账户体系6：区块链交易运行原理技能点能在使用区块链钱包时理解公私钥的区别，保障私钥不泄露。教学重点1：点对点网络的特点2：共识机制3：区块链账户体系4：区块链交易运行原理教学难点1:共识机制2：区块链账户体系教学资源教材及参考资料《区块链金融》《区块链革命》媒体及平台欧科云链网站/cn教学方法教法:讲述、图表、案例教学学法:课外阅读与课堂听课相结合教学实施（包括但不仅限以下内容）（一）本次课内容知识导图（二）教学内容（注明哪些是知识点、技能点，并展示其表述方式（包括但不仅限于陈述、案例、微课、抖音、视频、故事、名言、数据等））1：点对点网络的定义点对点网络（也称Ｐ２Ｐ网络）不同于有中心服务器的中心化网络系统，是一种消除了中心化服务节点，将所有的网络参与者视为对等节点，并在它们之间进行任务和工作的系统。点对点网络结构打破了传统的中心服务器架构，去除了中心服务器，是一种依靠用户群共同维护的网络结构。在区块链网络中，并不存在一个中心节点来校验并记录交易信息，校验和记录工作由网络中的所有节点共同完成。当一个节点需要发起转账交易时，需要指明转账目的地址、转账金额，还需要对该交易并进行签名。2：点对点网络的特点（1）去中心化点对点网络的优势是它是去中心化的，网络中的资源和服务分散在所有节点上，信息的传输和服务的实现都直接在节点之间进行，可以无需中间环节和服务器的介入。运用图表进行说明去中心化和中心化的区别：（2）可扩展性点对点网络通常都是以自组织的方式建立起来的，并允许节点自由地加入和离开。对于点对点网络，理论上其可扩展性几乎可以认为是无限的。例如：在传统的通过中心化服务器下载方式中，当下载用户增加之后，下载速度会变得越来越慢；然而点对点网络正好相反，加入的用户越多，点对点网络中提供的资源就越多，下载的速度反而越快。（3）健壮性点对点网络服务是分散在各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其他部分的影响很小。点对点网络一般在部分节点失效时能够自动调整，保持其他节点的连通性3：点对点网络与区块链在区块链系统中，要求所有节点共同维护账本机构，即每笔交易都需要发送给网络中的所有节点。点对点网络的这些设计思想和区块链的理念完全契合，在区块链中，所有交易及区块的传播不需要发送者将消息发给所有节点。节点只需要将消息发送给一定数量的相邻节点即可，其他节点收到消息后，会按一定的规则发给自己的相邻节点，通过一传十、十传百的方式，最终将消息发给所有节点。4：共识机制需要共识机制的原因在于：区块链通过全民记账来解决信任问题，但是所有节点都参与记录数据，那么最终以谁的记录为准呢？或者说，怎么样保证所有节点记录的是一份相同的正确数据呢？这就是一个如何达成共识的问题。（一）分布式共识问题即“拜占庭将军问题”是莱斯利·兰伯特（２０１３年的图灵奖得主）为描述分布式共识问题在论文中抽象出来的一个著名的例子。“拜占庭将军问题”也被称为“拜占庭容错”。“拜占庭将军问题”是一个分布式共识问题，关于拜占庭帝国军队的将军们必须全体一致地决定是否攻击敌国。困扰这些将军的问题是，他们不确定他们中是否有叛徒，叛徒可以采用任意行动以达到以下目的：欺骗某些将军采取进攻；促成一个不是所有将军都同意的决定，如当将军们不希望进攻时促成进攻行为；迷惑一些将军，使他们无法做出决定。在这种状态下，拜占庭将军们怎样才能保证有至少６支军队在同一时间一起发起进攻，从而赢取战斗？分布式共识问题，可以理解为让参与分布式处理的每个参与者通过某种方式达成一致意见。图表说明：（二）共识机制及其分类在区块链的应用过程中，共识机制需要解决两个问题：“双花问题”和“拜占庭将军问题”。“双花问题”是指货币在使用过程中重复使用的问题。传统的货币具有实体唯一性，可以通过防伪手段防止“双花问题”。一般可以把共识机制分成三类，一类是中心式共识，一类是投票式共识，还有一类是抽签式共识。（1）中心式共识中心式共识的思路很简单，就是有一个中心节点，由这个中心节点提出共识意见，所有人按照这个意见行事。中心式共识在区块链中的使用场景相对有限。（2）投票式共识如果没有中心节点，节点是对等的，且节点数量相对固定，可以通过投票的方式来获得统一的意见。拜占庭容错协议就是一类投票式共识机制。（3）抽签式共识抽签式共识又被称为中本聪共识，适合于节点无须进行验证、随意进出的网络，能够在人数未定（开放网络）的情况下完成共识。抽签的过程可以由不同的方式实现，抽签是否抽中可以由数学性质保证，不可伪造。因为共识的意见的是可以验证的，所以即使被恶意节点抽中，也可以拒绝他们提出的恶意的共识意见，共识的完成由激励机制保证。（三）常见的共识机制（1）工作量证明（ＰｏＷ）工作量证明（ProofofWork）就是一个抽签式共识。工作量证明的主要特征是计算的不对称性，节点需要做一定难度的工作得到一个结果，而验证方很容易通过结果来检查节点是不是做了相应的工作。这类算法的核心思想实际是所有节点竞争记账权，而对每一批次的记账（或者说，挖出一个区块）都赋予一个“难题”，要求只有能够解出这个“难题”的节点挖出的区块才是有效的。同时，所有节点都不断地试图通过解决“难题”来产生自己的区块，并将自己的区块追加到现有的区块链之后，但全网络只有最长的链才被认为是合法且正确的。PoW类算法给参与节点带来的计算开销，除了延续区块链生长外无任何意义，却需要耗费大量的能源，并且该开销会随着参与的节点数目的上升而上升.（2）权益证明（ＰｏＳ）权益证明（Proofofstake，ＰｏＳ）是比较经典的凭证类共识机制。在凭证类共识机制中，这类算法引入了“凭证”的概念。根据每个节点的某些属性（拥有的币数、持币时间、可贡献的计算资源、声誉等），定义每个节点进行出块的难度或者优先度，并且取凭证排序中最优的节点，或者取凭证排序中比较高的小部分节点进行加权随机抽取某个节点，进行下一段时间的记账出块。这类型共识机制在一定程度上降低了整体的出块开销，同时能够有选择的分配出块资源，即根据应用场景选择“凭证”的获取来源，是一个改进的方向。然而凭证的引入提高了算法的中心化程度，有可能造成“贫者愈贫，富者于富”的马太效应。案例教学：以太坊升级到2.0采用了PoS机制（3）拜占庭容错协议算法拜占庭容错协议（ＢＦＴ）算法通过投票的方式产生能被所有（诚实）节点认可的区块。采用图表进行介绍：ＢＦＴ机制一般都会定期选出一个领导者，由领导者来接收并排序区块链系统中的交易，领导者产生区块并递交给其他节点对区块进行验证，进而其他节点投票表决时接受或者拒绝该领导者的提议。如果大部分节点认为当前领导者存在问题，这些节点也可以通过多轮的投票协商过程将现有领导者推翻，再以某种预先定好的协议协商产生新的领者节点。ＢＦＴ算法一般具有完备的安全性证明，能在算法流程上保证其群体在恶意节点数量不超过１／３时，诚实节点的账本保持一致。5：区块链账户体系（1）私钥私钥就是一组随机获取的数字。私钥是用户控制区块链账户的根本。私钥用来生成数字签名，数字签名能证明对应私钥的所有权。私钥必须严格保密，私钥如果泄露给第三方，就相当于失去了区块链账户的控制权。如果私钥丢失，没有任何办法恢复。私钥一般通过随机数生成。生成私钥基本上就是在１和２的２５６次方之间选择数字。当随机选择生成了一个私钥后，几乎不可能有另一个人选中同一个或者猜到该数字。（2）公钥公钥是通过私钥使用非对称加密算法运算而来。公钥和私钥一一配对。（3）非对称性加密先来了解一下传统的对称加密。加密和解密用同一个密钥就是对称加密。非对称加密技术也被称为公钥密码技术。它使用两个成对的密钥：公钥，对外公开；私钥，必须严格保密，保管好不能弄丢。可以用公钥加密消息，然后使用私钥解密；反过来也可以使用私钥加密，用公钥解密，这也被称为签名，相当于用私章盖印，对方就可以使用你的公钥来验证签名真伪（能正常解密）。非对称加密的优点是解决了密钥的传输问题。用案例和图表介绍：小红创建一条消息，比如“这是电子书”，用小明的公钥加密。小红发的消息，由于用小明的公钥加密，所以只能由小明的私钥解密，拦截消息的人，由于没有小明的私钥，无法解密消息内容。这就确保了只有小明能访问电子书网址，即保证了消息的私密性。如果要小明验证小红的身份，小红可以用自己的私钥给消息签名后，附上公钥发给小明，小明可以用小红的公钥验证签名6：区块链交易运行原理（一）简易的区块链系统以故事来介绍：一个古老的村落，里面住着一群原始的村民。这个村庄没有银行为大家存钱、记账，没有一个让所有村民都信赖的村长来维护和记录村民之间的财务往来，也就是没有任何中间机构或者个人来记账。于是，村民想出了一个不需要中间机构或个人，而是大家一起记账的方法。（二）区块链交易运行流程以图表介绍：小明有10个比特币，准备把２个比特币转账给小红，向全网的矿工们广播了这条交易信息。在这笔交易中，小明需要提交这几项信息给矿工们：（１）小红的收款地址；（２）转账数量；（３）交易哈希；（４）小明的数字签名（用私钥进行签名）；（５）小明的公钥。其中交易哈希是由小红的收款地址和转账数量等交易信息通过哈希算法产生，而小明的数字签名是小明通过用私钥对交易哈希调用非对称加密算法进行签名产生，这样只要小明的私钥没有被泄露，那么这笔交易就不可抵赖，也不可被篡改。矿工通过小明提交的公钥、交易哈希和数字签名，来验证小明是不是转出账户的１０个比特币的拥有者，还能验证这笔交易有没有被篡改。如果验证成功，矿工将打包交易，然后进行下一个区块记账权的竞争，并且将这个包含交易信息的最新区块进行全网广播，以图表介绍。全网广播之后，经过所有节点的确认，即经过全网验证，其他所有节点就会一起备份这个最新的区块，从而继续保持全网节点数据的一致性。小明的账户状态就会正式变更为８个比特币。这样一笔交易就完成了（三）教学拓展（练习、思考、调研、阅读、实践等）练习：１．小明向小红发送钱款，先用小明的进行数字签名，小红收到钱款后可以用小明的进行验证签名，验证交易是否被篡改。（）Ａ．私钥公钥Ｂ．公钥私钥Ｃ．私钥私钥Ｄ．公钥公钥2．以下（）不是点对点网络的特点。Ａ．中心化Ｂ．可拓展性Ｃ．健壮性Ｄ．二叉性3．以下（）共识机制的可监管性最高。Ａ．ＰｏＷＢ．ＰｏＳＣ．ＰＢＦＴＤ．ＤＰｏＳ4．如果要对比特币网络上某地址的比特币进行交易，下列说法正确的是（）。Ａ．只有拥有了私钥，才能进行交易Ｂ．拥有公钥就能进行交易Ｃ．拥有账户地址就能进行交易Ｄ．有智能合约才能进行交易5．下面关于区块链说法正确的是（）。（多选）Ａ．区块链是一个基于密码学的分布式账本Ｂ．区块链中区块的意义在于通过批量处理提高性能Ｃ．区块链中的交易只能是转账Ｄ．区块链记录的是一系列有顺序的交易6．以下（）是共识算法。（多选）Ａ．抽签式共识Ｂ．投票式共识Ｃ．全局式共识Ｄ．中心式共识7．以下关于工作量证明（ＰｏＷ）说法正确的是（）。（多选）Ａ．比特币采用了工作量证明Ｂ．工