《信息素养概论（第三版）》课件第10章 区块链技术及应用

《信息技术与人工智能》第十章区块链技术及应用第10章区块链技术及应用目录认识区块链1区块链关键技术2区块链典型应用与发展趋势3第10章区块链技术及应用目录认识区块链1区块链关键技术2区块链典型应用与发展趋势3什么是区块链？区块链的发展历史？区块链有哪些特点？问题引入区块链的概念工信部指导发布的《区块链技术和应用发展白皮书2016》中指出，狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链技术是利用块链式结构来验证数据和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全性、利用自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构和计算范式。任务10.1认识区块链比特币的诞生2008年11月，一位化名“中本聪”(SatoshiNakamoto)的人，在密码论坛上发表了一篇名《比特币：一种点对点的电子现金系统》(Bitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem)的论文，该文重点讨论比特币系统，区块链技术在论文中被首次提出，区块链被描述为用于记录比特币交易的账目历史，是一种由密码学支撑、按照时间顺序存储的分布式共享数据账本。区块链的发展历史区块链1.0区块链2.0区块链3.0以比特币为代表的数字货币的阶段引入智能合约的可编程阶段多领域深入融合的价值互联网阶段区块链的发展历史区块链的特点分析去中心化透明性自治性可追溯性准匿名不可篡改性公有区块链A网络中的节点可任意接入，网络中数据读写权限不受限制，任何人都能参与共识过程，比特币属于典型的公有链。私有区块链B共识机制、验证、读取等行为被限定在一个范围内，由一个实体控制，仅对实体内部开放。联盟区块链C介于公有链和私有链之间，更符合大部分行业场景，适度对外开放。区块链的模式类型（1）双击桌面上的IE浏览器或Google浏览器图标，打开百度搜索。（2）在搜索栏中输入“区块链site:”，然后按回车键，检索国家官方网站关于“区块链”相关的技术资讯，进一步深入理解区块链。（3）通过浏览器访问阿里云官方网站，了解阿里云提供的区块链服务/product/baas?spm=5176.10695662.J_3717714080.1.2801688eUCO9eF。（4）通过访问阿里官方文档可以进一步了解“蚂蚁区块链”中联盟链的创建和管理，/document_detail/134838.html?spm=a2c4g.11186623.6.603.558944f5XyyCUl。任务：网络检索区块链技术学生练习小结区块链的概念区块链的发展历史:

区块链1.0

区块链2.0

区块链3.0区块链的特点：去中心化、透明性、自治性、不可篡改性、准匿名、可追溯性区块链模式类型：公有链、私有链、联盟链小结第10章区块链技术及应用目录认识区块链1区块链关键技术2区块链典型应用与发展趋势3区块链系统框架任务10.2区块链关键技术合约层应用层激励层共识层网络层可编程货币数据层脚本代码智能合约算法机制发行机制分配机制POWPOSDPOSP2P传播机制验证机制数据区块链式结构哈希函数时间戳非对称加密Merkle树可编程金融可编程社会ⅡⅡ数据层数据区块链式结构哈希函数时间戳非对称加密Merkle树区块链系统框架数据层区块链的核心部分，从创造至今一直在添加新的区块，构成了越来越复杂的链式结构，包含了各种各样的数据，最常见的就是哈希值、随机数以及交易信息等。区块链系统框架网络层网络层封装了区块链的组网方式、消息传播协议和数据验证机制等要素。网络层的设计是为了保证区块链中各个节点间的通信，通过特定的协议和机制，使得每个节点都能参与记账和数据校验等。同时保证数据区块是经过大部分节点验证后才记入区块链中的。网络层P2P传播机制验证机制区块链系统框架共识层封装了各种共识算法，例如PoW、PoS、DPoS等。区块链架构是一个分布式的架构，区块链共识技术的优势之一是在去中心化的系统中使节点间对区块数据的有效性保持一致。共识层POWPOSDPOS区块链系统框架激励层激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，区块链的运行与安全性依靠众多节点的参与，激励层的目的是提供一定的激励措施鼓励节点参与区块链的日常运作以及共识验证工作。如数字货币等区块链一般会用特定数量的货币奖励给区块创建者。激励层发行机制分配机制区块链系统框架合约层合约层是区块链2.0新出现的拓展架构，但却是区块链延伸各种应用功能的必要支撑，合约层的出现极大的提升了区块链的可拓展性。作为区块链2.0的重要标志，合约层由合约虚拟机与智能合约两部分组成。合约层脚本代码智能合约算法机制区块链系统框架应用层应用层也是区块链的业务层，封装了区块链的各种功能业务与各个行业的应用场景。该层是在区块链3.0时期发展最快的区块链架构，其涵盖的应用场景不再仅限于数字货币和金融领域，区块链在医疗、科学、政府和工业等领域都迎来了重大的发展机遇。应用层可编程货币可编程金融可编程社会版本号前一区块Hash区块链系统框架数据区块结构区块头中包括当前区块的版本号、时间戳、当前区块的随机数、Merkle根信息，以及前一区块的哈希值和本区块的哈希值等。区块体中主要包括交易计数和交易详情的交易列表。区块体附加在区块头后面，区块体中的Merkle树会对记录的各个交易进行签名，来保证交易的不可伪造性，同时通过Merkle树的哈希值计算过程产生唯一的Merkle根，Merkle根记录在数据区块的区块头中，使区块头能够体现区块所包含的所有交易。前一区块后一区块区块头版本号前一区块Hash本区块Hash时间戳随机数Merkle根区块体交易数量交易1交易2交易3交易4Hash1Hash2Hash3Hash4Hash12Hash34Hash1234区块链系统框架链式结构新产生的区块与区块主链上的最末端区块连接，形成从创世区块到当前区块的一条区块链，这条区块链记录了所有的交易数据，使得在该条区块链之上的所有数据历史都可以被追溯和查询。前一区块Hash随机数用于实现区块的链接用于实现挖矿机制交易信息交易1交易2ⅡⅡ前一区块Hash随机数用于实现区块的链接用于实现挖矿机制交易信息交易1交易2ⅡⅡ任务：区块链结构编码（1）将“第10章\任务10.2区块链关键技术\素材\blockchain-demo工程”导入eclipse开发环境。（2）查看Block.java中定义的示例区块结构。（3）运行blockchain-demo工程，查看前三个初始区块的创建内容输出示例。学生练习任务：区块链结构编码学生练习密码学技术哈希函数哈希函数也称散列函数，是一种单向密码体制，即一个明文到密文的不可逆映射。哈希函数能够将任意长度的输入映射成固定长度的输出，即哈希值(散列值)。公钥密码算法公钥密码算法，也称双密钥密码算法或非对称密码算法。该算法使用两个不同的密钥，即公钥和私钥。公钥指公开的密钥，私钥指非公开、私有的密钥。通常情况下，发送者通过公钥对信息进行加密，接收方通过私钥对收到的信息进行解密。数字签名技术又称公钥数字签名，是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。任务：Hash函数调用编码（1）在eclipse中打开“第10章\任务10.2区块链关键技术\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Sha.java中定义SHA-256的调用示例。（3）运行查看每个区块SHA-256计算输出。学生练习任务：Hash函数调用编码学生练习小结区块链的链式结构区块链的密码学知识:

哈希函数

公钥密码

数字签名小结第10章区块链技术及应用目录认识区块链1区块链关键技术2区块链典型应用与发展趋势3共识机制常用共识机制PoW（工作量证明机制）PoS（权益证明机制）DPoS（股份授权证明机制）共识机制PoW工作量证明简单的说，工作量证明机制就是节点使用算力资源多少的证明。参与挖矿的节点耗费算力越多，获取记账权的概率就越大，即根据节点的工作量分配记账权。PoW共识机制挖矿就是通过算力资源，计算出一个符合规则的随机数，即可获取记账权。共识机制PoS权益证明PoS共识机制中还引入了“币龄”的概念。币龄是指货币数量与货币持有时间的乘积。如Alice向Bob发送了55个货币，Bob持有了这些货币5天的时间，则Bob收集到5×55=275的币龄；如果Bob随后花费了这些货币，则系统会认定Bob收集到的币龄已被“消费”。此时，根据PoS共识机制，Bob创建新区块的能力也就归零了。显然，权益证明的理念是新区块的创建应该由具有经济权益的用户决定。共识机制DPoS授权股权证明DPoS共识机制实质上是一种代议制共识，通过投票机制将所有用户的权力集中到了少数人手中，形成一种有约束的中心化，这种中心化会大大加快交易的确认速度，确认时间缩短到秒级。但与中心化系统的弊端类似，记账权利一旦集中，就不得不提防获得代表权的用户是否会为了自身利益而损害系统的公平公正，降低了信任基础。任务：PoW挖矿编码示例（1）在eclipse中打开“第10章\任务10.2区块链关键技术\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Block.java中定义mineBlock函数，该函数属于PoW共识的一个挖矿示例，根据定义的哈希值前导0值个数，进行挖矿。（3）运行main函数，查看挖矿的示例结果。学生练习任务：PoW挖矿编码示例学生练习智能合约智能合约作为区块链技术的核心架构之一，是一种可由事件驱动的、具有状态、运行在区块链系统上的计算机程序，以数字化方式传播、验证或执行合同，进而控制和管理区块链上的智能资产。在区块链技术中，智能合约可以看作一种嵌入式程序，能够内置于数据区块中，形成可编程控制的数字化系统。在部署智能合约之前，会预先设定好与合约有关的所有条款的逻辑流程，当预先编程好的条件被触发时，智能合约便会自动执行相应的合同条款，用户于智能合约的交互行为都要严格遵守此前指制定的逻辑流程，以防止出现违约行为。智能合约智能合约构建、执行步骤合约制定合约传播自动执行智能合约智能合约特点高效实时更新准确执行较低人为干预风险去中心化权威较低的运营成本任务：编写helloWorld智能合约（1）双击桌面上的IE浏览器或Google浏览器图标，打开浏览器窗口。（2）在浏览器地址栏中单击，输入地址信息：，然后按回车键，进入Remix，它是一个基于浏览器的SolidityIDE，支持编写、测试和部署智能合约。学生练习任务：编写helloWorld智能合约（3）单击【Workspace】旁的按钮，打开创建工作项目页面，在输入框中输入项目名称“workspace_helloContract”，点击【OK】。（4）单击【contracts】文件夹，选中该文件夹，然后单击其上方的新建文件按钮，并在输入新文件的名称“helloContract”，按回车键。学生练习任务：编写helloWorld智能合约（5）在文件“helloContract”中输入示例代码。（6）点击右侧的【Soliditycompiler】按钮，配置其中的编译器版本、语言、EVM版本等信息，然后点击，编译helloWorld智能合约。（7）点击右侧的【Deploy&Runtrasactions】按钮，选择运行环境【JavaScriptVM】，然后点击【Deploy】按钮，运行helloWorld智能合约，在运行结果提示框内会出现运行成功的提示，点击运行结果，可以查看详情。学生练习小结区块链的共识机制:PoWPoSDPoS区块链智能合约小结第10章区块链技术及应用目录认识区块链1区块链关键技术2区块链典型应用与发展趋势3区块链与金融区块链与电子发票区块链与版权保护区块链与在线教育任务10.3区块链典型应用区块链与金融区块链+金融区块链技术在金融领域的应用被叫做区块链金融，而区块链金融企业是指开发和应用区块链技术的金融企业，具有代表性的企业有平安集团的金融壹账通、京东集团的京东科技和腾讯的腾讯微众银行等。区块链+电子发票基于区块链的电子发票通过构建基于区块链技术的电子发票云平台，可以充分发挥区块链去中心化、共识算法、分布式广播的特点。这将有利于解决电子发票应用生态存在的痛点：利用区块链技术去中心化特点实现基于区块链网络中的分布式存储，通过广大节点的共识加密和算法来保证数据可信流转、一致性和不可篡改；采用由所有节点共同维护的公共账本来解决电子发票的重复报销、重复入账问题以及数据不一致的问题；电子发票涉及开票方、受票方和消费者，利用区块链分布式网络的传播，避免电子发票数据的不一致、防止数据的篡改，提高数据的准确性和效率问题。区块链与电子发票效率低：由于受到技术限制，传统版权登记的周期太长，官方的审核一般需要20个工作日，无法满足网络时代作品“产量多、传播快”的特点。收费高：版权登记的价格偏高，通常登记单件作品的市场价格约为500元。维权难：平台投诉手续复杂，法律诉讼成本高，导致大多数原创者因此选择保持沉默，任由权利被侵犯。区块链+版权保护传统版权所面临的痛点区块链与版权保护区块链技术是一种去中心化、由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术。因链上数据具备上述特性，区块链技术在版权资产管理领域的应用一直是主要探索方向之一，尤其是链上数据电子存证，被普遍期待用以解决版权确权存证可信度低、维权溯源举证难的问