區塊鏈技術原理演示系統的設計與實現目錄TOC\o"1-3"\h\u31047摘要 125200目錄 3310第一章緒論 55361一.研究背景及選題意義 510059（一）研究背景 528294（二）選題意義 610538二.國內外研究現狀 626288（一）區塊鏈技術的國外研究現狀 619067（二）區塊鏈技術的國內研究現狀 723542三.論文的組織結構 931518第二章區塊鏈技術和理論基礎 1017483一.區塊鏈技術相關概念 1020616（一）區塊鏈的定義及分類 108558（二）區塊鏈的基礎架構 121814（三）區塊鏈的數據結構 1424960（四）區塊鏈的發展和應用 1513008二.區塊鏈技術理論基礎 1721801（一）分布式數據存儲 1717267（二）密碼技術 1728673（三）網絡技術 2024007（四）共識機制 2027923（五）時間戳服務 2123679第三章區塊鏈技術原理演示系統的設計 22188一.區塊鏈的塊結構設計 227477（一）數據真實性驗證 2218990（二）塊結構設計 228775二.區塊鏈的鏈結構設計 232655（一）區塊鏈網絡運行過程 236303（二）鏈結構設計 234916（三）系統總設計及運行流程圖 242217（四）Python語言介紹 2514620第四章區塊鏈技術原理演示系統的實現 2629698一.系統開發的環境配置 268830（一）系統開發和運行的軟硬件環境 2628077（二）編程語言的使用 2627562（三）標準庫及三方庫的使用 2626824二.系統的功能實現 272852（一）查看區塊鏈中的交易功能的實現 276681（二）挖礦功能的實現 30396（三）公鑰、私鑰生成器的實現 3327380（四）生成交易功能的實現 3531078第五章總結和展望 3812351一.總結 3824213二.不足與展望 3811936參考文獻 39緒論一.研究背景及選題意義研究背景區塊鏈技術REF_Ref17254\w\h[1]REF_Ref17254\w\h最早是在比特幣論壇上由中本聰（SatoshiNakamoto）于2008年底發表的論文“比特幣：對等電子現金系統”中提出的。加密支持的分布式共享數字賬戶區塊鏈已經建立了一個電子緩存系統，該系統完全由對等（P2P）技術啟用，可以記錄所有元數據和加密的交易信息。這是解決未來社會發展中的信任危機的一項創新創新。2009年，比特幣正式誕生。從那時起，比特幣系統已經普及，越來越多的人開始關注和研究它。區塊鏈技術作為比特幣系統的基本技術也引起了人們的關注。從那時起，區塊鏈技術研究就開始了，在該技術的早期，它被用于解決雙重支付的問題，將各種數字信息技術有機地結合在一起，數字管理水平和網絡信息的安全性能可以得到改善。在當時的背景下區塊鏈技術是一種新技術，它融合了許多已有的學科知識，成為一個集合體，形成了一個包括多個學科（例如數學，計算機科學和密碼學）的技術系統。區塊鏈技術的快速發展目前已經引起政府部門、金融機構、科技企業和資本市場的高度重視與廣泛關注。美國納斯達克于2015年12月率先推出基于區塊鏈技術的證券交易平臺Linq，該證券交易平臺是區塊鏈技術應用的先驅，為金融證券市場的發展和分布式趨勢奠定了深厚的基礎。中國人民銀行舉辦了數字貨幣研討會，在會議上探討研究了如何運用區塊鏈技術發行加密貨幣，以此來增強更多金融活動的利民性和廣泛性，讓大眾可以更高效地參與其中。根據麥肯錫的一份研究報告，區塊鏈技術是第五次顛覆性革命的核心技術。下一代云計算的前期發展形式是區塊鏈技術，區塊鏈可能會將人類社會活動的形式進行重新的塑造，從而將當前的信息互聯網進一步升華為價值程度更高的互聯網。本文將詳細介紹和分析區塊鏈的運行原理和關鍵技術，并探討區塊鏈的應用和發展趨勢。在此基礎上，設計一款針對于理解區塊鏈技術原理的演示系統，提高大眾對區塊鏈知識的學習興趣和熱情，更有效的理解區塊鏈技術的相關原理，更好地實現區塊鏈技術普及的廣泛性，實現社會信息資源共享和更新。（二）選題意義區塊鏈是計算機技術的一種新應用模式，包括分布式數據存儲，點對點傳輸，共識機制和加密算法。區塊鏈是比特幣系統的核心內容，它實際上是一個分布式數據庫。同時，區塊鏈還是比特幣的基礎技術，是使用密碼技術生成通過時間序列相鏈接的一組數據塊。每個數據塊都包含一批比特幣網絡交易信息。它用于驗證信息的有效性并生成下一個塊。區塊鏈技術是密碼學，計算機科學，經濟學和其他學科發展到特定階段的產物，有效地整合了許多學科的杰出成就。區塊鏈技術由于其分布式和不可篡改性的特點，為在一定程度上解決了人們之間存在的信任問題，并將人類社會帶入了集體智慧時代。區塊鏈除了在貨幣、金融等領域的應用外，也逐漸擴展到政府、衛生、科學等領域，全方位改變了我們的社會和生活。區塊鏈還可以不斷賦予實體經濟權力，不斷促進實體經濟的積極發展，也推動著數字經濟的健康發展。目前，我國指出要著重提升學生的綜合素養，不僅限于傳統教學方式，要讓老師帶動學生上課時的活躍性。讓學生學會安排自己的學習生活，提出更有創意性的想法。與此同時，為了響應國家的號召，實現學生真正自主的要求，現如今已經有了更多樣化的學習方式和手段，學生們可以自己上網搜索需要的學習資料，也出現了滿足不同需求的形式，例如網課、幻燈片演示，及交互性的演示系統等等。它由文本、圖形、動畫等信息處理組成，用來呈現知識信息。區塊鏈技術原理演示系統是一個在線實現區塊鏈技術的平臺，可以幫助學生自學之用，還可以作為幫助大眾理解其原理的一塊跳板，更好地實現區塊鏈技術普及的廣泛性，實現社會信息資源共享和更新。國內外研究現狀區塊鏈技術的國外研究現狀區塊鏈誕生于2008年末，一個名為“中本聰”的個人或組織發表的白皮書REF_Ref17254\w\h[1]。在2009年，比特幣支付系統誕生了，區塊鏈技術的發展在比特幣系統誕生的背景下開始了1.0時代，在金融領域的應用開始了初期的發展。這時候，區塊鏈的應用面較小，許多人還對區塊鏈感到陌生。2013年Vitalik發表了以太坊白皮書REF_Ref15480\w\h[5]，白皮書對區塊鏈的發展提出了重要的方向性指導，提出區塊鏈的去中心化特點可以大加利用，期待可以將其作為一些相關應用的基礎構架。2015年以前，實際上被人們更為熟知的不是區塊鏈技術而是比特幣系統，也是從2015年開始，區塊鏈的發展漸漸被人們注意，開始受到各領域人才的關注。在Sebastian等人預測區塊鏈發展趨勢將近一年后，區塊鏈開始正式進入2.0時代。人們開始重點關注區塊鏈技術和其相關的一些新的應用方向：點對點交易、登記存儲、智能管理等。到了2016年與2017年，人們開始探索區塊鏈技術的底層原理，也對其在未來的發展的挑戰進行展望：Azaria等人REF_Ref18745\w\h[10]與Mettler等人REF_Ref18804\w\h[11]提出了在醫療數據訪問權限管理與醫療保健等方面與區塊鏈技術實現深入結合，2018年初，在達沃斯世界經濟論壇上，有學者認為“區塊鏈擁有著與比特幣完全不同的發展前景，其具有巨大的潛質和無限的前景”REF_Ref20381\w\h[15]。B.K.Mohanta等人REF_Ref20486\w\h[16]在闡述了智能合約的組成部分與工作原理的基礎上，分析了其未來的應用及優勢。還有對于區塊鏈最新技術理念和解決方案進行研究的，如Gai等人REF_Ref20718\w\h[20]針對區塊鏈交易記錄帶來的隱私問題，提出了一種面向聯盟區塊鏈的方法實現對數據隱私的保護。除了上述內容外，國外各個其他領域對區塊鏈的重視也達到了一定的高潮。2017年用于為貸款有效性提供保障的一種新的應用被全球債務注冊中心(GDR)充分利用區塊鏈技術創建完成；同一年，貝恩公司發表相關研究認為區塊鏈技術是一種具有顛覆性的開拓新互聯網時代的技術、它將會在各個領域內發揮變革性的影響力。在世界范圍內，歐盟成立了歐洲區塊鏈觀察論壇，旨在將區塊鏈政策、產學、服務構建、標準等作為主要職責。由此可見，區塊鏈技術的相關研究已經成為一種趨勢，各國都在投入各方力量專注于此，其相關應用也正在逐漸成為現實。雖然其相關研究仍然是一個充滿挑戰的方向，但為提高國家核心競爭力，促進區塊鏈技術等核心技術的發展，世界各國都在努力進行研究。可以預見，區塊鏈將成為新的互聯網，許多革命性的應用將基于此。區塊鏈技術的國內研究現狀自從中本聰在2008年發布了比特幣白皮書并且在第一批比特幣在2009年問世以來，加密貨幣開始迅速發展。2015年，一些學者發表區塊鏈應用相關研究論文：丁未REF_Ref26573\w\h[23]提出的在區塊鏈技術基礎上的針對數據采取分布式管理的應用系統。2016年與2017年，學者們不局限于對區塊鏈技術的應用的研究，開始了對其基礎框架和核心概念的研究：何蒲等人REF_Ref26733\w\h[26]就區塊鏈關鍵技術、內容、原理、瓶頸、應用和前景進行了探討。除了上述內容外，國內外其他領域對區塊鏈也重視也達到了一定了高度。除了上述提到的以外，中國政府從2013年開始關注并出臺密碼貨幣與區塊鏈相關政策，2013年下半年，比特幣在中國范圍內開始被人們熟知，價格也快速上漲，人們了解到了數字貨幣的價值，引得了一大波人開始了對它的投資，中國的比特幣市場越發火熱。2017年1月29日，數字貨幣研究所在中國人民銀行成立。該研究所將涉及多個領域的研究，其中包括區塊鏈和金融科技。2019年，中共中央國務院明確指出要將大數據分析的手段與食品安全結合起來，建立關于食品安全信息的網絡平臺，把握新興技術和民眾最關心的食品安全的監管的融合，推進新興技術例如人工智能和區塊鏈技術等的健康發展，實現更智能的監管系統，指出推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算機等技術與交通行業深度融合。2020年2月5日，中央一號文件正式發布。文件指出，加強現代農業設施建設。毫無疑問，在國家戰略性新興產業中，區塊鏈在政策語境中的地位得到了極大的提高。而在政策地位不斷變高變強的背景下，區塊鏈技術對于未來的技術變革和產業革新方面都有著很大的推動力，因此國家也愈發關注區塊鏈的發展。其次，國際競爭隨著國際形勢的變化和科技的不斷迅速發展變得更加的多元化和復雜化，在這樣的背景下，區塊鏈技術已經成為全球各國爭相發展的科技創新方向；最后，在新的產業變革的背景下，區塊鏈技術成為其中的中堅力量，在一定程度上國內實體經濟的健康發展也離不開區塊鏈技術的幫助。論文的組織結構本文包括五個章節，每個章節的具體內容安排如下：第一章：緒論。主要介紹文章主題的研究背景、選題意義及關于區塊鏈技術的國內外研究現狀。第二章：區塊鏈技術和理論基礎。本章主要對區塊鏈技術相關概念和理論基礎進行介紹，同時對這些技術方法進行研究和分析，以便更好地將其應用到區塊鏈技術原理演示系統中。第三章：區塊鏈技術原理演示系統的設計。本章介紹了區塊鏈技術原理演示系統的相關設計，包含了塊結構設計和鏈結構設計。同時對開發本系統時采用的Python編程語言進行了介紹。第四章：區塊鏈技術原理演示系統的實現。本章介紹了系統開發時的環境配置，包括軟硬件環境、編程語言及標準庫和三方庫的使用，另外還介紹了系統的功能實現，包括挖礦功能、公鑰私鑰的生成功能、生成交易功能及查看交易功能的實現。第五章：總結和展望。總結本文在設計和實現區塊鏈技術原理演示系統中所做的工作與成果，并對未來區塊鏈技術的發展和其中存在的問題進行展望。

區塊鏈技術和理論基礎區塊鏈技術相關概念區塊鏈的定義及分類區塊鏈的定義區塊鏈這一概念最早是在中本聰的比特幣白皮書REF_Ref17254\w\h[1]中提出的，但它一開始不是以區塊鏈出現的，而是以工作量證明鏈（Proof-of-Chian）的形式存在。中本聰對區塊鏈概念的敘述是：通過對區塊中的數據項加上時間戳進行哈需運算即時間戳服務，然后把所得的哈希值進行廣泛傳播，就像在電視上播放新聞一樣。我們知道，要得到這個哈希值，就需要在過去存在某個時刻加上時間戳的數據。因此，每個區塊上的時間戳都包含了其前一個區塊上的時間戳，以時間戳為鏈接方式形成了一條區塊鏈，即所有數據塊按照時間序列以鏈的形式進行鏈接和組合。關于區塊鏈的定義，現在還沒有形成一個公認的定論。維基百科中文REF_Ref18400\w\h[31]定義：區塊鏈起源自比特幣。區塊鏈是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一次比特幣網絡交易的信息。雖然不同權威和機構對區塊鏈的定義不同，但區塊鏈的本質是不變的，即區塊鏈擁有去中心化、去信任化、開放的特性，還可以保護數據的防篡改和防偽造。由此可以概括區塊鏈的概念為區塊鏈是指一種脫離了中心化的分布式的公共共享記賬本，其中每個區塊用“鏈條”的方式組合連接。一旦這些塊被確認，它們就很難被修改。每個塊中含有當前時間段內的所有交易信息和區塊元數據，如圖2-1所示。區塊頭區塊頭交易信息版本上一個區塊哈希值Merkle根時間戳難度目標Nonce區塊頭交易信息版本上一個區塊哈希值Merkle根時間戳難度目標NonceHash區塊頭交易信息版本上一個區塊哈希值Merkle根時間戳難度目標NonceHash圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1區塊鏈示意圖區塊鏈的分類目前區塊鏈有三種：公有、私有及聯盟區塊鏈。私有鏈和聯盟鏈是廣義的私鏈。公有區塊鏈（公有鏈）是指個人或集團共享一條區塊鏈。只要他們連接到區塊鏈上，他們就可以在區塊鏈上發送交易，交易就可以得到區塊鏈的區塊的認同。區塊鏈中的每個參與者都可以參與并下載數據。聯盟區塊鏈（簡稱聯盟鏈）是多個機構或組織共同參與管理的區塊鏈。其中每個節點可以運行一個或多個節點。區塊鏈中的數據只允許系統中的不同機構讀取和發送交易，并一起記錄交易數據。其他節點只能訪問區塊鏈的責任交易，但不參與共識過程，每個參與者都可以對該區塊鏈進行有限的查詢。R3組成的銀行區塊鏈聯盟要構建的就是典型的聯盟鏈。這類區塊鏈被認為是“部分去中心化”的。私有區塊鏈（簡稱私有鏈）指只利用區塊鏈技術進行記賬操作，但并不向公眾開放。在區塊鏈的某些應用場景中，并不期望任何人都能參與系統并查看所有數據。如果某公司或個人有相關的需求，必須獲得對應的許可才能得到相應的功能。他們單獨擁有該區塊鏈的寫入權限。這種區塊鏈結構稱為私有鏈。聯盟鏈提供了一種混合折中的模式，這種模式結合了私有鏈和公共鏈兩種鏈相對極端的特點；而私有鏈因為其寫入和讀取的權限都收到很大的限制，其在保護個人隱私的應用上是非常廣泛的。總之，在不同的應用場景通常需要結合不同區塊鏈的不同特征和技術，從交易速度、隱私保障性、交易成本、安全性、是否需要權限等這幾個方面來比較不同類型的區塊鏈，得到的結論如下表2-1所示。表2-SEQ表2-\*ARABIC1不同類型區塊鏈的比較區塊鏈的基礎架構區塊鏈是一個結合了多重技術的革新技術，本身是一個復雜龐大的體系結構，一般情況下，基礎架構如圖2-2所示：數據層：數據是區塊鏈系統的基石。在數據層當中，首先包含了數據區塊和鏈式結構，數據區塊間按時間的先后序列鏈接形成了區塊鏈。除了鏈式結構之外還有時間戳，哈希函數、Merkle樹和非對稱加密技術，并利用這些技術確保鏈接順序不可篡改。時間戳用于表明時間，體現時間的先后順序，是參與共識的節點加蓋的；哈希函數可以確認各個數據區塊的是否安全和整體性；Merkle樹可以篡改；非對稱加密技術保證隱私性。網絡層：網絡層包括P2P協議、傳播機制和驗證機制。這一層是共識層的基礎，在這一層區塊鏈用傳播機制來確定節點傳播生成的區塊數據的傳播形式，并且特定的驗證機制的存在能夠對這個數據區塊加以驗證以證實其真偽性。共識層：共識層主要涉及的內容是共識機制，共識層是區塊鏈架構中主要的部分之一。各節點因不能同時記賬，為了保持賬本的一致性，需要通過競爭的方式選出記賬節點，再由記賬節點廣播新的區塊數據，共識機制就是各節點競爭記賬權的機制。激勵層：區塊鏈系統是否能可持續運行的關鍵是區塊鏈各個節點是否積極參與驗證數據區塊的安全性和記賬。要想調用各節點的積極性，一定的激勵手段是非常必要的，激勵層就是一些激勵手段所存在的地方。合約層：合約層是區塊鏈可編程這一特點的主要體現，主要歸因于合約層封裝的腳本代碼、算法機制和智能合約。這一層的功能是為了確保運行一些約束或合同或交易規則等的自動化腳本、算法程序、智能合約，從而使區塊鏈能夠解放信用體系。應用層：主要內容是以上主要架構的應用，包含區塊鏈的各種應用場景，這些應用可以劃分為三個方面，一是以比特幣為代表的可編程貨幣應用，二是可編程金融應用，三是可編程社會應用。主要涉及到的有金融、數字貨幣、電子資產、物聯網等等社會生活中的各種領域。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2區塊鏈基礎架構區塊鏈的數據結構區塊結構在區塊鏈技術中，區塊是一種數據結構，它由兩部分組成：區塊元數據和區塊體。區塊元數據記錄的是元數據信息，區塊體記錄的是從父區塊到產生此區塊創建之間生成的所有交易信息，如表2-2所列。區塊元數據如表2-3所列。表2-SEQ表2-\*ARABIC2區塊結構字段名大小描述區塊元數據變長的該區塊相關元數據信息交易信息變長的該區塊記錄的交易信息表2-SEQ表2-\*ARABIC3區塊元數據字段名大小/Byte描述區塊大小4該字段之后的區塊大小區塊頭80組成區塊頭的幾個字段交易計數器1~9（可變整數）交易的數量區塊頭結構塊頭由兩組元數據組成。一類與挖礦的相關，包括時間戳、難度目標和隨機值；另一組與塊本身相關，包括鏈接父塊的字段、版本號和Merkle樹的根。塊頭的數據結構如表2-4所示REF_Ref97\w\h[34]。表2-SEQ表2-\*ARABIC4區塊頭結構Merkle根是為了在區塊中體現出交易而做的計算。流程可以概括為每相鄰的；兩條記錄向上形成一個哈希值，再與相鄰的節點再往上形成哈希值，一直到樹根形成所有交易記錄的唯一哈希值，即Merkle根。難度目標是該區塊工作量證明的算法的目標值。使整個網絡的計算力大致每10分鐘產生一個區塊所需要的難度數值即為難度目標。區塊頭的SHA256哈希值必須小于等于目標比特值，才會被整個網絡的所有節點所認同。規律是：難度目標的Bits值越小，得到正確結果的可能值就越小，生成新塊的難度就越大。Nonce字段是一個隨機數。每個塊頭的值通常是不同的，但它是一個嚴格按照線性方式從0開始增長的隨機數，并且每次都在增長。挖掘的結果是找到一個滿足條件的隨機值。區塊鏈的發展和應用區塊鏈的發展區塊鏈技術對于很多領域的發展都是有促進作用的，可以參與到眾多方面的革新，除了最常見的金融方面以外，還有政治、科技等方面。自2009年起，以區塊鏈為基礎的各種各樣的類似比特幣的數字貨幣相繼出現，常見的有：bitcoin、litecoin、eth、etc。在區塊鏈發展的漫漫長河中，現如今可以將區塊鏈的發展概括為下圖2-3所示：2.0時代2.0時代3.0時代可編程數字加密貨幣體系為主要特征可編程金融系統包括數字資產和智能合約為主要特征可編程社會，指從區塊鏈自洽組織和自洽公司到區塊鏈社會（科學、醫療、教育等）為主要特征1.0時代圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3區塊鏈的發展然而，上述模式實際上是平行而非演進式發展的，區塊鏈1.0模式的數字加密貨幣體系仍然遠未成熟，距離實現區塊鏈社會還有很大的距離。目前，區塊鏈領域已經呈現出明顯的技術和產業創新驅動的發展態勢。區塊鏈的應用區塊鏈系統軟件具有獨特的分布式系統，具有高剩余存儲，去中心化，不可偽造的特點，還具有安全性和隱私保護等明顯優勢，促進了區塊鏈技術的成功。它用于數據數字貨幣行業，并且在經濟發展，金融行業和社會發展系統軟件中也有通用應用程序領域。區塊鏈在金融業應用的５大場景。數字貨幣、跨境支付與結算、票據與供應鏈金融業務、證券發行與交易、客戶征信與反欺詐。其他行業也能用到區塊鏈技術。區塊鏈應用場景基本如下：數據存儲：區塊鏈的高冗余存儲量（每個連接點存儲一條數據），去中心化，高安全系數和隱私保護功能，特別適合于存儲和維護關鍵的隱私保護數據，以防止由于攻擊而集中大型數據丟失或由不合理的組織或管理權限引起的泄漏。在現階段，使用區塊鏈存儲個人健康數據（例如電子病歷，遺傳數據等）是一種主要應用，具有非常廣闊的市場前景。選舉投票：區塊鏈技術在政治事務中的代表性應用是投票。基于區塊鏈的特點，可以有效實現公司股東投票和政治選舉的應用；同時，區塊鏈還支持個人用戶對具體問題進行投票。例如，通過記錄用戶對特定事件是否發生的投票，區塊鏈可以應用于賭博、市場預測等場景REF_Ref10421\w\h[43]。資產管理:區塊鏈在資產管理領域的應用具有廣泛前景，能夠實現有形和無形資產的確權、授權和實時監控。對于無形資產來說，可以將區塊鏈技術應用于知識產權保護、域名管理、積分管理等領域；而對有形資產來說，能夠形成“數字智能資產”，實現基于區塊鏈的分布式資產授權和控制REF_Ref14722\w\h[3]。區塊鏈技術理論基礎分布式數據存儲區塊鏈技術的數據共享是一個分布式的記賬簿，交易記錄具備多個副本。分布式是一種特殊的系統結構，它由一組計算機節點組成，這些節點通過網絡進行通信，協調完成共同的任務。在區塊鏈，每一塊記錄的信息都是由參加記賬的每一臺計算機記錄的，沒有第三方平臺可以控制。密碼技術哈希函數哈希函數：可以將隨意的字符串轉算成較短的二進制值。在哈希算法的式子中，包含有輸入值和輸出值，因輸出值的長度影響，它通常還被成為消息摘要。其數學表示為：

Hm=H(x)在該數學公式中，對x做哈希算法的處理，所以x為輸入值，H為哈希函數，結果值Hm為長度為m的輸出消息。哈希函數的一般模型如圖2-4所示：壓縮函數壓縮函數格式化輸入X=x1x2...xn函數h2填充比特0或1重新按長度分組函數h1預處理迭代處理輸出Hm原始輸入Xxiyi哈希函數圖2-SEQ圖2-\*ARABIC4哈希函數的一般模型哈希函數具有單向不可逆的特點，可以根據輸入算得輸出，卻不能從輸出算得輸入。不同的輸入映射出的輸出結果是不同的，不會存在不同的輸入得到相同的輸出結果的情況。一般用于快速查找和加密算法。Merkle樹Merkle樹一種基于哈希運算的樹。在分布式的環境，Merkle樹廣泛應用于文件比較和驗證。同時可以減少計算資源的浪費。在區塊鏈的Merkle樹中，區塊鏈中的每個區塊都包含該區塊中記錄的所有交易。區塊鏈系統使用二叉樹類型的Merkle樹來歸納這些交易，并生成交易集的數字簽名，如圖2-5所示REF_Ref17254\w\h[1]：BlockHeader(BlockHash)BlockHeader(BlockHash)PrevHashNonceRootHashBlockHash0Hash23Hash01Hash3Hash1Hash2Tx0Tx1Tx2Tx3圖2-SEQ圖2-\*ARABIC5Merkle樹中的交易哈希非對稱加密技術非對稱加密是與區塊鏈系統深度融合的技術，主要是為保證區塊鏈系統的安全性。另外，在新交易生成后，非對稱加密技術還要應用于真實性的驗證。常用的算法有RSA、ElGamal、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法）等，非對稱加密在加解密過程中會使用到兩個非對稱密碼，分別稱為公鑰和私鑰。公鑰是公共的，私鑰是私有的。由私鑰加密的信息只能由相應的公鑰解密，由公鑰加密的信息只能由相應的私鑰解密即私鑰簽名，公鑰驗證。在比特幣系統中，私鑰通過橢圓曲線加密算法生成公鑰；交易信息必須具有正確的數字簽名以驗證交易的有效性。非對稱加密在區塊鏈中的一個應用是數字簽名，它主要是一種集成在區塊鏈中的加密技術，用于確保安全和驗證所有權。數字簽名REF_Ref9105\w\h[35]能夠通過對數據的加密和解密的過程，可以防止一些惡意節點對其的攻擊。另外還保證了數據的隱私性和對數據的保護作用。數字簽名的總過程有：首先要生成密鑰對，包括一對公鑰和私鑰，然后進行簽名過程，最后節點對其簽名信息進行驗證。公鑰對所有人都公開，私鑰與其相反，只能自己保密。公私鑰之間的關系是單向不可逆的REF_Ref9161\w\h[37]REF_Ref9233\w\h[38]，如圖2-6：圖2-SEQ圖2-\*ARABIC6公鑰和私鑰之間不可逆哈希函數哈希函數驗證簽名=？簽名Hash結果AHash(Data)DataA區塊頭Data區塊頭Data加密公鑰vkHash結果BHash(Data)Hash結果AHash(Data)B解密私鑰sk發送圖2-SEQ圖2-\*ARABIC7數字簽名及驗證過程第二步為簽名，簽名者用自己的私鑰對其消息簽名。然后將消息內容和自己的簽名廣播給其他的參與者。最后一步是對收到公布的簽名進行驗證。這個時候要用到簽名者的公鑰，驗證通過就將信息更新到系統中。圖2-7可以形象地描述具體簽名過程：網絡技術P2P網絡技術又稱為點對點技術，最大特征就是去中心化。P2P網絡中沒有中心服務器，而是依靠各個用戶相互傳遞信息和更新信息。可以看出，在P2P網絡中，每個節點都可以向其他節點傳遞信息，沒有誰服從于誰的概念。服務分散在各個節點上進行，因此P2P網絡具有抗攻擊和高容錯的優點，如果網絡中的個別節點被破壞，對整個網絡系統是無礙的。P2P主要存在四種不同的網絡模型，不同類型區塊鏈的P2P網絡，只是使用的網絡模型不同。共識機制工作量證明（ProofofWord，POW）工作量證明（POW）是一種計算力決定區塊記賬權的共識機制作為區塊鏈中最基本的共識算法。發送者通過一些計算過程，求得隨機數，通過哈希算法得到區塊的哈希值，然后才能把一個交易信息封裝到區塊中。可以看出，這個過程所花費的時間主要取決于節點的計算能力。計算力越高，權益卻大。哪個節點先求得滿足條件的隨機值，并完成相關計算，該節點便獲得了區塊鏈的記賬權。接著在網絡中廣播自己已經找到的消息，其他節點根據自己計算的值對結果進行驗證，被一定數量的節點參與者驗證通過后，發送者就能將交易區塊鏈接到自己的區塊鏈上。若沒有通過驗證，則不能進行相應鏈接。與其他機制進行對比，POW具有分散、去中心的優勢，缺點是計算力的花費較大。權益證明機制（ProofofStake，POS）權益證明機制（POS）是一種由權益決定記賬權的共識機制。POS是要求節點提供一定數量的占有份額證明，簡單理解就是想要生產出新區塊，得有更多的占有額。權益最高的節點對新區塊的產生具有決定性作用，體現了權益的所有者更樂于維護系統的一致性和安全性。系統還會根據用戶代幣的持有數量和持有時間分配相應的權限。PoS體節點的挖礦難度由擁有代幣的比例和時間決定。因此節點找到隨機數的效率提高，避免了類似POW資源浪費的情況。股份授權證明機制(DPS)股份授權證明機制(DPS)是一種根據權益約定權利的共識算法。DPoS是基于PoS實現，先通過權益來選出多個區塊生產者，然后由生產者輪流生產出區塊。基于DPoS的區塊鏈中，全體節點投票選舉出節點代表，由節點代表驗證和記賬，同時全體節點可以選擇隨時罷免和重新任命新的節點代表。DPoS大幅度提升了選舉效率，性能得到了提升。缺點去中心化的程度較低。實用拜占庭共識算法(PBFT)實用拜占庭共識算法(PBFT)是一種基于狀態機副本復制的共識算法。當數據真實性檢驗在網絡中的多數節點中都實現時，各節點之間達成一致，實現同步更新。一般來說，多數節點指的是網絡中的大于3分之2的節點。因此適用于交易容量不大的應用環境。雖然他的中心化程度不及PoW，但PBFT也有一定的優點，比如它可以在一定程度上抑制硬件發生錯誤，另外，還可以預防惡意節點的攻擊。時間戳服務時間戳具有時序性，所以區塊鏈上各區塊是按照時間順序依次排列的。獲得了記賬權的礦工要在當前的區塊中寫入該區塊數據的寫入時間，也就是該區塊的時間戳。首個礦工求得隨機數時，就在區塊中寫入時間戳。然后該礦工需要在網絡中向所有節點廣播這個隨機數和時間戳。區塊鏈中相鄰的兩區塊間，前一個區塊中數據的哈希值就會傳送到它的后一個區塊中，這也是區塊鏈之所以能前后鏈接起來的原因。因為時間具有唯一性，交易也有唯一性，從而可以讓區塊鏈網絡明確地完成數據真實性檢驗，讓雙花問題迎刃而解。

區塊鏈技術原理演示系統的設計區塊鏈的塊結構設計數據真實性驗證區塊鏈系統中使用數字簽名來實現節點的真實性身份驗證。數字簽名需要一對公鑰和私鑰。Merkle樹用于驗證塊中的唯一交易。如果事務數據的任何內容稍有變化，哈希序列就會發生很大變化。用戶可以通過Merkle根哈希值的變化狀態來跟蹤區塊鏈中區塊中的交易信息的變化狀態，因此可以起到對數據變化溯源的效果。時間戳證明了某些數據在對應時間下的信息，并且在該時間之后沒有發生變化。本系統的設計在數據真實性驗證方面采用了數字簽名的方式。網絡中的每個節點都有自己的私鑰、公鑰和其他節點的公鑰。所有者需要使用其私鑰生成簽名附在新區塊后面。簽名是通過數據名稱、IP地址、端口號的數據信息與私鑰共同生成。新的交易數據存儲到新區塊中之前，礦工檢查發起一次交易廣播的發送者提供的私鑰簽名是否與它自己的公鑰（sender_address）簽名的交易相對應。如果簽名驗證結果為真，則將此次交易添加到待完成交易列表中，此交易將等待寫入下一次新產生的一個區塊中。由于簽名是由發送者的私鑰，當簽名被發送給多個偽造節點時，誠實節點利用偽造節點的公鑰對簽名進行解密，結果是錯誤的，有效地防止了單個節點具有多個身份。塊結構設計在每個新的區塊中，包含了以下信息：'block_number'：當前區塊編號，即區塊鏈的順序號，也就是鏈上的第幾塊區塊；'timestamp'：生成此塊（應當是將交易信息寫入此塊）的時間戳；'transactions':所有寫入到當前區塊的交易信息；'nonce':隨機值。礦工通過挖礦過程即工作量證明算法得到的隨機值，該值可以證明當前區塊的合法性；'previous_hash':在當前區塊添加到區塊鏈之前，處于區塊鏈末端的區塊的哈希值，也是當前區塊的父區塊哈希值，該哈希值證明了當前區塊的父區塊的位置，也起到了兩個區塊之間的鏈接作用。具體定義如圖3-1。（使用的是Python語言）block={'block_number':len(self.chain)+1,'timestamp':time(),'transactions':self.transactions,'nonce':nonce,'previous_hash':previous_hash}的作用）圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1塊結構設計區塊鏈的鏈結構設計區塊鏈網絡運行過程區塊鏈網絡運行過程（區塊的產生過程），中本聰在其比特幣白皮書中非常詳細地介紹了區塊鏈系統的建立過程REF_Ref17254\w\h[1]：步驟1：將新交易廣播到整個網絡中的所有節點；步驟2：每個節點將接收到的交易寫入一個塊；步驟3：每個節點對新塊進行計算以找到證明解；步驟4：當一個節點找到證明解時，它向整個網絡廣播；步驟5：接收到廣播塊后，其他節點進行驗證。只有在所有交易都被驗證為有效且未使用之后，才能識別該塊；步驟6：每個節點通過將該塊的哈希值作為父哈希值來計算下一個塊，這表示節點識別該塊的有效性。鏈結構設計在了解區塊鏈網絡運行過程的基礎上，可以得到區塊鏈的結構如下圖3-2。當網絡中的節點通過對交易信息的真實性驗證之后，該條交易信息才會被寫入到一個塊中。一旦該交易信息被寫入，就不能再被變更。工作量證明機制的底層意思為是一個節點一票，節點通過計算隨機數來競爭記賬權。工作量證明機制在網絡中的使用讓區塊鏈的安全性得以實現。首先，得到記賬權的節點可以得到獎勵。另外，區塊鏈中的所有節點都遵循工作量證明機制，長此以往，系統的維穩變得容易。區塊頭區塊頭區塊體（交易記錄）區塊頭區塊體（交易記錄）區塊頭block_numbertimestampnonceprevious_hash區塊體transactions圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2鏈結構設計系統總設計及運行流程圖總體設計架構本系統以區塊鏈為核心，設計基于區塊鏈、共識協議、去中心化、加密簽名的功能實現架構。總體設計架構涉及本地數據存儲設備，搭建了完整的區塊鏈，實現了公鑰、私鑰生成器、生成交易、挖礦和查看區塊鏈中的交易等四個功能。總設計如下圖3-3所示：應用公鑰、私鑰生成器挖礦查看區塊鏈中的交易生成交易數據服務本地數據庫區塊鏈協議應用公鑰、私鑰生成器挖礦查看區塊鏈中的交易生成交易數據服務本地數據庫區塊鏈協議加密簽名分布式算法共識協議數據存儲系統運行流程圖本系統的四個功能分別在兩個web頁面上實現，其中普通用戶使用的客戶端可以實現兩個功能分別為公鑰、私鑰生成器和生成交易的功能，礦工使用的客戶端可以實現挖礦和查看區塊鏈中的交易功能，運行流程如圖3-4所示：開始開始進入系統礦工用戶挖礦查看區塊鏈中的交易普通用戶公鑰、私鑰生成器生成交易退出系統結束圖3-SEQ圖3-\*ARABIC4系統運行流程圖Python語言介紹本系統的邏輯結構采用Python語言完成。Python是面向對象的編程語言。Python代碼具有良好的可讀性和數據類型，以及解釋型語言的特質。另外，Python版本更新較快，功能也在不斷地優化。因此，更多人愿意用它去開發大型項目。Python這門計算機編程語言有很多的優點：易學、易讀、易維護：風格清晰劃一、強制縮進、運行速度非常快。最重要的是Python有豐富的庫：Python標準庫很強大。其中包含的庫可以實現很多功能，包括Python爬蟲時要用到的正則化。它還可以連接到很多通用數據庫。還有本文用到的HTML、Flask輕型框架，可以很容易實現端點到Python函數的映射。這被稱作Python的“功能齊全”理念。除了標準庫以外，還有許多三方庫的使用。本文用到了很多可以幫助實現區塊鏈演示系統功能的庫，例如：Crypto、binascii、hashlib、json、requests等。

區塊鏈技術原理演示系統的實現系統開發的環境配置系統開發和運行的軟硬件環境實驗的硬件環境是Intel(R)Core(TM)i5-7200UCPU(2.50GHz)，RAM為4GB，軟件環境是64位Windows10的操作系統。本系統是基于區塊鏈技術原理搭建的演示系統，在系統內部實現了四個功能，分別是挖礦功能、公、私鑰生成器、生成交易功能和查看區塊鏈中的交易功能。編程語言的使用本系統選擇后端使用Python編程語言，前端Web頁面使用Html+CSS+JavaScript來完成系統的搭建。Python是使用廣泛的主流編譯語言，具有良好的跨平臺性，其中的Flask框架，是一個輕型框架，可以很容易實現端點到Python函數的映射。在Flask框架的幫助下，使用者就可以使用HTTP請求通過網頁訪問我們的區塊鏈啦。另外還支持hashlib、json、uuid、time、binascii、Crypto等庫，給系統的搭建帶來很大便利。JavaScript是一種輕量級、解釋性的編程語言，具有函數優先級。它被稱為開發網頁的腳本語言。它主要用于向HTML添加交互行為。HTML是超文本標記語言。它的作用是建立多層次的標簽內容，將零散的組件構建到一起，讓原本空白的web頁面中展現多層次的內容，是網頁生成的基本架構。為了增強HTML頁面的美觀性和實用性，本系統采用了CSS來對其頁面進行布局和修飾。CSS首先可以修飾靜態的web頁面，設置其邊框顏色和間距等等，另一方面還能動態地對網頁頁面進行格式化處理。它可以非常精確地控制網頁中的布局，最重要的是網頁中的對象和模型樣式都可以通過他來美化設計。標準庫及三方庫的使用本系統主要使用了Python語言的標準庫和三方庫，如下圖4-1所示：fromcollectionsimportOrderedDictimportbinasciiimportCryptoimportCrypto.RandomfromCrypto.HashimportSHAfromCrypto.PublicKeyimportRSAfromCrypto.SignatureimportPKCS1_v1_5importhashlibimportjsonfromtimeimporttimefromurllib.parseimporturlparsefromuuidimportuuid4importrequestsfromflaskimportFlask,jsonify,request,rend圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1標準庫及三方庫的使用系統的功能實現查看區塊鏈中的交易功能的實現register_node()函數:向節點列表添加新區塊鏈節點。如圖4-2所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2register_node(node_url)create_block函數:區塊鏈添加交易區塊。如圖4-3所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3create_block()valid_chain函數：檢查區塊鏈是否合法。從區塊鏈的頭部取塊，表明要對區塊鏈上的相鄰鏈接著的區塊鏈之間的鏈接關系進行驗證。while循環就是為了檢查鏈上每一個區塊與其連接的前一個區塊是否合法相關，通過塊的哈希和工作量證明來檢查。如圖4-4所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4valid_chain(chain)前端頁面的核心代碼如圖4-5所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC5查看區塊鏈中的交易功能的前端頁面核心代碼實現的界面如圖4-6所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC6查看區塊鏈中的交易功能界面挖礦功能的實現挖礦功能部分主要包含以下幾個函數：verify_transaction_signature函數：檢查所提供的簽名是否與公鑰（sender_address）生成的交易簽名相符。實現思路為：①得到發送者的公鑰②將發送者的公鑰進行一定算法的計算③將發送者所廣播信息中的簽名部分與公鑰進行驗證，以證明數字簽名的真實性。如圖4-7所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC7verify_transaction_signature()proof_of_work()：工作量證明算法。尋找滿足挖礦條件的隨機值。通過while循環來從0開始，每次增加1，對隨機值進行循環疊加，直至找到一個符合算法要求的隨機值，如圖4-8所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC8proof_of_work()valid_proof函數:驗證hash值是否滿足挖礦條件。這個函數用于proof_of_work()函數的內部。第一步先將參數nonce隨機值進行運算，將其轉換為utf-8格式的字符串，再用SHA256算法對該字符串進行加密，轉換為十六進制的字符串。驗證該字符串是否符合難度目標，如果符合，返回True，反之返回False，如圖4-9所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC9proof_of_work()mine()：實現挖礦。先取出位于區塊鏈末端的區塊，并對其求哈希值，然后獲得了一個可以挖出下一個區塊的工作量證明的nonce值，接著將新塊添加到鏈中打造新的區塊，再取出剛剛得到的末端區塊的哈希值，用作要新加入區塊的父區塊哈希值用于鏈接，最后將新區快添加到區塊鏈末端。如圖4-10所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC10mine()前端頁面的核心代碼如圖4-11所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC11挖礦功能的前端頁面核心代碼實現的界面如圖4-12所示圖4-SEQ圖4-\*ARABIC12挖礦功能界面公鑰、私鑰生成器的實現先生成隨機的字符串，然后對該字符串生成私鑰，再用相對應的算法利用私鑰生成對應的公鑰，代碼如圖4-13所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC13私鑰、公鑰的生成函數前端頁面的核心代碼如圖4-14所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC14公鑰、私鑰生成器的前端頁面核心代碼實現界面如圖4-15所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC15公鑰、私鑰生成器的界面生成交易功能的實現生成交易功能主要包括以下幾個函數：generate_transaction()，生成交易的函數。sender_address為發送者用戶公鑰，sender_private_key為發送者用戶私鑰，recipient_address為接收者公鑰，value為本次交易要發送的代幣數量，接著生成一個交易類的實例對象，最后將廣播本次交易的所有信息封裝為字典。代碼如圖4-16所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC16生成交易的函數verify_transaction_signature函數:檢查所提供的簽名是否與公鑰（sender_address）生成的交易簽名相符。實現的思路為：①首先得到發送者的公鑰②對發送者的公鑰進行算法處理③將廣播信息中的簽名與公鑰進行驗證，來證明簽名的真實性。如圖4-17所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC17verify_transaction_signature()submit_transaction函數：數據真實性驗證的函數。如圖4-18所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC18submit_transaction()前端頁面的核心代碼如圖4-19所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC19生成交易功能的前端頁面核心代碼實現的界面如圖4-20所示：圖4-SEQ圖4-\*ARABIC20生成交易功能的界面

總結和展望總結信息共享、交流和開放，是大數據時代的一個重要標志。在此基礎上，區塊鏈實現了分布式數據存儲的技術，受到了來自學術領域、金融領域、商業領域等多領域人士的關注。本文探討了區塊鏈的應用和發展趨勢，就區塊鏈技術進行了詳細的介紹，包括區塊鏈的核心技術和運行原理，核心技術包括分布式數據存儲、密碼技術、網絡技術、共識機制、時間戳服務等，并在此基礎上，設計了區塊鏈的塊結構和鏈結構，實現了一款針對于理解區塊鏈技術原理的演示系統，在Web頁面上實現了區塊鏈技術的核心功能包括查看區塊鏈中的交易功能、挖礦功能、公鑰私鑰生成器功能和生成交易功能。該系統設計的目的旨在提高學生學習區塊鏈技術的積極性和創造性，增強動手能力，真正感受和理解區塊鏈的網絡運行過程及原理，也能提高大眾對區塊鏈知識的學習興趣和熱情，更有效的理解區塊鏈技術的相關原理，更好地實現區塊鏈技術普及的廣泛性，實現社會信息資源共享和更新。不足與展望科技不斷進步，許多新興技術正在不斷展現不可替代的一面。現如今，大數據相關技術為社會發展起了很大的推動作用。本文研究的內容主要圍繞區塊鏈技術原理，搭建了一個針對于演示區塊鏈技術原理的演示系統。盡管本文中設計的各個功能模塊都已實現，但仍然存在一些問題需要進行改進，對于所搭建的演示系統進一步展望如下：首先，本演示系統的功能實現還比較單一，區塊鏈還有許多核心技術有待挖掘和深入學習，例如分布式的區塊鏈、代幣等功能。在未來的工作，希望可以搭建更多的功能模塊和利用區塊鏈的特有特點來衍生出更強大功能來應用于實際生活中，例如基于區塊鏈的共享數據系統等。其次，實驗規模較小。本文的系統模擬了小規模的節點和交易，區塊鏈中的區塊數量也是有限制的。希望在未來的工作中，可以構建設計一個可以存儲更多數據和交易，實現大規模節點之間工作的系統。被更多人熟知和學習使用，擁有良好的性能和擴展性。

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