區塊鏈原理與技術應用

趙其剛

博士後，國信區塊鏈研究中心主任，成都高新信息技術研究院院長，
西南交通大學教師，國信公鏈（CIC）、CNG 農業鏈首席架構師；
長期從事互聯網、智慧城市及軟件技術架構相關研究、教學及工程實踐活動，
近年來重點從事工業4.0、區塊鏈相關理論及技術研發工作；
發表學術論文20 餘篇，出版圖書5 種，並在中國大學MOOC 平台開設“區塊鏈技術與應用”在線課程；
主持各類科研課題100 餘項，獲得軟件著作權、
發明專利及相關科技成果獎勵50 餘項（區塊鏈技術發明專利20 餘項）。

王紅軍

博士, 西南交通大學信息科學與技術學院副研究員, 碩士生導師,
 中國計算機學會高級會員，中國計算機學會人工智能與模式識別專委會委員，
中國計算機學會協同計算專委會委員，中國人工智能學會機器學習專委會委員，
四川省學術與技術帶頭人後備人選；主持、主研國家級項目5項；發表學術論文70 餘篇。

李天瑞

博士, 西南交通大學信息科學與技術學院教授, 博士生導師, 人工智能研究院副院長,
 四川省雲計算與智能技術高校重點實驗室主任, 四川省學術與技術帶頭人,
國際粗糙集學會會士和指導委員會主席；主持國家重點研發計劃課題、
國家自然科學基金項目等國家級項目7 項, 在國際會議做大會報告24 次；
發表學術論文360 餘篇，出版圖書6 種, 主編SCI 期刊專輯10 集, 獲得發明專利12 項。

王明文

博士, 西南交通大學數學學院副教授, 碩士生導師, 中國計算機學會高級會員，
四川省計算機學會多媒體專委會委員；主持國家級項目1 項, 省部級項目5 項；
發表學術論文30 餘篇，獲得發明專利3 項。

成颺

博士，西南交通大學信息化研究院助理研究員，主要研究方向為區塊鏈技術、
雲計算與計算智能，主持、主研國家和省部級項目多項，
發表論文10 餘篇，參與編寫教材2 種。

第 1章 區塊鏈概述

1.1　區塊鏈產生的背景　002

1.1.1傳統信任體系的局限　004

1.1.2互聯社會發展的瓶頸　005

1.1.3區塊鏈“信任”的發展　006

1.2　區塊鏈的基本概念　008

1.2.1區塊鏈的定義　009

1.2.2私有鏈、聯盟鏈與公有鏈　010

1.2.3主鏈和側鏈　011

1.3　區塊鏈的價值基礎　012

1.3.1區塊鏈解決的根本問題　012

1.3.2區塊鏈思維　014

1.3.3區塊鏈技術架構　015

1.3.4區塊鏈服務網絡　017

1.3.5區塊鏈價值生態系統　018

1.4　區塊鏈的應用　020

1.4.1資產區塊鏈化　020

1.4.2價值存儲區塊鏈化　022

1.4.3提升社會協同效率　022

1.4.4催生互助型產業生態　023

1.4.5培育共識自治社群　024

1.5　區塊鏈的挑戰　025

1.5.1技術的挑戰　025

1.5.2商業的挑戰　026

1.5.3社會治理的挑戰　026

1.6　課後習題　027

第　2章 區塊鏈的發展

2.1　區塊鏈的發展歷程　029

2.2　區塊鏈1.0　030

2.2.1比特幣簡介　030

2.2.2比特幣的獲取與交易　031

2.2.3比特幣的工作流程　032

2.2.4“雙花”問題　033

2.2.5“分叉”問題　034

2.3　區塊鏈2.0　036

2.3.1從智能合約到以太坊　036

2.3.2以太坊的工作流程　038

2.3.3基於以太坊的去中心化應用　039

2.4　區塊鏈3.0　041

2.4.1超級賬本　042

2.4.2區塊鏈3.0　應用場景　043

2.5　區塊鏈在中國的發展　045

2.6　課後習題　046

第3章　區塊鏈技術體系

3.1　總體架構　048

3.1.1基礎層　050

3.1.2合約層　051

3.1.3應用層　052

3.1.4接入層　055

3.2　核心層技術原理　055

3.2.1共識賬本　056

3.2.2核心層架構　056

3.2.3區塊鏈中的交易　059

3.2.4區塊與區塊鏈的形成　061

3.3　開發架構　062

3.3.1系統分析　062

3.3.2總體設計　065

3.3.3軟件設計　066

3.3.4特殊考慮　068

3.4　典型區塊鏈軟件架構　069

3.4.1比特幣　069

3.4.2以太坊　071

3.4.3超級賬本　074

3.4.4EOS　077

3.5　區塊鏈項目評價　079

3.5.1指標體系　080

3.5.2指標評價　082

3.5.3評估流程　084

3.6　課後習題　086

第4章　區塊鏈賬戶

4.1　哈希函數　088

4.1.1概述　089

4.1.2SHA256　算法　090

4.2　公鑰密碼體制　094

4.2.1非對稱加密算法　094

4.2.2數字簽名技術　096

4.2.3RSA　算法　097

4.2.4橢圓曲線算法　100

4.3　區塊鏈狀態庫　104

4.3.1狀態庫　104

4.3.2用戶賬戶和合約賬戶　104

4.4　用戶賬戶活動　105

4.4.1用戶地址　106

4.4.2交易發起　107

4.5　合約賬戶活動　108

4.5.1合約的創建　108

4.5.2合約的調用　110

4.6　課後習題　111

第5章　區塊鏈數據結構

5.1　設計思路　113

5.1.1哈希指針　113

5.1.2默克爾樹　114

5.2　數據結構　116

5.2.1區塊　116

5.2.2區塊結構　117

5.2.3區塊頭　117

5.2.4區塊體　118

5.3　結構樹　119

5.3.1交易樹　120

5.3.2狀態樹　121

5.3.3收據樹　122

5.4　區塊鏈的生成　122

5.4.1區塊的生成　123

5.4.2區塊的傳播　127

5.4.3區塊的校驗　127

5.5　比特幣交易示例　128

5.6　課後習題　133

第6章　區塊鏈與P2P網絡

6.1　P2P網絡概述　135

6.1.1P2P　網絡的基本概念　135

6.1.2P2P　網絡的特點　137

6.1.3P2P　網絡的主要應用場景　140

6.2　P2P網絡模型　142

6.2.1P2P　網絡模型概述　142

6.2.2集中目錄式P2P　網絡模型　143

6.2.3純P2P　網絡模型　145

6.2.4分層式P2P　網絡模型　148

6.3　區塊鏈P2P網絡　152

6.3.1P2P　與區塊鏈的關系　152

6.3.2區塊鏈網絡的可靠性　153

6.3.3案例：日食攻擊　154

6.4　實現案例：比特幣系統的P2P網絡　156

6.4.1節點發現　157

6.4.2連接節點　158

6.4.3初始化區塊下載　159

6.4.4區塊廣播　164

6.4.5孤立區塊　166

6.4.6交易廣播　166

6.4.7交易池（內存池）　167

6.5　實現案例：以太坊的P2P網絡　167

6.5.1引導節點的實現　168

6.5.2以太坊的P2P　協議結構類型　169

6.5.3以太坊的P2P　協議　170

6.5.4以太坊的P2P　節點　171

6.6　課後習題　176

第7章　共識機制與獎勵機制

7.1　共識機制的引入　178

7.1.1兩軍問題　179

7.1.2拜占庭將軍問題　181

7.2　共識機制與獎勵機制概述　183

7.2.1共識機制的設計　183

7.2.2獎勵機制的設計　185

7.3　PoW共識機制　191

7.3.1基本概念　191

7.3.2比特幣系統PoW　共識機制的實現原理　192

7.3.3以太坊PoW　共識機制的實現原理　195

7.3.4算法分析　196

7.4　PoS系列共識機制　198

7.4.1PoS　共識思想　199

7.4.2股份授權證明共識機制　201

7.4.3基於投註的共識機制　204

7.4.4基於認證的共識機制　205

7.5　其他常見的公有鏈共識機制　209

7.6　拜占庭共識機制　210

7.6.1拜占庭容錯系統　210

7.6.2實用拜占庭容錯　212

7.6.3授權拜占庭容錯　214

7.7　傳統分佈式共識機制　215

7.7.1帕克索斯算法系列　215

7.7.2Raft　算法　217

7.8　共識機制總結　219

7.9　實現案例：共識機制　221

7.9.1比特幣系統PoW　共識機制的實現案例　221

7.9.2以太坊PoW　共識機制的實現案例　230

7.9.3以太坊的PoS　共識機制的實現原理　237

7.10　課後習題　259

第8章　智能合約

8.1　智能合約概述　262

8.1.1智能合約的定義　262

8.1.2智能合約與區塊鏈結合的意義　264

8.2　智能合約的工作原理　266

8.2.1區塊鏈智能合約的演變　266

8.2.2以太坊智能合約的運行原理　270

8.2.3以太坊智能合約的構建與執行過程　272

8.3　以太坊智能合約基礎　274

8.3.1智能合約的編程語言　274

8.3.2入門代碼例程　275

8.3.3智能合約的操作　275

8.3.4EVM　的存儲方式　277

8.3.5指令集和消息調用　278

8.3.6日誌功能　279

8.4　智能合約的潛在問題　280

8.4.1以太坊智能合約安全事件　280

8.4.2其他安全事件　283

8.4.3智能合約的安全建議　287

8.5　課後習題　288

第9章　以太坊智能合約的開發與實踐

9.1　以太坊開發環境的搭建　290

9.2　以太坊的交易與合約　291

9.2.1以太坊的賬戶類型　291

9.2.2交易與消息　292

9.3　以太坊接口　293

9.3.1接口方式　293

9.3.2以太坊接口配置　294

9.4　以太坊智能合約開發　296

9.4.1本地私有鏈的搭建與配置　296

9.4.2智能合約的結構　301

9.4.3智能合約的開發工具　303

9.4.4智能合約的部署與調用　304

9.5　創建企業級智能合約　307

9.5.1探索ganache-cli　307

9.5.2ganache-cli　的安裝與使用　308

9.5.3可用RPC　方法　310

9.5.4Truffl　e 概述　311

9.5.5編譯合約　313

9.5.6配置文件　314

9.5.7合約部署與測試　315

9.6　課後習題　318

第　10章 區塊鏈設計案例：AppChain

10.1　環境的搭建　320

10.1.1環境準備　321

10.1.2安裝所需要的環境　321

10.2　學習搭建自己的基本區塊鏈　333

10.2.1基於Python　2 的基本區塊鏈　333

10.2.2基於Python　3 的區塊鏈例程　335

10.3　搭建自己的區塊鏈　338

10.3.1創建一個區塊鏈　338

10.3.2區塊鏈接口　347

10.3.3運行區塊鏈　351

10.3.4網絡一致性　355

10.4　課後習題　361