区块链的应用与发展综述

文章合集：区块链原理专栏

数字货币

eCash（1982）

特点∶使用盲签名技术支持匿名交易，避免双重支付问题。

失败原因∶需要一个中心化机构管理的服务器才可以运行。

E-gold（1996）

特点∶锚定黄金价格将金本位时代交易模式电子化。

失败原因∶需要一个中心化机构管理的服务器才可以运行。

B-money（1998）

特点:第一个有去中心化思想的数字货币明确了分布式记账的概念。

失败原因∶缺乏共识机制，无法解决双重支付和货币生成问题。

Bitgold（2005）

特点:引入PoW共识机制。

失败原因:没有找到合适的开发者导致设想没有成功落地。

Bitcoin（2008）

特点∶结合分布式账本和PoW共识，首次提出区块链技术并解决零信任之上的共识问题。

取得成功

Altcoins

这些币统称“Altcoins”，来源Alternatives 即替代币，因此也称为代币。

比特币BTC（2008）

比特币BTC中本聪发明了首个去中心化数字货币比特币(BTC)，成功解决了探索阶段的各项技术难题。同时，BTC的底层技术区块链也名声大噪。

莱特币LTC（2011）

山寨币”兴起，其中李启威创造的莱特币在比特币的基础上做了三处改进,使得交易确认更快、挖矿更加容易、货币总量更多。并凭借场景优势脱顾而出。

以太币ETH（2014）

比特币系统拓展性不足，维塔利克·布特林创立以太坊,建立了一个开源、开放的职能合约平台，开启区块链2.0时代，推动了ICO浪潮。

泰达币USDT（2017）

Tether公司发行USDT，通过锚定美元实现货币稳定，充当多人数字货币之间的交易媒介。

柚子币EOS

EOS在以太坊上进行ICO筹资并发行代币,相对于以太坊.EOS主打高性能。提高了转账速度、系统可以开发更多小程序。

比特币现金BTH（2017）

比特大陆投资的ViaBTC宣布分叉比特币，用原有的基础架构和共识机制，增加了区块的体机.提高了转账速月，降低了手续费。

天秤币Libra（2019）

Facebook联合各行业领先机构发布了《Libra白皮书》,Libra以区块链技术为基础，以一篮子银行存款（包括美元、英镑、欧元、日元等法币)和短期政府债券为储备资产，最大限度降低币值波动风险。

区块链技术成功解决了零信任之上的共识问题，开启了虚拟货币的新发展。除了虚拟货币，零信任之上的共识这一需求无处不在，比如物联网、供应链、网络计算机、元宇宙。

物联网领域

1、海量新加入设备不可信: 2020年中国物联网设备连接量达74亿预计2025年突破150亿[艾瑞咨询报告]

相关解决方案的支撑为：

• 形式化NP
• 密码学：提供可证明安全性。

2、功能控制的信任

• 设备之间互信问题
• 设备与服务器之间的互信问题

3、安全问题带来的信任危机:[Nozomi,2021年上半年物联网安全报告]

• 2021年上半年漏洞数量增长了44%
• 用户对物联网系统不信任

物联网在设备接入、功能控制以及用户应用三个方面存在信任问题，如何在零信任基础上达成共识成为挑战。

供应链领域

供应链由于利益冲突，成员与成员之间，成员与商品之间存在信任危机严重影响了商品的生产质量与流通效率。

元宇宙领域

元宇宙在多主体协作、虚实数据维持一致性的过程中有着迫切的零信任共识需求。

区块链

P2P两点中自由度比较高，鲁棒性比较好，数学上看是一个完全图，在构建网络时也考虑是一个完全图，如何构建一个分布式的账本，通过区块构成的链状结构。区块链的第一个区块是创世块即(Genesis Block)。

节点分为全节点和轻节点。

全节点：要存完整的区块数据（图中所有颜色）。

轻节点：只需存一部分数据（其中一个颜色）。

一个账本中存储很多数据：

有应用数据App Data：例如转账，图片等等多样数据。以交易的形式存在，eg"A -> B 10dollars"。

区块中还有Hash，生成验证文件的hash value。

前一个区块的哈希，用于验证。并且可以连接。

Order序的概念很重要，对于一致性非常关键。数学上定义有Full Order：在集合中的任意两个元素都可以排出先后结构。区块的本质核心是一个排序问题。

序列化：采用gRPC进行远程调用。

eg：A给B传个人信息，若A给B发送的信息是 419 615 149可能分辨不出对应的是身高体重肺活量。这时就需要序列化，使双方按照规定好的序列接口对应数据。

如果想要篡改数据，除非从创世块开始就篡改，然后一直篡改到目前的区块，非常复杂，区块链的形式具有不可篡改性。

多个区块本身具有这种特性，而且同时会有很多节点存储该账本，相当于冗余备份。

同样冗余备份的方式有很多，例如：

• Eraser Code（纠察码）
• Duplication（复制）区块链采用的方式，比较浪费空间。

新区块的产生

每一个区块的到达都需共识（Consensus）算法。共识过程的本质是信息交换，通信成本的效率直接影响到区块链的性能。

区块链需要满足两个特性

• Persistence持久性：所有的节点看到的区块链必须一样
• Liveness 活性：区块会长，长度增加

区块链的代价

区块链：区块链是一种分布式对等节点共同维护的去中心化共享账本，该账本是由若干有时序的数据区块连接在一起的“链”状数据结构组成，由密码学方法保证数据不可篡改。

1.通讯成本高昂

• 优点:通信成本低（单向一次通讯)

• 缺点∶受到攻击则会面临网络崩溃

  

2.计算存储成本高昂

单点链状时序保护结构

哈希：将任意长度的数据映射到有限长度的域上，是所有真实数据的唯一真实签名（指纹），如数据被篡改，则签名验证失败。数据用此保证所有数据未被篡改、未被伪造。

记录︰此区块链网络中的数据，可以是交易、合同、事件、智能合约等。数据可溯源。（但验证和储存代价大)。计算有一个Gas Limit，不支持太过复杂的合约计算。因此不是图灵完备的。

区块链的发展阶段

目前较新的方向

• 模块化：一个系统拆解为多个模块，可以替换模块。

• 快速建链

• 图式区块链

区块链1.0

核心贡献︰在开放、不可信环境中，实现可信交易。

无需任何中介进行主观信用担保，无需担保环境是可信环境。而采用密码学实现客观可证明安全的可信交易。

• 技术贡献︰
  • UTXO-原子化交易模型
  • PoW-基于算力的安全共识方法.

所有这些技术都为完成上述这一简单而重要的目的。

• 社会贡献:比特币用密码学手段改变了人与人之间的信任关系和信用来源。

• 比特币的成功之处∶

  消除不可靠的主观人为因素，利用密码和安全手段实现客观事实上的安全可信存储

区块链2.0

核心贡献∶在开放不可信环境中，实现可信的合约执行。

无需任何中介进行主观信用担保。采用密码学实现客观可证明可信的合同执行。

思想与比特币类似，但将可信操作从金融交易拓展到了合约执行。

• 技术贡献:

  • EVM智能合约引擎
  • Solidity智能合约语言

• 社会贡献:以太坊用工程手段进一步改变了人与人之间的契约关系。

• 以太坊的成功之处与比特币的理念不约而同:

  消除不可靠的主观人为因素，利用密码和安全手段实现客观事实上的安全可信控制

概念辨析

元宇宙web3.0区块链之间的关系是?

新区块链的产生往往与新的经济增长点有关。用新的技术激发更活跃的经济增长。

Web3.0

大部分与NFT相关，核心：数据归于数据的生产者所有。

• web1.0阶段：仅可以已读。
• web2.0阶段：参与内容，用户可以写入修改的信息。数据的权益在平台。eg：数据的收益多数在提供的服务商平台上。
• web3.0阶段：更加去中心化的领域，在保证一定的隐私下，数据属于数据生产者。

元宇宙

• Networking中关键的有SDN和NFV：SDN可以通过上层平台对路由下层网络拓扑结构进行编程。
• Ubiquitous computing（普适计算）：设备进行无感知的服务
• AI
• Blockchain
• Digital twin（数字孪生）：数字世界和真实世界联系起来，把物理实体映射到数字世界中，然后把数字世界的结果反馈给物理世界。
• lnteractivity（虚拟现实：交互）：VR, AR。与数字孪生不同，物理世界和数字世界是一个重合的状态。

Metaverse (元宇宙)

Minecraft ：Blocky game 块状。原因：计算力不够。

区块链、Web3.0、元宇宙

元宇宙安全图谱

Source: A Survey on Metaverse: Fundamentals, Security, and Privacy

如何入门区块链

First Step

Second Step

智能合约：以太坊开发文档

本文内容参考SDU Professor Minghui Xu 的Slides，更多内容请关注近期即将出版的新书。