《信息技術與人工智能》第十章區塊鏈技術及應用第10章區塊鏈技術及應用目錄認識區塊鏈1區塊鏈關鍵技術2區塊鏈典型應用與發展趨勢3第10章區塊鏈技術及應用目錄認識區塊鏈1區塊鏈關鍵技術2區塊鏈典型應用與發展趨勢3什么是區塊鏈？區塊鏈的發展歷史？區塊鏈有哪些特點？問題引入區塊鏈的概念工信部指導發布的《區塊鏈技術和應用發展白皮書2016》中指出，狹義來講，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義來講，區塊鏈技術是利用塊鏈式結構來驗證數據和存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全性、利用自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構和計算范式。任務10.1認識區塊鏈比特幣的誕生2008年11月，一位化名“中本聰”(SatoshiNakamoto)的人，在密碼論壇上發表了一篇名《比特幣：一種點對點的電子現金系統》(Bitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem)的論文，該文重點討論比特幣系統，區塊鏈技術在論文中被首次提出，區塊鏈被描述為用于記錄比特幣交易的賬目歷史，是一種由密碼學支撐、按照時間順序存儲的分布式共享數據賬本。區塊鏈的發展歷史區塊鏈1.0區塊鏈2.0區塊鏈3.0以比特幣為代表的數字貨幣的階段引入智能合約的可編程階段多領域深入融合的價值互聯網階段區塊鏈的發展歷史區塊鏈的特點分析去中心化透明性自治性可追溯性準匿名不可篡改性公有區塊鏈A網絡中的節點可任意接入，網絡中數據讀寫權限不受限制，任何人都能參與共識過程，比特幣屬于典型的公有鏈。私有區塊鏈B共識機制、驗證、讀取等行為被限定在一個范圍內，由一個實體控制，僅對實體內部開放。聯盟區塊鏈C介于公有鏈和私有鏈之間，更符合大部分行業場景，適度對外開放。區塊鏈的模式類型（1）雙擊桌面上的IE瀏覽器或Google瀏覽器圖標，打開百度搜索。（2）在搜索欄中輸入“區塊鏈site:”，然后按回車鍵，檢索國家官方網站關于“區塊鏈”相關的技術資訊，進一步深入理解區塊鏈。（3）通過瀏覽器訪問阿里云官方網站，了解阿里云提供的區塊鏈服務/product/baas?spm=5176.10695662.J_3717714080.1.2801688eUCO9eF。（4）通過訪問阿里官方文檔可以進一步了解“螞蟻區塊鏈”中聯盟鏈的創建和管理，/document_detail/134838.html?spm=a2c4g.11186623.6.603.558944f5XyyCUl。任務：網絡檢索區塊鏈技術學生練習小結區塊鏈的概念區塊鏈的發展歷史:

區塊鏈1.0

區塊鏈2.0

區塊鏈3.0區塊鏈的特點：去中心化、透明性、自治性、不可篡改性、準匿名、可追溯性區塊鏈模式類型：公有鏈、私有鏈、聯盟鏈小結第10章區塊鏈技術及應用目錄認識區塊鏈1區塊鏈關鍵技術2區塊鏈典型應用與發展趨勢3區塊鏈系統框架任務10.2區塊鏈關鍵技術合約層應用層激勵層共識層網絡層可編程貨幣數據層腳本代碼智能合約算法機制發行機制分配機制POWPOSDPOSP2P傳播機制驗證機制數據區塊鏈式結構哈希函數時間戳非對稱加密Merkle樹可編程金融可編程社會ⅡⅡ數據層數據區塊鏈式結構哈希函數時間戳非對稱加密Merkle樹區塊鏈系統框架數據層區塊鏈的核心部分，從創造至今一直在添加新的區塊，構成了越來越復雜的鏈式結構，包含了各種各樣的數據，最常見的就是哈希值、隨機數以及交易信息等。區塊鏈系統框架網絡層網絡層封裝了區塊鏈的組網方式、消息傳播協議和數據驗證機制等要素。網絡層的設計是為了保證區塊鏈中各個節點間的通信，通過特定的協議和機制，使得每個節點都能參與記賬和數據校驗等。同時保證數據區塊是經過大部分節點驗證后才記入區塊鏈中的。網絡層P2P傳播機制驗證機制區塊鏈系統框架共識層封裝了各種共識算法，例如PoW、PoS、DPoS等。區塊鏈架構是一個分布式的架構，區塊鏈共識技術的優勢之一是在去中心化的系統中使節點間對區塊數據的有效性保持一致。共識層POWPOSDPOS區塊鏈系統框架激勵層激勵層將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中，區塊鏈的運行與安全性依靠眾多節點的參與，激勵層的目的是提供一定的激勵措施鼓勵節點參與區塊鏈的日常運作以及共識驗證工作。如數字貨幣等區塊鏈一般會用特定數量的貨幣獎勵給區塊創建者。激勵層發行機制分配機制區塊鏈系統框架合約層合約層是區塊鏈2.0新出現的拓展架構，但卻是區塊鏈延伸各種應用功能的必要支撐，合約層的出現極大的提升了區塊鏈的可拓展性。作為區塊鏈2.0的重要標志，合約層由合約虛擬機與智能合約兩部分組成。合約層腳本代碼智能合約算法機制區塊鏈系統框架應用層應用層也是區塊鏈的業務層，封裝了區塊鏈的各種功能業務與各個行業的應用場景。該層是在區塊鏈3.0時期發展最快的區塊鏈架構，其涵蓋的應用場景不再僅限于數字貨幣和金融領域，區塊鏈在醫療、科學、政府和工業等領域都迎來了重大的發展機遇。應用層可編程貨幣可編程金融可編程社會版本號前一區塊Hash區塊鏈系統框架數據區塊結構區塊頭中包括當前區塊的版本號、時間戳、當前區塊的隨機數、Merkle根信息，以及前一區塊的哈希值和本區塊的哈希值等。區塊體中主要包括交易計數和交易詳情的交易列表。區塊體附加在區塊頭后面，區塊體中的Merkle樹會對記錄的各個交易進行簽名，來保證交易的不可偽造性，同時通過Merkle樹的哈希值計算過程產生唯一的Merkle根，Merkle根記錄在數據區塊的區塊頭中，使區塊頭能夠體現區塊所包含的所有交易。前一區塊后一區塊區塊頭版本號前一區塊Hash本區塊Hash時間戳隨機數Merkle根區塊體交易數量交易1交易2交易3交易4Hash1Hash2Hash3Hash4Hash12Hash34Hash1234區塊鏈系統框架鏈式結構新產生的區塊與區塊主鏈上的最末端區塊連接，形成從創世區塊到當前區塊的一條區塊鏈，這條區塊鏈記錄了所有的交易數據，使得在該條區塊鏈之上的所有數據歷史都可以被追溯和查詢。前一區塊Hash隨機數用于實現區塊的鏈接用于實現挖礦機制交易信息交易1交易2ⅡⅡ前一區塊Hash隨機數用于實現區塊的鏈接用于實現挖礦機制交易信息交易1交易2ⅡⅡ任務：區塊鏈結構編碼（1）將“第10章\任務10.2區塊鏈關鍵技術\素材\blockchain-demo工程”導入eclipse開發環境。（2）查看Block.java中定義的示例區塊結構。（3）運行blockchain-demo工程，查看前三個初始區塊的創建內容輸出示例。學生練習任務：區塊鏈結構編碼學生練習密碼學技術哈希函數哈希函數也稱散列函數，是一種單向密碼體制，即一個明文到密文的不可逆映射。哈希函數能夠將任意長度的輸入映射成固定長度的輸出，即哈希值(散列值)。公鑰密碼算法公鑰密碼算法，也稱雙密鑰密碼算法或非對稱密碼算法。該算法使用兩個不同的密鑰，即公鑰和私鑰。公鑰指公開的密鑰，私鑰指非公開、私有的密鑰。通常情況下，發送者通過公鑰對信息進行加密，接收方通過私鑰對收到的信息進行解密。數字簽名技術又稱公鑰數字簽名，是只有信息的發送者才能產生的別人無法偽造的一段數字串，這段數字串同時也是對信息的發送者發送信息真實性的一個有效證明。數字簽名是非對稱密鑰加密技術與數字摘要技術的應用。任務：Hash函數調用編碼（1）在eclipse中打開“第10章\任務10.2區塊鏈關鍵技術\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Sha.java中定義SHA-256的調用示例。（3）運行查看每個區塊SHA-256計算輸出。學生練習任務：Hash函數調用編碼學生練習小結區塊鏈的鏈式結構區塊鏈的密碼學知識:

哈希函數

公鑰密碼

數字簽名小結第10章區塊鏈技術及應用目錄認識區塊鏈1區塊鏈關鍵技術2區塊鏈典型應用與發展趨勢3共識機制常用共識機制PoW（工作量證明機制）PoS（權益證明機制）DPoS（股份授權證明機制）共識機制PoW工作量證明簡單的說，工作量證明機制就是節點使用算力資源多少的證明。參與挖礦的節點耗費算力越多，獲取記賬權的概率就越大，即根據節點的工作量分配記賬權。PoW共識機制挖礦就是通過算力資源，計算出一個符合規則的隨機數，即可獲取記賬權。共識機制PoS權益證明PoS共識機制中還引入了“幣齡”的概念。幣齡是指貨幣數量與貨幣持有時間的乘積。如Alice向Bob發送了55個貨幣，Bob持有了這些貨幣5天的時間，則Bob收集到5×55=275的幣齡；如果Bob隨后花費了這些貨幣，則系統會認定Bob收集到的幣齡已被“消費”。此時，根據PoS共識機制，Bob創建新區塊的能力也就歸零了。顯然，權益證明的理念是新區塊的創建應該由具有經濟權益的用戶決定。共識機制DPoS授權股權證明DPoS共識機制實質上是一種代議制共識，通過投票機制將所有用戶的權力集中到了少數人手中，形成一種有約束的中心化，這種中心化會大大加快交易的確認速度，確認時間縮短到秒級。但與中心化系統的弊端類似，記賬權利一旦集中，就不得不提防獲得代表權的用戶是否會為了自身利益而損害系統的公平公正，降低了信任基礎。任務：PoW挖礦編碼示例（1）在eclipse中打開“第10章\任務10.2區塊鏈關鍵技術\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Block.java中定義mineBlock函數，該函數屬于PoW共識的一個挖礦示例，根據定義的哈希值前導0值個數，進行挖礦。（3）運行main函數，查看挖礦的示例結果。學生練習任務：PoW挖礦編碼示例學生練習智能合約智能合約作為區塊鏈技術的核心架構之一，是一種可由事件驅動的、具有狀態、運行在區塊鏈系統上的計算機程序，以數字化方式傳播、驗證或執行合同，進而控制和管理區塊鏈上的智能資產。在區塊鏈技術中，智能合約可以看作一種嵌入式程序，能夠內置于數據區塊中，形成可編程控制的數字化系統。在部署智能合約之前，會預先設定好與合約有關的所有條款的邏輯流程，當預先編程好的條件被觸發時，智能合約便會自動執行相應的合同條款，用戶于智能合約的交互行為都要嚴格遵守此前指制定的邏輯流程，以防止出現違約行為。智能合約智能合約構建、執行步驟合約制定合約傳播自動執行智能合約智能合約特點高效實時更新準確執行較低人為干預風險去中心化權威較低的運營成本任務：編寫helloWorld智能合約（1）雙擊桌面上的IE瀏覽器或Google瀏覽器圖標，打開瀏覽器窗口。（2）在瀏覽器地址欄中單擊，輸入地址信息：，然后按回車鍵，進入Remix，它是一個基于瀏覽器的SolidityIDE，支持編寫、測試和部署智能合約。學生練習任務：編寫helloWorld智能合約（3）單擊【Workspace】旁的按鈕，打開創建工作項目頁面，在輸入框中輸入項目名稱“workspace_helloContract”，點擊【OK】。（4）單擊【contracts】文件夾，選中該文件夾，然后單擊其上方的新建文件按鈕，并在輸入新文件的名稱“helloContract”，按回車鍵。學生練習任務：編寫helloWorld智能合約（5）在文件“helloContract”中輸入示例代碼。（6）點擊右側的【Soliditycompiler】按鈕，配置其中的編譯器版本、語言、EVM版本等信息，然后點擊，編譯helloWorld智能合約。（7）點擊右側的【Deploy&Runtrasactions】按鈕，選擇運行環境【JavaScriptVM】，然后點擊【Deploy】按鈕，運行helloWorld智能合約，在運行結果提示框內會出現運行成功的提示，點擊運行結果，可以查看詳情。學生練習小結區塊鏈的共識機制:PoWPoSDPoS區塊鏈智能合約小結第10章區塊鏈技術及應用目錄認識區塊鏈1區塊鏈關鍵技術2區塊鏈典型應用與發展趨勢3區塊鏈與金融區塊鏈與電子發票區塊鏈與版權保護區塊鏈與在線教育任務10.3區塊鏈典型應用區塊鏈與金融區塊鏈+金融區塊鏈技術在金融領域的應用被叫做區塊鏈金融，而區塊鏈金融企業是指開發和應用區塊鏈技術的金融企業，具有代表性的企業有平安集團的金融壹賬通、京東集團的京東科技和騰訊的騰訊微眾銀行等。區塊鏈+電子發票基于區塊鏈的電子發票通過構建基于區塊鏈技術的電子發票云平臺，可以充分發揮區塊鏈去中心化、共識算法、分布式廣播的特點。這將有利于解決電子發票應用生態存在的痛點：利用區塊鏈技術去中心化特點實現基于區塊鏈網絡中的分布式存儲，通過廣大節點的共識加密和算法來保證數據可信流轉、一致性和不可篡改；采用由所有節點共同維護的公共賬本來解決電子發票的重復報銷、重復入賬問題以及數據不一致的問題；電子發票涉及開票方、受票方和消費者，利用區塊鏈分布式網絡的傳播，避免電子發票數據的不一致、防止數據的篡改，提高數據的準確性和效率問題。區塊鏈與電子發票效率低：由于受到技術限制，傳統版權登記的周期太長，官方的審核一般需要20個工作日，無法滿足網絡時代作品“產量多、傳播快”的特點。收費高：版權登記的價格偏高，通常登記單件作品的市場價格約為500元。維權難：平臺投訴手續復雜，法律訴訟成本高，導致大多數原創者因此選擇保持沉默，任由權利被侵犯。區塊鏈+版權保護傳統版權所面臨的痛點區塊鏈與版權保護區塊鏈技術是一種去中心化、由多方共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠實現數據一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術。因鏈上數據具備上述特性，區塊鏈技術在版權資產管理領域的應用一直是主要探索方向之一，尤其是鏈上數據電子存證，被普遍期待用以解決版權確權存證可信度低、維權溯源舉證難的問