區塊鏈理論與應用

王連海，研究員，工學博士，博士生導師，山東省區塊鏈工程技術研究中心副主任，中國計算機學會區塊鏈專委會委員，山東區塊鏈研究會副理事長，山東計算機學會網絡空間安全專委會主任委員。長期從事區塊鏈、計算機取證、網絡安全方面的研究。主持或為主參與國家自然科學基金、國家重點研發計劃、發改委信息安全專項、山東省重大科技創新工程等國家級和省部級項目30多項。獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎2項、三等獎7項。在IEEE TIFS、IEEE TDSC刊物和國際會議上發表論文100多篇，獲得發明專利60多項。

徐淑獎，研究員，密碼學專業軍事學博士，博士生導師，山東計算機學會網絡空間安全專委會秘書長，山東區塊鏈研究會理事。主要從事區塊鏈、數據安全與隱私保護、計算機取證等方面的研究。主持或為主參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省重大科技創新工程、山東省重點研發計劃等國家級和省部級科研項目30多項。獲省部級科技進步二等獎和三等獎各1項。在Science China、IEEE TIFS、IEEE TCSVT等期刊和國際會議上發表論文60多篇，獲批國家發明專利40多項。

張淑慧，研究員，工學博士，博士生導師，泰山學者青年專家，CCF高級會員，山東區塊鏈研究會理事，山東計算機學會網絡空間安全專委會委員。主要從事區塊鏈、數據安全與隱私保護、計算機取證、惡意代碼檢測等方面的研究。主持和參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省重大科技創新工程等國家級和省部級項目近30項。獲省部級科技進步一等獎1項、二等獎1項、三等獎2項。相關成果發表SCI/EI收錄論文60多篇，申請發明專利70多項。

邵蔚，助理研究員，南開大學博士，長期從事應用密碼學、區塊鏈安全、隱私保護、機器學習的基礎理論研究與關鍵技術研發。主持或為主參與國家自然科學基金、山東省自然科學基金5項，在核心刊物和國際會議上發表論文20多篇，獲批國家發明專利10多項，獲批軟件著作權6項。

第 1章 緒論 001

1.1 區塊鏈的概念與特性 001

1.2 區塊鏈的分類 004

1.3 區塊鏈技術演進 006

1.3.1 區塊鏈技術的演進 006

1.3.2 區塊鏈的發展趨勢 007

1.4 區塊鏈面臨的挑戰 009

1.4.1 區塊鏈的三角不可能問題 009

1.4.2 監管問題 010

1.4.3 跨鏈互操作問題 011

1.4.4 鏈上鏈下數據協同問題 012

1.5 本章小結 012

參考文獻 012

第 2章 共識算法 014

2.1 共識算法概述 014

2.2 共識系統基礎 015

2.2.1 分布式系統 015

2.2.2 一致性問題 015

2.2.3 FLP不可能原理 022

2.2.4 拜占庭將軍問題 023

2.2.5 CAP原理與區塊鏈不可能三角 024

2.3 成員選舉類共識算法 026

2.3.1 PoW 026

2.3.2 PoS 029

2.3.3 DPoS 030

2.4 狀態類共識算法 031

2.4.1 拜占庭類共識算法 032

2.4.2 Paxos 034

2.4.3 Raft 037

2.5 共識算法的新進展 040

2.5.1 混合共識算法 040

2.5.2 基於信譽的改進共識算法 043

2.5.3 時空能效平衡的共識算法 045

2.6 風險與挑戰 056

2.7 本章小結 057

參考文獻 057

第3章 智能合約 060

3.1 智能合約概述 060

3.1.1 定義 060

3.1.2 特性 061

3.1.3 可編程智能合約 062

3.1.4 運行機制 062

3.1.5 兩個圖靈問題 063

3.2 智能合約模型 064

3.2.1 以太坊智能合約模型 069

3.2.2 超級賬本Fabric智能合約模型 073

3.2.3 FISCO BCOS智能合約模型 078

3.3 智能合約語言 079

3.3.1 Solidity 079

3.3.2 Go語言 080

3.4 智能合約編譯及運行環境 081

3.5 智能合約示例 084

3.5.1 以太坊智能合約 084

3.5.2 Fabric智能合約 089

3.6 風險與挑戰 091

3.7 本章小結 092

參考文獻 093

第4章 區塊鏈體系架構 094

4.1 區塊鏈架構 094

4.1.1 區塊鏈分層模型 094

4.1.2 P2P架構 096

4.1.3 區塊鏈鏈式結構 097

4.2 公有鏈 098

4.2.1 公有鏈的架構與特性 098

4.2.2 比特幣 101

4.2.3 以太坊 104

4.2.4 公有鏈面臨的挑戰 109

4.3 聯盟鏈 120

4.3.1 聯盟鏈的架構與特性 120

4.3.2 超級賬本Fabric 129

4.3.3 FISCO BCOS 135

4.3.4 長安鏈 144

4.3.5 聯盟鏈面臨的挑戰 146

4.4 擴容技術 147

4.4.1 區塊鏈擴容問題與制約因素 148

4.4.2 區塊鏈擴容技術概述 150

4.4.3 區塊擴容 153

4.4.4 頻率擴容 155

4.4.5 架構擴容 156

4.4.6 分片擴容 159

4.4.7 鏈下擴容技術 172

4.4.8 應用 176

4.5 本章小結 179

參考文獻 179

第5章 跨鏈技術 181

5.1 跨鏈技術概述 181

5.1.1 跨鏈技術發展歷程 181

5.1.2 跨鏈技術需求 182

5.1.3 跨鏈約束條件 183

5.2 公證人跨鏈機制 184

5.2.1 技術原理 184

5.2.2 InterLedger 186

5.2.3 PalletOne 189

5.3 哈希鎖定跨鏈技術 192

5.3.1 技術原理 192

5.3.2 閃電網絡 193

5.3.3 異構鏈跨鏈資產交易 194

5.4 側鏈/中繼技術 196

5.4.1 技術原理 196

5.4.2 BTC Relay 197

5.4.3 趣鏈BitXHub 197

5.4.4 WeCross 199

5.4.5 支持審計和仲裁的聯盟鏈跨鏈數據交互 202

5.5 分布式私鑰控制機制 206

5.5.1 技術原理 206

5.5.2 Fusion 206

5.6 發展趨勢與挑戰 208

5.6.1 發展現狀與趨勢 208

5.6.2 風險和挑戰 210

5.7 本章小結 211

參考文獻 211

第6章 區塊鏈安全 213

6.1 安全威脅概述 213

6.2 數據層安全 214

6.2.1 數據層安全目標 214

6.2.2 數據層安全問題 215

6.2.3 數據層安全防禦 218

6.2.4 軟硬件協同的區塊鏈安全機制 219

6.3 網絡層安全 223

6.3.1 網絡層安全目標 223

6.3.2 網絡層安全問題 224

6.3.3 網絡層安全防禦 226

6.4 共識層安全 227

6.4.1 共識層安全目標 228

6.4.2 共識層安全問題 229

6.4.3 共識層安全防禦 233

6.4.4 共識安全實例 233

6.5 合約層安全 240

6.5.1 合約層安全目標 241

6.5.2 合約層安全問題 241

6.5.3 合約層安全防禦 244

6.6 應用層安全 246

6.6.1 應用層安全目標 246

6.6.2 應用層安全問題 246

6.6.3 應用層安全防禦 248

6.7 區塊鏈中的隱私保護 249

6.7.1 身份隱私保護 249

6.7.2 交易隱私保護 251

6.8 區塊鏈安全治理與監管 252

6.8.1 安全治理 252

6.8.2 區塊鏈監管 256

6.9 本章小結 278

參考文獻 278

第7章 區塊鏈的應用 280

7.1 區塊鏈在金融領域的應用 280

7.1.1 跨境支付 280

7.1.2 供應鏈金融 282

7.1.3 保險理賠 284

7.2 區塊鏈在網上交易監管中的應用 286

7.2.1 違法交易行為數據可信采集與存證 287

7.2.2 電子證據合規核驗 290

7.3 區塊鏈在供應鏈管理中的應用 291

7.3.1 木材供應鏈可信管理 291

7.3.2 集裝箱物流供應鏈可信管理 294

7.4 區塊鏈在數據要素流通中的應用 298

7.4.1 數據精確確權 299

7.4.2 數據安全共享 301

7.4.3 訪問控制 303

7.4.4 數據完整性審計 310

7.4.5 密文數據高效檢索 314

7.4.6 數據操作行為可信審計 321

7.4.7 分布式人工智能可信訓練 325

7.5 本章小結 329

參考文獻 329

第8章 區塊鏈的發展與展望 330

8.1 分布式金融 330

8.1.1 DeFi 331

8.1.2 NFT 334

8.2 可編輯區塊鏈 338

8.2.1 概述 339

8.2.2 原理與算法 340

8.2.3 發展與展望 347

8.3 元宇宙和Web3 348

8.3.1 元宇宙 348

8.3.2 Web3 352

8.4 本章小結 357

參考文獻 357

名詞索引 359