区块链发展现状应用场景及关键技术探讨密码货币与区块链技术培训内部使用49页

2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)[e-mail]@[e-mail]2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU课程内容区块链概述发展现状、实际需求及代表性应用场景关键技术探讨2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链概述2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU什么是区块链区块链是一种以密码学技术为基础，以去中心化或多中心化的方式，对大量数据进行组织和维护的数据结构或是说，区块链是一个去中心化的或多中心化的、公共的分布式总账，参与到系统上的节点可能不属于同一组织，彼此互不信任，区块链数据由所有节点共同维护，每个参与维护的节点都能获得一份完整记录的拷贝基本概念交易：对账本状态的改变，如添加一条记录区块：记录一段时间内发生的交易和状态，是对当前账本状态的一次共识链：由一个个区块按照发生顺序串联而成，可视为状态变化的日志记录如果把区块链视为一个状态机，则每次交易就是试图改变一次状态，每次生成区块就是参与者对于其中包括的所有交易改变状态的结果确认区块链是一种共享账本技术，通过分布式多节点“共识”实现，可以“完整、不可篡改”地记录价值转移（交易）的全过程2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的起源•中本聪在2008年发表的论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》描述了如何创建一套去中心化的电子交易体系---这种体系的建立无需交易双方的互相信任，通过技术手段实现了交易主体间共识的建立，区块链正是构建这种电子交易体系的底层技术•2013年出现的以太坊是继比特币之后的一个开创性区块链项目开创性地将智能合约理念与机制引入到区块链技术中，通过在区块链中部署智能合约（可执行的电子合约），在交易主体间达成共识的情形下，当电子合约的条件被满足，可自动触发电子合约的执行---引入智能合约后的区块链技术成为可编程的区块链技术，这使得区块链技术可以适用于更广泛的应用2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的起源比特币及以太坊的底层技术奠定了区块链技术的基础架构•采用分布式数据库来实现数据的分布式存储，每个参与者均有数据备份•采用P2P网络技术来实现动态组网，节点可动态加入与推出•采用共识机制来确保参与者数据的一致性（或弱一致性）•采用密码学中的数字签名及Hash算法等技术，结合区块链式结构、Merkle树等来保证数据的不可篡改性（难以篡改）及抗抵赖性•采用经济博弈理论来引导、规范理性参与者的行为，同时，有效抑制恶意参与者的攻击行为•采用可自动触发、自动执行的智能合约来实现业务逻辑的自动化、客观公平性及多样性2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链技术是一种融合创新技术密码学共识协议分布式数据库智能合约六大技术博弈论P2P网络区块链可视为一种共享账本技术，通过分布式多节点“共识”实现，可以“完整、不可篡改”地记录价值转移（交易）的全过程区块链是一种以密码学技术为基础，以去中心化的方式，对大量数据进行组织和维护的数据结构2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链核心关键技术共识协议分布式一致性不依赖可信机构抗多重支付密码学不可篡改安全与隐私保护不可否认经济博弈激励/惩罚机制经济体增长逻辑2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的核心特性区块链是实现智能合约的有效技术，从而提供非常灵活的合约功能，实现更为复杂的商业逻辑特性一：去中心化/多中心化分布式数据库是区块链的物理载体，区块链是电子交易的逻辑载体，所有核心节点都应包含相应区块链中数据的全副本，不依赖于单一第三方机构特性二：安全性•不可篡改（数据的完整性）、可追踪---区块链中只能添加记录，发生过的记录都不可篡改，且按时间序列化区块数据并建立区块的双向Hash链接，其中Hash函数用于数据的完整性保护•不可否认（抗抵赖性）---数字签名用于实现交易数据的身份验证•抗多重支付特性三：智能合约(业务逻辑的可编程性、自动触发及自动执行)区块链技术带来了一场“信任革命”2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的基本属性及分类（按参与记账节点的开放程度）与互联网的四大特点“分享、透明、公平、公开”相对应Distributed（分布式的）Autonomous（自治的、共同约定的）Contractual（按照合约执行的）Trackable（可追踪的）公有链任何节点都可以参与交易验证、区块创建及共识过程联盟链/行业链•预先指定一些节点作为交易验证节点，参与区块创建及共识过程（即记账过程）•其他接入节点可参与交易，但不过问记账过程•其他接入节点可对区块链数据进行限定查询VSVS私有链•指定的参与方独享记账权（即进行交易验证及区块创建）•只是利用了区块链的形成方式，无须进行共识过程•可以认为是传统的分布式存储的一种情形2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU几种主流的分布式账本系统（按技术架构分类）基于DAG技术的分布式账本系统基于公证人的分布式账本系统基于区块链技术的分布式账本系统代表性系统：Bitcoin，Ethereum，HyperlegerFabric,……代表性系统：IOTA，Byteball，……代表性系统：Corda，Ripple，……2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链涉及的领域具有交叉性信息技术领域应用领域经济、金融征信医疗能源智慧城市/物联网…2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链涉及的信息技术领域分布式系统1•一致模型•事务属性•共识算法2区块链网络的可扩展性•链上/链下互通•跨链通信•结点可靠性•网络通信32018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链涉及的信息技术领域信息安全信息加密、隐私保护共识安全账户安全（如：钱包私钥管理）身份认证、权限管理可监管性、授权追踪密钥更新/撤销、密码算法升级密码算法软硬件实现安全协议安全、系统安全博弈论--纳什均衡智能合约--准确、安全、高效的智能合约•高性能计算与通信–提升交易吞吐量•数据存储与处理–针对区块链的数据结构与IO进行优化2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链基本架构动态组网P2P网络传输，动态加入/退出分布式共享账本(去中心化)分布式多副本、时序、公开、可追踪共识机制竞争协商，保持一致联合管理，抵抗欺诈安全隐私不可篡改、抗抵赖、访问控制、隐私保护、抗量子计算攻击经济博弈激励相容、纳什均衡智能合约业务可编程、自动触发、自动执行、基于区块链的登记、清算、结算等业务……智能合约（业务可编程性）分布式网络（网络通信协议）分组交换（TCP／IP网络）分布式数据库（公共总账本）共识协议（分布式一致性）密码学（安全与隐私保护）应用层数据层网络层核心层博弈论（激励相容）2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的构成（交易与区块）•每一种区块链的结构设计可能不完全相同，但大结构上分为块头（header）和块身（body）两部分•块头用于链接到前面的块并且为区块链数据库提供完整性保证，块身则包含了经过验证的、过去一段时间内(如十分钟)部分或所有交易的信息•区块链的本质是多个参与者共同维护的Hash链，目的是解决分布式、去中心化的、可信任的“记账”问题2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链基本协议机制•构建一整套协议机制，让全网每一个节点在参与记录的同时也来验证其他节点记录结果的正确性。只有当全网大部分节点（或甚至所有节点）都同时认为这个记录正确时，或者所有参与记录的节点对记录的真实性/合法性都达成共识时，记录数据才允许被写入区块中•区块创建与共识机制有关，在PoW机制下，需计算符合给定目标的哈希困难问题（且困难程度可通过系统参数自动调整）。只有“最长的”区块链才会被网络用户认为是有效的•构建一个分布式网络系统，让数据库中的所有数据都实时更新并存放于所有参与记录的网络节点中。这样即使部分节点损坏或被黑客攻击，也不会影响整个数据库的数据记录与信息更新2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链技术的价值潜力及适用场景区块链技术的去中心化（多中心化）、分布式容错性、不可篡改/不可否认性、可追踪性、隐私保护性等带来的业务特性包括：•可信任性：提供天然可信的分布式账本平台，不需要额外的第三方中介机构（高成本+失信风险）---可以在较弱的信任环境下实现很强的信任效果•降低成本：与传统技术相比，可降低时间成本、人力成本和维护成本---构建透明公开、简单快捷的交易模型，特别适用于建立电子现金或数字资产的账本•增强安全：提供安全可靠的审计管理和账目清算，减少犯罪可能性，抵御各种风险价值潜力所有跟信息、价值（包括货币、证券、专利、版权、数字商品、实际物品等）、信用相关的交换过程（或商业模式），都将可能从区块链技术中得到启发或直接受益适用场景•数字货币•金融支付与清算•数字资产管理•去中心化交易•能源互联网•征信和权属管理•资源共享•物联网与供应链•数字身份/数字公证……区块链信息信用价值2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU发展现状、实际需求及代表性应用场景2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的发展现状与趋势常见/落地应用业务/投资规模应用成熟度•公有链相对成熟、联盟链处于发展初期•区块链技术在减少交易摩擦、增强各方信任方面显示出了强大的威力•目前常见的区块链应用包括：数字货币、跨境支付、社交平台、交易平台、防伪溯源、数字征信、物流供应链等•2015年9月，巴克莱银行和以色列一家初创公司共同完成了全球首笔区块链贸易结算，打响了落地第一枪•2015年10月，纳斯达克成功搭建区块链证券交易平台Linq•2013-2015，获超过14亿美元的投资•至2016年底，获超过25亿美元的投资•2020年，基于区块链的业务规模将达到1000亿美元左右区块链已逐步从概念走向实际应用，它的出现将促进信息互联网向价值互联网演化，并最终重塑互联网行业格局2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU区块链的发展现状与趋势政府及产业界的区块链研究•至今已有超过90家央行参与区块链研究--加拿大央行正在开发基于区块链技术的数字版加拿大元--苏格兰考虑发行国家数字货币--瑞典央行正在研究两年内推出一种国家加密货币--韩国政府宣布将投入26亿美元研发数字货币等区块链应用--泰国央行发布了区块链技术部署规划，将利用这一新兴技术改善本地银行服务、降低运营成本、并强化金融安全性--委内瑞拉正式开始预售该国自行开发的加密数字货币“石油币”，其价值与石油挂钩--印度储备银行宣布正在考虑发行自己的中央银行数字货币--我国央行也在积极研发数字货币、数字票据等…•乌克兰政府宣布探索区块链技术的前沿，将其用于公共事业管理•新加坡政府宣布与IBM合作建立区块链创新中心•谷歌宣布与苏格兰皇家银行合作开展区块链研究实验，主要用于金融交易的清算和结算•微软携手美国银行研究区块链贸易金融平台，降低财政部门运作风险•IBM投资2亿美元于慕尼黑建立新办事处，致力于区块链和人工智能交叉研究工作•跨国咨询服务公司埃森哲（Accenture）发起了一个项目，旨在用分布式时间戳和区块链跟踪记录药物供应链•纳斯达克、ElectriCChain以及国内的能源区块链实验室在积极地探索利用区块链技术实现能源交易的P2P化革命•腾讯、华为、百度、阿里巴巴、蚂蚁金服、微众银行、中国平安、中国银联、上海证券交易所等国内高科技及金融企业也在积极探索区块链应用…2018：密码货币与区块链技术培训(内部使用)SJTU近期国内各省市和高校加速区块链布局•2016年12月，复旦大学计算机科学技术学院成立“区块链联合创新中心”•2017年8月，清华大学(计算机系