区块链理论与方法

本书*的特色是注重区块链领域深层次的基础理论和关键技术，这与目前市面上大多以科普为主的图书完全不同。

 

本书按照区块链技术的六层架构模型，由数字货币入手，系统、深入地介绍区块链的基础理论与关键技术。主要内容包括：第1-2章分别简要介绍数字货币和区块链技术的基础知识；第3至7章分别详细阐述区块链模型中数据层、网络层、共识层、激励层和合约层的基础理论与技术；第八章为安全与隐私保护技术；第9章为区块链领域的热点问题与技术，包括扩容、跨链通信、智能资产等；第10章主要介绍平行区块链。

目录
第1章概述

1.1比特币与数字货币

1.1.1历史与现状

1.1.2生态系统

1.2区块链技术

1.2.1概念与定义

1.2.2历史与现状

1.2.3特色与特点

1.2.4分类与比较

1.2.5架构与模型

1.2.6内涵辨析

第2章数据结构与相关技术

2.1区块结构

2.1.1区块头

2.1.2区块体

2.1.3交易类型

2.2区块链的运行流程

2.2.1交易生成

2.2.2网络传播与验证

2.2.3交易池管理

2.2.4交易优先级排序

2.2.5交易手续费定价

2.2.6共识竞争与构建区块

2.2.7难度调整机制

2.2.8分叉处理与主链判定

2.3数据层的关键技术

2.3.1时间戳

2.3.2哈希函数

2.3.3默克尔树

2.3.4非对称加密

2.3.5数字签名

第3章区块链网络与跨链技术

3.1区块链网络

3.1.1P2P网络

3.1.2节点类型

3.1.3数据传播协议

3.1.4数据验证机制

3.1.5矿池网络协议

3.1.6区块链分叉

3.2跨链技术

3.2.1概念与定义

3.2.2难点与解决方案

3.2.3典型跨链案例

 

 

 

第4章共识算法

4.1共识简史

4.1.1传统分布式一致性研究

4.1.2主流区块链共识算法

4.1.3共识算法的新进展

4.2共识系统基础

4.2.1分布式系统模型

4.2.2FLP定理和CAP定理

4.2.3两军问题

4.2.4拜占庭将军问题

4.2.5共识过程的主流模型

4.2.6共识算法的分类

4.3分布式一致性算法

4.3.1Paxos算法

4.3.2Raft算法

4.4主流区块链共识算法

4.4.1PBFT共识算法

4.4.2PoW共识算法

4.4.3PoS共识算法

4.4.4DPoS共识算法

4.4.5RPCA共识算法

4.5共识算法的新进展

4.5.1原生PoW扩展共识算法

4.5.2原生PoS扩展共识算法

4.5.3PoW PoS混合共识算法

4.5.4其他共识算法

第5章经济激励与策略行为

5.1区块链经济系统

5.1.1区块链中的经济博弈

5.1.2代币发行机制

5.1.3代币分配机制

5.1.4交易费

5.1.5矿池与分配方式

5.2激励机制与策略性行为

5.2.1共识机制设计与激励相容性

5.2.2ICO机制设计

5.2.3自私挖矿

5.2.4扣块攻击

5.2.5跨链套利和跨矿池套利

5.2.6挖空块

5.2.7ASICBoost

第6章智能合约

6.1概念与定义

6.2智能合约开发平台

6.2.1比特币脚本

6.2.2以太坊平台

6.2.3超级账本Fabric

6.2.4其他智能合约开发平台

6.3智能合约模型

6.3.1智能合约的运行机制

6.3.2智能合约的架构模型

6.4智能合约的若干核心要素

6.4.1预言机

6.4.2DAO

6.4.3形式化验证

6.5智能合约的挑战与进展

6.5.1隐私问题

6.5.2法律问题

6.5.3安全问题

6.5.4机制设计与性能问题

6.6智能合约的应用场景

6.6.1金融

6.6.2管理

6.6.3医疗

6.6.4物联网与供应链

第7章区块链扩容技术

7.1扩容问题概述

7.2关键技术

7.2.1区块扩容

7.2.2频率扩容

7.2.3架构扩容

7.2.4并行扩容

7.3制约因素

7.3.1网络负载

7.3.2节点瓶颈

7.4衍生问题： 安全问题

7.4.1高交易量安全问题

7.4.2中心化

7.4.3侧链安全性

7.5衍生问题： 经济问题

7.5.1币值

7.5.2交易费与矿工收益

第8章区块链安全与隐私保护

8.1区块链的安全目标

8.1.1数据安全

8.1.2共识安全

8.1.3隐私保护

8.1.4智能合约安全

8.1.5内容安全

8.2区块链的安全性问题

8.2.1数据层安全问题

8.2.2网络层安全问题

8.2.3共识层安全问题

8.2.4激励层安全问题

8.2.5合约层安全问题

8.2.6应用层安全问题

8.3常见的漏洞和攻击手段

8.3.1针对共识一致性的攻击

8.3.2针对扩展性的攻击

8.3.3针对激励策略的攻击

8.3.4针对智能合约的攻击

8.3.5其他攻击

8.4安全与隐私保护技术

8.4.1盲签名

8.4.2群签名

8.4.3环签名

8.4.4零知识证明

8.4.5同态加密

8.4.6安全多方计算

8.4.7混币技术

8.4.8TOR网络

8.5典型加密货币案例

8.5.1零币Zcash

8.5.2门罗币Monero

8.6未来区块链安全方面研究重点

8.6.1打破“不可能三角”

8.6.2隐私保护与可控监管

8.6.3区块链互联

8.6.4系统级安全体系

第9章数字货币

9.1货币的历史及分类

9.2数字货币的定义

9.3数字货币的思想基础

9.4数字货币大事记

9.5数字货币生态的核心要素

9.5.1钱包

9.5.2矿池

9.6竞争币

9.7数字货币估值模型

9.7.1价值存储理论

9.7.2流通理论

9.7.3INET模型

9.7.4网络价值与交易比率

9.7.5梅特卡夫定律网络价值比率

9.7.6CAPM模型

9.8数字货币交易市场

9.8.1二级市场交易

9.8.2金融衍生品市场

9.8.3数字货币交易所

9.9稳定币

9.9.1法定资产抵押型： USDT

9.9.2加密货币抵押型： MakerDAO

9.9.3无抵押/算法式： BASIS

9.10法定数字货币

9.10.1英国央行数字货币RSCoin

9.10.2中国法定数字货币

第10章分布式账本

10.1DAG概述

10.2IOTA

10.2.1权重机制

10.2.2末梢选择算法与冲突交易判别

10.2.3攻击情景分析模拟

10.3Byteball

10.3.1见证人机制

10.3.2主链机制

10.3.3全局主链与共识

10.3.4交易排序与交易确认

10.3.5寄生链攻击防御

10.4Hashgraph

10.4.1数据结构

10.4.2Gossip about Gossip协议

10.4.3虚拟投票与事件排序

参考文献

 

前言
区块链智能： 新时代智能产业之“真”与“道”
为什么要写这本书？为什么要学习和研究区块链方法与技术？
显然，人们对区块链的反应一定是比特币、ICO、以太坊、EOS等形形色色、狂起狂落的数字“货币”，以及不久前还声势浩大差不多耗去全世界千分之一电量的“挖矿”运动。这些现象使得区块链成为社会“热”点，其热度之高，几乎达到“梦想与忽悠齐飞，理性共疯狂一色”的境地，以至有人感叹： “傻子太多，骗子太少。”从这个角度上考虑，在众多的区块链商业与普及类书籍之外，我们迫切需要一本深入系统地介绍科学方法和基本技术的区块链专著，帮助大家从本质上理解和认识区块链及相关应用的意义。
其实，这是一个世界性的迫切需求。2018年初，著名的科技杂志《麻省理工技术评论》(MIT Technology Review)改变风格，每一期只专注一个课题； 而选择的个专题就是区块链(见图1)，力图在“Hype(忽悠)”和“Hope（希望）”之间找出区块链的真实价值。该杂志权威齐聚，洋洋万言，结论十分形象： 脑洞大开之后，尽快砍掉“y”底下的长尾，补全其上之脑，通过进一步完善区块链的方法、技术、体系和应用案例，化“y”之叉为完整完美无缝连接之“o”链； 如此，区块链的忽悠“Hype”就自然成为区块链的希望“Hope”，终一定是“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的智能产业美境！这正是写作本书的目的。

图1《麻省理工技术评论》区块链专刊封面

学习研究区块链有重要意义，因为这不仅是支撑比特币的基础技术，也不单是一种分布式的记账方法，更为重要的是，区块链与智能技术结合成为区块链智能之后，必将催生新的智能产业形态，同时成为变革世界、构建智慧社会的基石。
为什么这样认为？按照20世纪伟大的科学哲学家之一卡尔·波普尔的理论，我们的世界由物理世界、心理世界和人工世界三部分组成。社会发展的历史也表明，一个经济体系的革命和新旧转化的升级，只能在一个新的市场空间中实现。例如，从农业到工业的革命，正是由于开发了心理世界，把心理世界中原来不是商品的“时尚”，通过纺织品变为可大批量生产和全面流通的商品； 再加上工业技术的兴起，使社会专业分工和大规模生产成为可能，一举突破了农业生产经济的边际效用递减诅咒和“粮食增产、人口暴涨”的马尔萨斯“贫困陷阱”，使人类从农业社会跃入工业社会。这就是为什么工业经济始于英国的纺织业，而不是当时以食品业见长、更为发达的荷兰。因为纺织品不同于农业经济中既不能少也不可多的食品，不但可以保存更久，而且其市场的规模取决于心理，具有无限大的发展潜力，本质上就是心理世界的初级开发。
工业经济发展到现在，我们又遇到了诸如“全球变暖”“生态保护”“技术奇点”等各色各样的“瓶颈”和“陷阱”，其进一步的发展和升级，同样必须有新的增长方式和市场空间。发展智能技术，开发人工世界，扩大商品范畴，围绕健康、安全、教育、能源、制造和交通等领域，形成有效个性化的知识产品及其智能经济，从传统的专业分工转化为人机分工，并进一步走向虚实分工，是工业经济升级转型的必由之路。
为此，我们必须将物理、心理和人工三个世界融合在一起，确保其和谐发展。实际上，有史以来，人类就像“蜘蛛”一样，一直围绕着这一目标结“网”，向“5G”进军： 从物理世界的交通网和物流网（Grids 1.0）开始，到电力网和能源网（Grids 2.0），再到心理世界的互联网、信息网（Grids 3.0），以及目前的物联网（Grids 4.0），人类已从“被联”到了“在联”，正走向人工世界可以“主联”的智联网（Grids 5.0）。这五张网，通过区块链智能进一步深度融合，将三个世界紧密地联系在一起，形成人、机、物一体化的新空间CPSS（CyberPhysicalSocial Space)，从而为智能经济无限市场的兴起奠定基础。

 

 

这一切的本质原因，是区块链智能将传统上不是商品的两样重要东西变成了商品！人工智能的创始人之一，诺贝尔经济学奖得主司马贺曾称： “信任”和“注意力”不能转移、不能大规模生产，所以不能成为商品。区块链加智能技术恰恰推翻了司马贺的认识： 区块链智能使传统上难以流通和商品化的“注意力”与“信任”成为可以批量化生产并且流通的商品，革命性地扩展了经济活动的范围与提高效率的途径，形成社会发展之新“北（BEI）”，即智能大经济（Big Economy of Intelligence）。这就是有人称区块链是“信任机器”（Trust Machines）和“真相机器”（Truth Machines）的根本原因，更是区块链智能的本质、意义和“真（TRUE）道（DAO）”： 

真（TRUE）=可信（Trustable） 可靠（Reliable） 可用（Usable）

效益（Effective，Efficient）

道（DAO）=分布式去中心化（Distributed，Decentralized

自主式的自动化（Autonomous，Automated）

组织式的有序化（Organized，Ordered）
单从技术层面，区块链智能可以使智能技术牢固地架构在区块链内外。链内，人工智能可使今日既不智能也不合约的“智能合约”以智慧的方式既合规又合约，保证通证（Token）运营的可信与可靠； 链外，智能科技能使DAPP普及深入产业和社会的每个角落，产生可用且高效的社区经济，形成智能产业和智慧社会。相当程度上，区块链智能为构造智能产业和社会提供了“水泥钢筋”基础，我们可以放心高效地在此地基上盖几十甚至几百层的智能大厦。否则，直接利用非结构碎片化的“大数据”，就会像在土基或沙基上盖房，只能盖一两层，低效而且不安全。
如此一来，区块链智能必将引发智能产业的熊熊大火。长期以来，人工智能因为“火力”不够，只能解决“玩具”规模的“小”问题，以至被讥为“炼金术”“用爬树的方式登月”： 可以高些，但无法达到目标。如果区块链智能可使“智能合约”和DAPP实现其预期的目标，“炼金术”将成为科学，“爬树”将化为火箭飞船一般的新技术。结果就是“大数据改变生产资料，机器人变革生产力，区块链革命生产关系”，智能产业将主导新时代。
这是不是颠覆现有的世界？如果你认为今天的人类与两千多年前的人类无本质区别，那么这就是进步，不是颠覆。但相对于古人，今天的每个人都有他们脑中诸神才有的“顺风耳”“千里眼”“风火轮”等，我们不但吃住比古时帝王还好，就连走的道路都比昔日的皇宫更奢侈！这是不是颠覆？其实，颠覆还是进化，已不应再是焦点，问题该是实践与实效。这必然是一个过程，可长可短，是一个国家、一个社会自己的选择。
就是基于上面的认识，我们组织专门队伍开展了区块链技术的研究和应用，并撰写了这本《区块链理论与方法》，力图系统和深入地介绍区块链的基础理论和关键方法，目的是推动区块链的教学、研究和应用。本书以区块链“六层”基础架构模型为主线，内容涵盖区块链的数据结构、P2P网络、跨链互操作、共识算法、经济激励、智能合约、扩容技术、安全与隐私保护、数字货币及分布式账本等。第1章概述； 第2章介绍区块链的链式数据结构，并阐述时间戳、哈希函数、默克尔树、非对称加密和数字签名等关键技术； 第3章讨论区块链底层的网络结构与通信协议，以及实现多条区块链之间互联互通的跨链技术； 第4章介绍区块链共识算法的分布式计算理论基础，并简要概述区块链发展历程中出现的各类共识算法； 第5章从经济和管理学的视角，探讨区块链生态系统的经济模型、激励机制及参与者的各类策略性行为； 第6章给出智能合约的概念、模型与核心要素，并探讨智能合约面临的挑战和适用的场景； 第7章阐述区块链扩容的关键技术、制约因素和衍生问题； 第8章探讨区块链安全与隐私保护的理论和方法； 第9章主要介绍数字货币的相关技术； 第10章介绍以有向无环图DAG为基础结构的分布式账本，并给出典型的应用案例。
在区块链研究过程中，本书的作者袁勇博士不但成为我们团队区块链研究的领军人物，更成长为国内和国际区块链基础研究的核心权威之一。袁勇除了组织中英文学术杂志出版区块链专刊和相应研讨学术会议外（见图2），还推动成立了中国自动化学会“区块链技术专业委员会”、IEEE SMC和IEEE CRFID等国际学会的区块链专业委员会及“IEEE Blockchain Initiative”，为建立区块链学术研究生态体系做出了杰出的贡献。特别是在本书的写作过程中，袁勇更是付出了极大的心血和努力，是成书的贡献者，对此我衷心地表示感谢。此外，感谢复杂系统管理与控制国家重点实验室平行区块链团队的倪晓春、韩璇、李娟娟、曾帅、秦蕊、王帅、黄辰辰、欧阳丽炜和张晓婧在本书素材整理和编写过程中的帮助，感谢武汉大学张俊教授、中国数字资产研究院院长朱嘉明教授在本书成稿过程中的建设性的建议和讨论。后，特别感谢清华大学出版社薛慧和贾斌两位老师对本书出版的热情和细致的帮助。

图2届区块链与知识自动化国际研讨会部分主讲和

参会人员合影（2017年4月，美国丹佛大学）

目前，区块链技术的发展尚处于初期阶段，相关理论和方法也处于持续发展和快速演进过程中，未来路远且长，因此本书的内容不可能完备全面。限于水平，书中不妥之处在所难免，诚望读者指正。希望本书的出版，能够让更多的学者和创业者加入到新兴的区块链领域中来，早日将区块链智能技术建成“可信、可靠、可用、高效”的智能产业和智慧社会之“真（TRUE）·道（DAO）”。
王飞跃
中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室
2019年3月11日于北京怀德海学院