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1、区块链介绍 独立架构师 唐伟佳 目录 比特币价格从诞生时的一美元兑换1300比特币 到峰值时2万多美元兑换1个 比特币 去中心化 数量一定 上限2100万 本身不具备任何价值 你听过的区块链 比特币 u挖矿是参与维护比特币网络的节点 通过协助生成新区块来获取一定 量新增的比特币 u当用户发布交易后 需要有人将交易进行确认 写到区块链中 形成 新的区块 通过挖矿 每 10 分钟左右生成一个不超过 1 MB 大小的区 块 记录了这 10 分钟内发生的验证过的交易内容 串联到最长的链 尾部 u每个区块的奖励一开始是 50 个比特币 每隔 21 万个区块自动减半 现阶段是12 5 最终比特币总量稳定在
2、 2100 万个 u比特币采用了工作量证明 Proof of Work PoW 的机制来实现共识 你听过的区块链 比特币的挖矿 ICO 全称Initial Coin Offering 意为 首次代币发行 可以说是以币换 币 发行的是区块链项目的代币 投资者通常用币圈认知度最高的比特币或 以太币去兑换 你听过的区块链 ICO 但ICO本质上就是 通过一个还没有产品 落地的项目计划 出售项目代币来筹集资 金的金融行为 其基本流程是 项目方写 几页白皮书 发行新的代币 出售其中一 部分 以兑换价值几千万甚至上亿的比特 币或以太币 互联网 信息去中心化 已 颠覆世界 区块链 信用去 中心化 却要颠覆互
3、联网 区块链时代一旦降临 就将 颠覆我们现在所有的认知 我们将跨入一个全新的时代 一个不再有信任危机的时 代 你听过的区块链 颠覆传统 产品追溯 跨境交易 企业信任 现实存在的问题 信任问题 基于制度的 基于特征的和基于过程的 n抗风险能力更强 n平等 n腐败与错误 n规则简单 现实存在的问题 中心问题 传输不可靠 TCP IP协议 故意破环 拜占庭将军问题 信息泄密和篡改 加密 证书 摘要 现实存在的问题 安全可靠问题 货币的形态从实物货币 金属货币 代用货币 信用货币 电子货币到数字货币 货币 自身的价值依托也从实物价值 发行方信用价值 货币 信用卡 纸币等 需要额外系统 如银行 来完成生
4、产 分发 管理等操作 带 来很大的额外成本和使用风险 如伪造 信用卡诈骗 盗刷 转账等 实现一种数字货币 保持既有货币的这些特性 消除纸质货币的缺陷 提升便携 防伪 辩伪 匿名 交易 资源 发行等方面的能力 区块链起源 数字货币 中心化控制下的数字货币需要一个中心管 控系统 但很多时候并不存在一个安全可 靠的第三方记账机构来充当这个中心管控 的角色 u贸易两国可能缺乏足够的外汇储备 u网络上的匿名双方进行直接买卖 u交易的两个机构彼此互不信任 找不到双 方都认可的第三方担保 u汇率的变化 可能无法连接到第三方的系 统 u第三方的系统可能会出现故障 u 区块链起源 数字货币 起源 2008 年
5、10 月 中本聪 的人提出了比特币的设计 白皮书 2009 年公开了 最初的实现代码 区块链起源 比特币 解决的问题 被掌控在发行机构手中 自身的价值无法保证 无法匿名化交易 2014 年开始 比特币背后的区块链 Blockchain 技术受到大家关注 并正式引发了分布式记账本 Distributed Ledger 技术的革新浪潮 人们开始意识到 记账本相关的技术 对于资产 包括有形资产和无形 资产 的管理 包括所有权和流通 十分关键 而去中心化的分布式记账本 技术 对于当前开放多维化的商业网络意义重大 区块链 正是实现去中心 化记账本系统的一种极具潜力的可行技术 目前 区块链技术已经脱离开比
6、特币 在包括金融 贸易 征信 物联 网 共享经济等诸多领域崭露头角 现在当人们提到 区块链 时 往往已 经与比特币网络没有直接联系了 除非特别指出是承载比特币交易系统的 比特币区块链 区块链起源 比特币到区块链 区块链起源 比特币背后的技术 比特币是区块链的首个应用区块链是支撑比特币的底层技术 狭义 广义 本质是一种分布式记账同步更新账本技术 以去中心化和去信任化的 方式 集体维护一个可靠数据库的技术方案 一种革新和颠覆性的思维理念 去中介化 建立信任社会 实现共享 区块链简介 定义 区块链简介 结构 交易 Transaction 一次操作 导致 账本状态的一次改变 如添加一条记录 区块 Bl
7、ock 记录一段时间内发生的 交易和状态结果 是对当前账本状态的一 次共识 链 Chain 由一个个区块按照发生顺 序串联而成 是整个状态变化的日志记录 AB 中心记账 需要中介做信任担保 A BC D EF G 分布式共享记账 实现去中介化的信任 分布式 架构 账本 结构 共识 机制 Peer to Peer模式 非集中架构的信任 交易的公开透明和 数据的不可篡改性 全网共识机制 与智能合约 区块链简介 创新 区块链最大的创新 在于去中介化和建立信任度 区块链简介 主要特性 网络没有中心化的物理节点和管理机构 网络功能的维护依赖网络中所有具有维护功能的节 点完成 各个节点的地位是平等的 一个
8、节点甚至几个节点的损坏不会影响整个系统的运作 网络具备很强的健壮性 去中心化 网络节点间数据传输是匿名的而且节点之间不需要互相信任 整个系统通过公开透明数学算 法运行 节点彼此数据公开 彼此信任 没有办法欺骗其他节点 去中介信任 系统中每个节点都能获得一份完整 账本 的拷贝 除非能够同时控制整个系统中超过 51 的节点 否则单个节点上对数据的修改是无效的 也无法影响其他节点上的数据内容 数据可靠 公共区块链A 网络中的节点可任意接入 网络中数据读写权限不受限 制 任何人都能参与共识过 程 比特币属于典型的公有 链 私有区块链B 网络中的节点被一个组织控制 写 入权限仅限在一个组织内部 读取 权
9、限有限对外开放 全球 42 家银 行组建的区块链联盟 R3 CEV 就是 私有链 联盟区块链C 介于公有链和私有链之间 公开节点 网络中的节点部 分可以任意接入 授权节点 则必须通过授权才可以接 入的区块链 比如清算 区块链简介 分类 区块链简介 发展 货币与交易 即应用中 与现金有关的加密数字 货币 如货币 转账 汇 款和数字支付系统等 智能合约 如股票 债 券 期货 贷款 智能 资产和智能合约等更广 泛的非货币应用 自治与管理 在政府 健 康 科学 文化和艺术方 面有所应用 甚至最终实 现去中心化自治社会的终 极效果 n 区块链1 0 n 区块链2 0 n 区块链3 0 可编程货币 可编程
10、经济 可编程社会 区块链应用 商业价值 区块链应用 银行金融领域 区块链技术可以为金融服务提供有效可靠的所属权证明和相当强的中介担 保机制 u加拿大央行开发基于区块链技术的数字版加拿大元 名称为 CAD 币 以允许用户可以使用加元来兑换该数字货币 经过验证的对手方将 会处理交易 如果需要 银行将保留销毁CAD币的权利 u英国银行已经实现了基于分布式账本平台的数字化货币系统 RSCoin 目标是提供一个由中央银行控制的数字货币 采用了双层链架 构 改进版的 2PC 提交 以及多链条之间的交叉验证机制 因为主要 是央行和下属银行之间使用 通过提前建立一定的信任基础 可以提供 较好的处理性能 u 中
11、国邮储银行布携手 IBM 推出基于区块链技术的资产托管系统 为 中国银行业首次将区块链技术应成功用于核心业务系统 区块链应用 支付领域 区块链应用 证券领域 区块链应用 征信 企业A数据 企业B数据 企业C数据 区块链 区块链应用 权属管理 交易 AB 房产 中介 房管 局 1 物品的所有权是写在数字链上 的 谁都无法修改 2 智能合约 确保合同准确执行 区块链应用 物联网 区块链应用 其他 区块链技术 关键技术及挑战 区块链技术 核心技术分解 区块链技术 分布式系统 一致性 存在如下的问题 1 节点之间的网络通讯是不可靠的 包括任意延迟和内容故障 2 节点的处理可能是错误的 甚至节点自身随时
12、可能宕机 3 同步调用会让系统变得不具备可扩展性 理想的分布式系统一致性应该满足 1 可终止性 Termination 一致的结果在有限时间内能完成 2 共识性 Consensus 不同节点最终完成决策的结果应该相同 3 合法性 Validity 决策的结果必须是其它进程提出的提案 区块链技术 分布式系统 共识算法 区块链技术 分布式系统 Paxos Paxos 是第一个被证明的共识算法 其原 理基于 两阶段提交 并进行扩展 proposer 提出一个提案 等待大家批 准为结案 往往是客户端担任该角色 acceptor 负责对提案进行投票 往往是 服务端担任该角色 learner 被告知结案结
13、果 并与之统一 不参与投票过程 可能为客户端或服务 端 区块链技术 分布式系统 Raft Raft 算法是Paxos 算法的一种简化实现 Leader 领导者 负责日志的同步管理 处理来自客户端的请 求 与Follower保持这heartBeat的联系 Follower 追随者 刚启动时所有节 点为Follower状态 响应Leader的日志同步 请求 响应Candidate的请求 把请求到 Follower的事务转发给Leader Candidate 候选者 负责选举投票 Raft刚启动时由一个节点从Follower转为 Candidate发起选举 选举出Leader后从 Candidate
14、转为Leader状态 区块链技术 分布式系统 拜占庭错误 对于拜占庭问题来说 假如节点总数为 N 叛变将军数为 F 则当 时 问题才有解 即 Byzantine Fault Tolerant BFT 算法 1999 年提出的 Practical Byzantine Fault Tolerant PBFT 是第一个得到广泛应 用的 BFT 算法 只要系统中有2 3的节点是正 常工作的 则可以保证一致性 PBFT 算法包括三个阶段来达成共识 Pre Prepare Prepare 和 Commit PoW Proof of Work 算法是限制 一段时间内整个网络中出现提案的个数 增加 提案成本
15、另外是放宽对最终一致性确认的 需求 约定好大家都确认并沿着已知最长的链 进行拓宽 系统的最终确认是概率意义上的存 在 这样 即便有人试图恶意破坏 也会付出 很大的经济代价 付出超过系统一半的算力 区块链技术 分布式系统 FLP不可能原理 FLP 不可能原理 在网络可靠 存在节点失效 即便只有一个 的最小化异步模型系 统中 不存在一个可以解决一致性问题的确定性算法 Fischer Lynch 和 Patterson 三位作者于 1985 年发表论文 不要 浪费时间去为异步分布式 系统设计在任意场景下都 能实现共识的算法 科学告诉你什么 是不可能的 工程则告诉 你 付出一些代价 我可 以把它变成可
16、能 区块链技术 分布式系统 CAP原理 分布式领域CAP理论 uConsistency 一致性 数据一致更新 所有数 据变动都是同步的 uAvailability 可用性 好的响应性能 uPartition tolerance 分区容错性 可靠性 定理 任何分布式系统只可同时满足二点 没法 三者兼顾 忠告 架构师不要将精力浪费在如何设计能满足 三者的完美分布式系统 而是应该进行取舍 区块链技术 分布式系统 ACID 和BASE ACID Atomicity 原子性 Consistency 一致性 Isolation 隔离性 Durability 持久性 BASE模型反ACID模型 完全不同ACID模型 牺 牲高一致性 获得可用性或可靠性 Basically Available基本可用 支持分区失败 e g sharding碎片划分数据库 Soft state软状态 状态可以有一段时间不同步 异步 Eventually consistent最终一致 最终数据是 一致的就可以了 而不是时时高一致 BASE思想的主要实现有 1 按功能划分数据库 2 sharding碎片 区块链技术 分布式系
