《信息技術(shù)與人工智能》第十章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用第10章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用目錄認(rèn)識區(qū)塊鏈1區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)2區(qū)塊鏈典型應(yīng)用與發(fā)展趨勢3第10章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用目錄認(rèn)識區(qū)塊鏈1區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)2區(qū)塊鏈典型應(yīng)用與發(fā)展趨勢3什么是區(qū)塊鏈？區(qū)塊鏈的發(fā)展歷史？區(qū)塊鏈有哪些特點(diǎn)？問題引入?yún)^(qū)塊鏈的概念工信部指導(dǎo)發(fā)布的《區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書2016》中指出，狹義來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)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(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來驗(yàn)證數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計算范式。任務(wù)10.1認(rèn)識區(qū)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(fā)表了一篇名《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》(Bitcoin:APeer-to-PeerElectronicCashSystem)的論文，該文重點(diǎn)討論比特幣系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術(shù)在論文中被首次提出，區(qū)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(xué)支撐、按照時間順序存儲的分布式共享數(shù)據(jù)賬本。區(qū)塊鏈的發(fā)展歷史區(qū)塊鏈1.0區(qū)塊鏈2.0區(qū)塊鏈3.0以比特幣為代表的數(shù)字貨幣的階段引入智能合約的可編程階段多領(lǐng)域深入融合的價值互聯(lián)網(wǎng)階段區(qū)塊鏈的發(fā)展歷史區(qū)塊鏈的特點(diǎn)分析去中心化透明性自治性可追溯性準(zhǔn)匿名不可篡改性公有區(qū)塊鏈A網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可任意接入，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)讀寫權(quán)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(qū)塊鏈B共識機(jī)制、驗(yàn)證、讀取等行為被限定在一個范圍內(nèi)，由一個實(shí)體控制，僅對實(shí)體內(nèi)部開放。聯(lián)盟區(qū)塊鏈C介于公有鏈和私有鏈之間，更符合大部分行業(yè)場景，適度對外開放。區(qū)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(biāo)，打開百度搜索。（2）在搜索欄中輸入“區(qū)塊鏈site:”，然后按回車鍵，檢索國家官方網(wǎng)站關(guān)于“區(qū)塊鏈”相關(guān)的技術(shù)資訊，進(jìn)一步深入理解區(qū)塊鏈。（3）通過瀏覽器訪問阿里云官方網(wǎng)站，了解阿里云提供的區(qū)塊鏈服務(wù)/product/baas?spm=5176.10695662.J_3717714080.1.2801688eUCO9eF。（4）通過訪問阿里官方文檔可以進(jìn)一步了解“螞蟻區(qū)塊鏈”中聯(lián)盟鏈的創(chuàng)建和管理，/document_detail/134838.html?spm=a2c4g.11186623.6.603.558944f5XyyCUl。任務(wù)：網(wǎng)絡(luò)檢索區(qū)塊鏈技術(shù)學(xué)生練習(xí)小結(jié)區(qū)塊鏈的概念區(qū)塊鏈的發(fā)展歷史:

區(qū)塊鏈1.0

區(qū)塊鏈2.0

區(qū)塊鏈3.0區(qū)塊鏈的特點(diǎn)：去中心化、透明性、自治性、不可篡改性、準(zhǔn)匿名、可追溯性區(qū)塊鏈模式類型：公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈小結(jié)第10章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用目錄認(rèn)識區(qū)塊鏈1區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)2區(qū)塊鏈典型應(yīng)用與發(fā)展趨勢3區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架任務(wù)10.2區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)合約層應(yīng)用層激勵層共識層網(wǎng)絡(luò)層可編程貨幣數(shù)據(jù)層腳本代碼智能合約算法機(jī)制發(fā)行機(jī)制分配機(jī)制POWPOSDPOSP2P傳播機(jī)制驗(yàn)證機(jī)制數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)哈希函數(shù)時間戳非對稱加密Merkle樹可編程金融可編程社會ⅡⅡ數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)哈希函數(shù)時間戳非對稱加密Merkle樹區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架數(shù)據(jù)層區(qū)塊鏈的核心部分，從創(chuàng)造至今一直在添加新的區(qū)塊，構(gòu)成了越來越復(fù)雜的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，包含了各種各樣的數(shù)據(jù)，最常見的就是哈希值、隨機(jī)數(shù)以及交易信息等。區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層封裝了區(qū)塊鏈的組網(wǎng)方式、消息傳播協(xié)議和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制等要素。網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計是為了保證區(qū)塊鏈中各個節(jié)點(diǎn)間的通信，通過特定的協(xié)議和機(jī)制，使得每個節(jié)點(diǎn)都能參與記賬和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。同時保證數(shù)據(jù)區(qū)塊是經(jīng)過大部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后才記入?yún)^(qū)塊鏈中的。網(wǎng)絡(luò)層P2P傳播機(jī)制驗(yàn)證機(jī)制區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架共識層封裝了各種共識算法，例如PoW、PoS、DPoS等。區(qū)塊鏈架構(gòu)是一個分布式的架構(gòu)，區(qū)塊鏈共識技術(shù)的優(yōu)勢之一是在去中心化的系統(tǒng)中使節(jié)點(diǎn)間對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性保持一致。共識層POWPOSDPOS區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架激勵層激勵層將經(jīng)濟(jì)因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中，區(qū)塊鏈的運(yùn)行與安全性依靠眾多節(jié)點(diǎn)的參與，激勵層的目的是提供一定的激勵措施鼓勵節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈的日常運(yùn)作以及共識驗(yàn)證工作。如數(shù)字貨幣等區(qū)塊鏈一般會用特定數(shù)量的貨幣獎勵給區(qū)塊創(chuàng)建者。激勵層發(fā)行機(jī)制分配機(jī)制區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架合約層合約層是區(qū)塊鏈2.0新出現(xiàn)的拓展架構(gòu)，但卻是區(qū)塊鏈延伸各種應(yīng)用功能的必要支撐，合約層的出現(xiàn)極大的提升了區(qū)塊鏈的可拓展性。作為區(qū)塊鏈2.0的重要標(biāo)志，合約層由合約虛擬機(jī)與智能合約兩部分組成。合約層腳本代碼智能合約算法機(jī)制區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架應(yīng)用層應(yīng)用層也是區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)層，封裝了區(qū)塊鏈的各種功能業(yè)務(wù)與各個行業(yè)的應(yīng)用場景。該層是在區(qū)塊鏈3.0時期發(fā)展最快的區(qū)塊鏈架構(gòu)，其涵蓋的應(yīng)用場景不再僅限于數(shù)字貨幣和金融領(lǐng)域，區(qū)塊鏈在醫(yī)療、科學(xué)、政府和工業(yè)等領(lǐng)域都迎來了重大的發(fā)展機(jī)遇。應(yīng)用層可編程貨幣可編程金融可編程社會版本號前一區(qū)塊Hash區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)區(qū)塊頭中包括當(dāng)前區(qū)塊的版本號、時間戳、當(dāng)前區(qū)塊的隨機(jī)數(shù)、Merkle根信息，以及前一區(qū)塊的哈希值和本區(qū)塊的哈希值等。區(qū)塊體中主要包括交易計數(shù)和交易詳情的交易列表。區(qū)塊體附加在區(qū)塊頭后面，區(qū)塊體中的Merkle樹會對記錄的各個交易進(jìn)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(chǎn)生唯一的Merkle根，Merkle根記錄在數(shù)據(jù)區(qū)塊的區(qū)塊頭中，使區(qū)塊頭能夠體現(xiàn)區(qū)塊所包含的所有交易。前一區(qū)塊后一區(qū)塊區(qū)塊頭版本號前一區(qū)塊Hash本區(qū)塊Hash時間戳隨機(jī)數(shù)Merkle根區(qū)塊體交易數(shù)量交易1交易2交易3交易4Hash1Hash2Hash3Hash4Hash12Hash34Hash1234區(qū)塊鏈系統(tǒng)框架鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)新產(chǎn)生的區(qū)塊與區(qū)塊主鏈上的最末端區(qū)塊連接，形成從創(chuàng)世區(qū)塊到當(dāng)前區(qū)塊的一條區(qū)塊鏈，這條區(qū)塊鏈記錄了所有的交易數(shù)據(jù)，使得在該條區(qū)塊鏈之上的所有數(shù)據(jù)歷史都可以被追溯和查詢。前一區(qū)塊Hash隨機(jī)數(shù)用于實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的鏈接用于實(shí)現(xiàn)挖礦機(jī)制交易信息交易1交易2ⅡⅡ前一區(qū)塊Hash隨機(jī)數(shù)用于實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的鏈接用于實(shí)現(xiàn)挖礦機(jī)制交易信息交易1交易2ⅡⅡ任務(wù)：區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)編碼（1）將“第10章\任務(wù)10.2區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)\素材\blockchain-demo工程”導(dǎo)入eclipse開發(fā)環(huán)境。（2）查看Block.java中定義的示例區(qū)塊結(jié)構(gòu)。（3）運(yùn)行blockchain-demo工程，查看前三個初始區(qū)塊的創(chuàng)建內(nèi)容輸出示例。學(xué)生練習(xí)任務(wù)：區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)編碼學(xué)生練習(xí)密碼學(xué)技術(shù)哈希函數(shù)哈希函數(shù)也稱散列函數(shù)，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(shù)能夠?qū)⑷我忾L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(fā)送者通過公鑰對信息進(jìn)行加密，接收方通過私鑰對收到的信息進(jìn)行解密。數(shù)字簽名技術(shù)又稱公鑰數(shù)字簽名，是只有信息的發(fā)送者才能產(chǎn)生的別人無法偽造的一段數(shù)字串，這段數(shù)字串同時也是對信息的發(fā)送者發(fā)送信息真實(shí)性的一個有效證明。數(shù)字簽名是非對稱密鑰加密技術(shù)與數(shù)字摘要技術(shù)的應(yīng)用。任務(wù)：Hash函數(shù)調(diào)用編碼（1）在eclipse中打開“第10章\任務(wù)10.2區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Sha.java中定義SHA-256的調(diào)用示例。（3）運(yùn)行查看每個區(qū)塊SHA-256計算輸出。學(xué)生練習(xí)任務(wù)：Hash函數(shù)調(diào)用編碼學(xué)生練習(xí)小結(jié)區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)區(qū)塊鏈的密碼學(xué)知識:

哈希函數(shù)

公鑰密碼

數(shù)字簽名小結(jié)第10章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用目錄認(rèn)識區(qū)塊鏈1區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)2區(qū)塊鏈典型應(yīng)用與發(fā)展趨勢3共識機(jī)制常用共識機(jī)制PoW（工作量證明機(jī)制）PoS（權(quán)益證明機(jī)制）DPoS（股份授權(quán)證明機(jī)制）共識機(jī)制PoW工作量證明簡單的說，工作量證明機(jī)制就是節(jié)點(diǎn)使用算力資源多少的證明。參與挖礦的節(jié)點(diǎn)耗費(fèi)算力越多，獲取記賬權(quán)的概率就越大，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的工作量分配記賬權(quán)。PoW共識機(jī)制挖礦就是通過算力資源，計算出一個符合規(guī)則的隨機(jī)數(shù)，即可獲取記賬權(quán)。共識機(jī)制PoS權(quán)益證明PoS共識機(jī)制中還引入了“幣齡”的概念。幣齡是指貨幣數(shù)量與貨幣持有時間的乘積。如Alice向Bob發(fā)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(fèi)了這些貨幣，則系統(tǒng)會認(rèn)定Bob收集到的幣齡已被“消費(fèi)”。此時，根據(jù)PoS共識機(jī)制，Bob創(chuàng)建新區(qū)塊的能力也就歸零了。顯然，權(quán)益證明的理念是新區(qū)塊的創(chuàng)建應(yīng)該由具有經(jīng)濟(jì)權(quán)益的用戶決定。共識機(jī)制DPoS授權(quán)股權(quán)證明DPoS共識機(jī)制實(shí)質(zhì)上是一種代議制共識，通過投票機(jī)制將所有用戶的權(quán)力集中到了少數(shù)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(rèn)速度，確認(rèn)時間縮短到秒級。但與中心化系統(tǒng)的弊端類似，記賬權(quán)利一旦集中，就不得不提防獲得代表權(quán)的用戶是否會為了自身利益而損害系統(tǒng)的公平公正，降低了信任基礎(chǔ)。任務(wù)：PoW挖礦編碼示例（1）在eclipse中打開“第10章\任務(wù)10.2區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)\素材\blockchain-demo工程”。（2）查看Block.java中定義mineBlock函數(shù)，該函數(shù)屬于PoW共識的一個挖礦示例，根據(jù)定義的哈希值前導(dǎo)0值個數(shù)，進(jìn)行挖礦。（3）運(yùn)行main函數(shù)，查看挖礦的示例結(jié)果。學(xué)生練習(xí)任務(wù)：PoW挖礦編碼示例學(xué)生練習(xí)智能合約智能合約作為區(qū)塊鏈技術(shù)的核心架構(gòu)之一，是一種可由事件驅(qū)動的、具有狀態(tài)、運(yùn)行在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上的計算機(jī)程序，以數(shù)字化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同，進(jìn)而控制和管理區(qū)塊鏈上的智能資產(chǎn)。在區(qū)塊鏈技術(shù)中，智能合約可以看作一種嵌入式程序，能夠內(nèi)置于數(shù)據(jù)區(qū)塊中，形成可編程控制的數(shù)字化系統(tǒng)。在部署智能合約之前，會預(yù)先設(shè)定好與合約有關(guān)的所有條款的邏輯流程，當(dāng)預(yù)先編程好的條件被觸發(fā)時，智能合約便會自動執(zhí)行相應(yīng)的合同條款，用戶于智能合約的交互行為都要嚴(yán)格遵守此前指制定的邏輯流程，以防止出現(xiàn)違約行為。智能合約智能合約構(gòu)建、執(zhí)行步驟合約制定合約傳播自動執(zhí)行智能合約智能合約特點(diǎn)高效實(shí)時更新準(zhǔn)確執(zhí)行較低人為干預(yù)風(fēng)險去中心化權(quán)威較低的運(yùn)營成本任務(wù)：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(biāo)，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(jìn)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(xué)生練習(xí)任務(wù)：編寫helloWorld智能合約（3）單擊【W(wǎng)orkspace】旁的按鈕，打開創(chuàng)建工作項目頁面，在輸入框中輸入項目名稱“workspace_helloContract”，點(diǎn)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(xué)生練習(xí)任務(wù)：編寫helloWorld智能合約（5）在文件“helloContract”中輸入示例代碼。（6）點(diǎn)擊右側(cè)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(diǎn)擊，編譯helloWorld智能合約。（7）點(diǎn)擊右側(cè)的【Deploy&Runtrasactions】按鈕，選擇運(yùn)行環(huán)境【JavaScriptVM】，然后點(diǎn)擊【Deploy】按鈕，運(yùn)行helloWorld智能合約，在運(yùn)行結(jié)果提示框內(nèi)會出現(xiàn)運(yùn)行成功的提示，點(diǎn)擊運(yùn)行結(jié)果，可以查看詳情。學(xué)生練習(xí)小結(jié)區(qū)塊鏈的共識機(jī)制:PoWPoSDPoS區(qū)塊鏈智能合約小結(jié)第10章區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用目錄認(rèn)識區(qū)塊鏈1區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)2區(qū)塊鏈典型應(yīng)用與發(fā)展趨勢3區(qū)塊鏈與金融區(qū)塊鏈與電子發(fā)票區(qū)塊鏈與版權(quán)保護(hù)區(qū)塊鏈與在線教育任務(wù)10.3區(qū)塊鏈典型應(yīng)用區(qū)塊鏈與金融區(qū)塊鏈+金融區(qū)塊鏈技術(shù)在金融領(lǐng)域的應(yīng)用被叫做區(qū)塊鏈金融，而區(qū)塊鏈金融企業(yè)是指開發(fā)和應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的金融企業(yè)，具有代表性的企業(yè)有平安集團(tuán)的金融壹賬通、京東集團(tuán)的京東科技和騰訊的騰訊微眾銀行等。區(qū)塊鏈+電子發(fā)票基于區(qū)塊鏈的電子發(fā)票通過構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子發(fā)票云平臺，可以充分發(fā)揮區(qū)塊鏈去中心化、共識算法、分布式廣播的特點(diǎn)。這將有利于解決電子發(fā)票應(yīng)用生態(tài)存在的痛點(diǎn)：利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的分布式存儲，通過廣大節(jié)點(diǎn)的共識加密和算法來保證數(shù)據(jù)可信流轉(zhuǎn)、一致性和不可篡改；采用由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)的公共賬本來解決電子發(fā)票的重復(fù)報銷、重復(fù)入賬問題以及數(shù)據(jù)不一致的問題；電子發(fā)票涉及開票方、受票方和消費(fèi)者，利用區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)的傳播，避免電子發(fā)票數(shù)據(jù)的不一致、防止數(shù)據(jù)的篡改，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和效率問題。區(qū)塊鏈與電子發(fā)票效率低：由于受到技術(shù)限制，傳統(tǒng)版權(quán)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(wǎng)絡(luò)時代作品“產(chǎn)量多、傳播快”的特點(diǎn)。收費(fèi)高：版權(quán)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(quán)難：平臺投訴手續(xù)復(fù)雜，法律訴訟成本高，導(dǎo)致大多數(shù)原創(chuàng)者因此選擇保持沉默，任由權(quán)利被侵犯。區(qū)塊鏈+版權(quán)保護(hù)傳統(tǒng)版權(quán)所面臨的痛點(diǎn)區(qū)塊鏈與版權(quán)保護(hù)區(qū)塊鏈技術(shù)是一種去中心化、由多方共同維護(hù)，使用密碼學(xué)保證傳輸和訪問安全，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲、難以篡改、防止抵賴的記賬技術(shù)。因鏈上數(shù)據(jù)具備上述特性，區(qū)塊鏈技術(shù)在版權(quán)資產(chǎn)管理領(lǐng)域的應(yīng)用一直是主要探索方向之一，尤其是鏈上數(shù)據(jù)電子存證，被普遍期待用以解決版權(quán)確權(quán)存證可信度低、維權(quán)溯源舉證難的問