《区块链技术原理》教案讲义

(Excellenthandouttrainingtemplate) 区块链技术原理 一、区块链简介 区块链技术是构建比特币区块链网络和交易信息加密传输的基础技术。 它基于密码学而不是信用的原理，使得任何达成协议的双方都可以直接支付而无需第三方中介的参与。 几乎所有的互联网交易都需要借助可靠的第三方信用机构来处理电子支付信息。 此类系统本质上仍然受制于“基于信用的模型”。 背景一、区块链简介区块链是一种分布式账本，是一种通过去中心化和去信任化来集体维护可靠数据库的技术方案。 定义 从数据的角度来看，区块链是一个几乎不可能改变的分布式数据库。 这里的“分布式”不仅体现在数据的分布式存储上，还体现在数据的分布式记录上。 由系统参与者共同维护）。 从技术角度来看，区块链不是单一的技术，而是多种技术融合的结果。 这些技术以新的结构组合在一起，形成了一种记录、存储和表达数据的新方式。 一、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》等先后报道区块链技术将影响世界。 初创公司R3已与全球42家顶级银行建立区块链联盟，包括摩根大通、美国银行、汇丰银行、花旗银行、富国银行、三菱日联金融集团、巴克莱银行、高盛银行、德意志银行等。活跃目录 区块链简介 1 特点和分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 前景 有一个中心化的设施和管理机构。 节点之间的数据交换通过数字签名技术进行验证，没有相互信任，只要按照系统既定的规则进行，节点就不能也不能欺骗其他节点。 开放、共识 任何人都可以参与区块链网络，每个设备都可以作为一个节点，每个节点都可以获取数据库的完整副本。 基于一套共识机制，节点通过竞争计算共同维护整个区块链。 如果任何一个节点发生故障，其余节点仍然可以正常工作。 2.特征和分类特征不可用

篡改可追溯。 单个甚至多个节点对数据库的修改不会影响其他节点的数据库，除非能控制全网51%以上的节点同时修改，这几乎不可能发生。 区块链中的每一笔交易都通过密码学的方式与相邻的两个区块串联起来，因此可以追溯到任何一笔交易的过去和现在。 交易透明，双方匿名区块链的运行规则公开透明，所有数据信息也公开，所以每一笔交易对所有节点都是可见的。 由于节点之间没有信任，节点之间不需要公开身份，每个参与的节点都是匿名的。 2. 特点及分类 联盟链由多个组织共同发起，介于公有链和私有链之间，具有部分去中心化的特点。 私有链建立在企业内部比特币产量限定的原理是什么，根据企业的要求制定系统的运行规则。 修改甚至读取权限仅限于少数节点，同时仍保留区块链的真实性和部分去中心化。 公链没有官方组织和管理机构，没有中心服务器，参与节点按照系统规则自由接入网络，不受控制。 节点基于共识机制工作。 目录 区块链简介 1 特点与分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 展望 63. 区块链网络科普 数字签名 数字签名涉及哈希函数、发送方公钥、发送方私钥。 数字签名有两个功能。 一是确认消息确实由发件人签名和发送。 其次，数字签名可以确定消息的完整性。 工作原理 发送消息时，发送方使用哈希函数从消息正文中生成消息摘要，然后用自己的私钥对摘要进行加密。 加密后的摘要将作为消息的数字签名与消息一起发送给接收方，接收方首先使用与发送方相同的哈希函数从接收到的原始消息中计算出消息摘要，然后使用发送方的公开密钥解密附加在消息上的数字签名，如果两个摘要相同，接收方可以确认数字签名属于发送方。 3、区块链网络科学 SHA256是一种针对Hash值的加密算法。 工作原理 将任意一串数据输入SHA256，都会得到一个256位的Hash值（散列值）。 其特点：相同的数据输入会得到相同的结果，输入的数据只需要稍作改变

（比如一个1变成0），你会得到一个很不一样的结果，这个结果是无法提前预测的。 正向计算（从数据中计算出对应的Hash值）非常容易。 逆向计算（俗称“破解”，即从Hash值计算出对应的数据）难度极大，在目前的技术条件下被认为是不可能的。 3、区块链网络MerkleTree是一棵哈希二叉树，可以快速验证大规模数据的完整性。 在比特币网络中，默克尔树用于汇总一个区块内的所有交易信息，最终生成一个区块内所有交易信息的统一哈希值。 区块中交易信息的任何变化都会使 Merkle 树发生变化。 科普的工作原理是通过组合该节点的所有子节点来计算非叶子节点的值，然后对组合结果进行哈希计算，得到哈希值。 3、区块链网络时间戳服务器多用于比对和验证处理。 时间戳服务器是基于PKI（Public Key Cryptography Infrastructure）技术的权威时间戳系统，对外提供准确、可信的时间戳服务。 . 采用精确的时间源和高强度、高标准的安全机制，确认系统处理数据在某一时刻的存在性以及相关操作的相对时间顺序，为信息系统时间抗抵赖提供基础服务。 科普3. 区块链网络节点网络本章后续内容基于比特币网络的特点。 3、区块链网络节点网络中的任何一台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以下功能： 钱包，允许用户在区块链网络上进行交易。 完整的区块链记录所有的交易历史，通过特殊的结构保证历史交易的安全性，并用于验证新交易的合法性。 矿工，通过记录交易和破译数学问题来生成新的区块。 如果成功，您可以获得奖励。 路由功能可以将其他节点传输的交易数据和其他信息传输到更多的节点。 除了路由功能外，其他功能都不需要。 3. 区块链网络交易流程 3. 区块链网络交易流程 Step 2：A向全网广播交易指令，将比特币发送给B，各节点将收到的交易信息合并到一个区块Step 1中：所有者A使用他的私钥来验证之前的交易（

Source of Bitcoin) 和下一个拥有者 B 签署一个数字签名，并将这个签名附加到货币的末尾，以制作交易单。 要点：B使用公钥作为接收方地址。 比特币会立即出现在比特币钱包中，但只有在区块确认成功后才能使用。 目前，一个比特币从支付到最终确认成功，需要经过6个区块确认才能确认。 3、区块链网络交易过程的第三步：每个节点通过解决一个数学问题获得创建新区块的权利，并争取比特币的奖励（这个过程中会产生新的比特币）要点：节点重复尝试找到一个值，让这个值，区块链最后一个区块的Hash值，交易顺序可以送入SHA256算法计算出满足一定条件（比如前20位全为0），即求数学题的解法。 可见答案并不唯一。 第四步：当一个节点找到解决方案时，将区块中记录的所有带时间戳的交易广播到全网，全网其他节点检查要点：时间戳用于确认特定区块必须存在于特定位置时间。 比特币网络采用从5个以上节点获取时间，然后取中间值作为时间戳的方法。 3、区块链网络交易过程的第5步：全网其他节点检查区块记账的正确性。 如果没有错误，他们将在合法块之后竞争下一个块，从而形成合法记录。 账本区块链。 重要提示：每个区块的创建时间约为 10 分钟。 随着全网算力的不断变化，每个区块的生成时间会随着算力的增加而缩短，随着算力的降低而延长。 其原理是根据最近生成的2016个区块的时间差（大约两周），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），使得生成的每个块 时间为 10 分钟。 目录 区块链简介 1 特征和分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 展望 64. 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订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体组成，区块体只负责记录前一段时间

区块链中的所有交易信息，区块链的大部分功能都是由区块头实现的。 4. 数据结构 区块头的版本号表示软件和协议的相关版本信息。 父块哈希值是指被引用区块链中父块头的哈希值。 通过这个值，每个块都是首尾相连的。 区块链形成了，这个价值对区块链的安全起着至关重要的作用。 Merkle root，这个值是由块体中所有交易的哈希值计算出来的，然后一步步哈希得到一个值，主要用来检查一笔交易在这个区块中是否有时间戳，记录区块产生的时间, 精确到第二个难度值, 区块相关数学题的难度目标随机数(Nonce), 记录解密区块相关数学题答案的值 4. 数据结构 当前区块加入区块链后，所有矿工立即开始下一个区块的生成。 将本地内存中的交易信息记录到区块体中，在区块体中生成本区块所有交易信息的Merkle树，在区块头中保存Merkle树根的值，保存最后一个刚刚生成的block 块头的数据通过SHA256算法生成哈希值填充到当前块的父哈希值中，并在时间戳字段中保存当前时间。 难度值字段会根据上一个区块的平均生成时间进行调整。 为了应对全网不断变化的整体计算量，如果计算总量增加，系统会增加数学题的难度值，使得下一个区块的预计完成时间仍在一段时间。 区块形成过程目录区 区块链简介 1 特征与分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 展望 65. 核心问题 区块头包含一个随机数，使区块的随机哈希值出现所需数量的 0。 节点通过反复尝试找到这个随机数比特币产量限定的原理是什么，从而构建工作量证明机制。 Proof-of-work 工作量证明机制的本质是一个CPU，一票，“多数”的决定表现为最长的链，因为最长的链包含最大的工作量。 如果大部分 CPU 由诚实节点控制，那么诚实链将以最快的速度扩展并超越其他竞争链。如果要修改一个已经出现的区块，攻击者必须重新完成该区块的工作量加上该区块之后所有区块的工作量，最终赶超诚实节点

工作量。 5. 核心问题 全网不止一个节点可以在同一时间段内计算出随机数，即会有多个节点在网络中广播各自打包的临时区块（都是合法的）。 分叉如果一个节点收到多个后续的临时块用于相同的前一个块，该节点将在本地区块链上建立一个分支，多个临时块对应多个分支。 僵局将被打破，直到找到下一个工作量证明，并确认其中一条链是较长的那条，然后工作在另一条支链上的节点将转换阵营，开始在较长的链上工作。 其他分支将被网络完全抛弃。 5. 核心问题 Double spending，即双重支付，是指攻击者几乎在同一时间用同一笔钱进行不同的交易。 双花 每当节点将新收到的交易订单添加到区块中时，它会沿着交易发起者的公钥向前遍历，以检查当前交易中使用的货币是否真的属于当前交易发起者。 可以遍历到币的初始诞生点（即生成它的区块的来源）。 虽然多个交易订单可以按任意顺序广播，但它们在最终加入区块时必须以一定的顺序出现。 Hash值作为区块之间的时间戳，决定了任何交易的资金来源回溯。 五、核心问题 数据库存储空间高能耗 处理大规模交易压力的能力 安全内容 区块链简介 1 特点与分类 2 区块链网络 3 数据结构 4 核心问题 5 展望 从比特币开始，区块链经历了三大可编程货币、可编程金融、可编程社会的应用时代，其应用范围逐渐扩展到社会生活的方方面面。 从需求端来看，金融、医疗、公证、通信、供应链、域名、投票等领域开始意识到区块链的重要性，开始尝试将技术与现实世界连接起来。 从投资的角度来看，区块链投资基金的供给量在逐渐增加，风险投资的投资热情也在上升，投资密度也在增加。 供给侧资金供给有望推动技术进一步发展。 从市场应用的角度来看，区块链可以成为一种市场工具，帮助社会降低平台成本，让中介成为历史； 区块链将推动公司现有商业模式重心的转移，有望加速公司的发展。 演讲结束，感谢观看！ 谢谢你。