区块链技术及其物联网应用.pdf

北京航空航天大学 刘建伟 教授 2018-07-22 成都 区块链技术及其物联网应用 目录 CONTENTS 01区块链相关背景 02物联网现存问题 03物联网区块链应用 04应用障碍与发展前景 1/36 去中心化 共识机制 永久记录 区块链相关背景 可追溯性 不可篡改 2/36 1.1 比特币简介 比特币(Bitcoin)是一种利用对等网络和密码技术实现的密码货币系统，包括货币发行与交易，本质上 是一个账单广播与管理系统系统无任何特殊节点，是去中心化的点对点数字交易系统系统设计 上可绕开任何政府或其他第三方机构监管，可保护用户身份隐私货币不可性与防止双重花费 由密码算法与协议保证，交易账单记录不可逆、不可、不可否认、可验证 3/36 1.1 比特币简介 与传统账本相比，区块链将完整的账本分发给每个人，并由所有人共同维护利用 密码算法保障交易的有效性公开可验证，并通过时戳使账本的每一页按时序排列 Hash1 Hash0 Alice+100 Bob+100 Tom+100 Jerry+100 Hash2 Hash1 Alice-30 Bob+30 Hash3 Hash2 Bob-20 Jerry+20 Tom-10 Jerry+10 比特币交易记录在区块链上，区块链可看作分布式账本，每个区块就是账本的一页， 每页记录若干交易，通过杂凑函数使每一页与前一页相关联，且内容都不可篡改。

4/36 1.1 比特币简介 比特币不需要第三方机构，只需将交易单记录在共同维护的账本上即可完成交易 商家商家商家 第三方机构 消费者消费者消费者 数字签名 数字签名 信用 背书 传统支付系统拓扑区块链系统拓扑 VS 商家/ 消费者 数字签名 商家/ 消费者 交易单 数字签名 直接 支付 5/36 1.1 比特币简介 2008. .10. .312009.12010.5.222017.8 中本聪在密码学论坛 上发表了一篇文章： 比特币: 一种点对点 电子现金系统 中本聪发布了比特 币系统软件的开源 代码，并发行了第 一批50枚比特币 程序员Hanyecz花 费10000比特币向 比特币论坛的用户 购买了两个披萨 比特币总发行量为 2100万，迄今已发 行1600多万, 总值 超过440亿美元 完成名义上的货币 向实物货币的华丽 转身，与现实世界 产生了实质性联系 投资者、投机者、 更多技术爱好者、 用户、商家加入， 形成比特币生态 密码学、计算机等 新技术爱好者加入 比特币系统，形成 比特币社区 此文的发表标志着 比特币的诞生，而 中本聪是何人，仍 然是一个未解之谜 价值互联网若隐 若现 6/36 1.2 区块链背景 区块链是比特币协议的一部分，是一种共享的分布式数据库，维护一个持续增长、 不可篡改的数据记录列表。

交易信息被记录在区块中，然后用密码学杂凑函数 (Hash)与前一个区块相链接系统中每个节点上都有完整的数据拷贝，且交易记录 都具有时间戳，是可追溯的 前一区块的Hash 交易信息 前一区块的Hash 交易信息 前一区块的Hash 交易信息 区块N区块N+1区块N+2 7/36 1.2 区块链背景 区块链最主要的应用之一是比特币，可看作是持续增长、不可篡改的分布式账本 交易单 Transaction 交易单记录一笔比特币 交易的具体信息，例如 付款人收款人的比特币 地址、付款金额、付款 人数字签名等交易单 发送给网络中的所有人 交易单 输入地址输出地址 数字签名 输入地址输出地址 数字签名 输入地址输出地址 数字签名 8/36 1.2 区块链背景 区块链最主要的应用之一是比特币，可看作是持续增长、不可篡改的分布式账本 交易单 Transaction 交易单记录一笔比特币 交易的具体信息，例如 付款人收款人的比特币 地址、付款金额、付款 人数字签名等交易单 发送给网络中的所有人 区块 Block 节点收集当前时间段内（每 10分钟）所有验证通过的交 易单，组成数据块矿工拼 凑随机数使数据块的Hash值 满足条件（由N个0开头） 区块 当前区块的Hash值 =hash（A||B||C） 通过尝试随机数B使其开头为N个0 当前时段产生的交易单1 当前时段产生的交易单2 当前时段产生的交易单N 前一区块的Hash值A 当前时段所有交易单求Hash值C 随机数B 9/36 1.2 区块链背景 区块链最主要的应用之一是比特币，可看作是持续增长、不可篡改的分布式账本 交易单 Transaction 交易单记录一笔比特币 交易的具体信息，例如 付款人收款人的比特币 地址、付款金额、付款 人数字签名等。

交易单 发送给网络中的所有人 区块 Block 节点收集当前时间段内（每 10分钟）所有验证通过的交 易单，组成数据块矿工拼 凑随机数使数据块的Hash值 满足条件（由N个0开头） 区块链 Blockchain 该时间段最先得到满足条件 的人即称作矿工，数据块按 唯一顺序加入区块链，该矿 工获得12.5个比特币奖励 全世界比特币只有唯一一条 公共数据链 10/36 1.2 区块链背景 区块链具有三个关键安全性质： 单向性：给定当前区块，无法以前的区块（不可能） 抗碰撞：给定区块链，无法生成另一个区块链，且最后区块相同（唯一存在） 可验证：区块链中的数据关系可验证（作弊可被发现） 区块 当前区块的Hash值 =hash（A||B||C） 通过尝试随机数B使其开头为N个0 当前时段产生的交易单1 当前时段产生的交易单2 当前时段产生的交易单N 前一区块的Hash值A 当前时段所有交易单求Hash值C 随机数B 区块 当前区块的Hash值 =hash（A||B||C） 通过尝试随机数B使其开头为N个0 当前时段产生的交易单1 当前时段产生的交易单2 当前时段产生的交易单N 前一区块的Hash值A 当前时段所有交易单求Hash值C 随机数B 11/36 1.3 区块链基础知识 1 杂凑函数（Hash）： 将任意长的消息映射为定长 杂凑值的单向函数 抗碰撞攻击：找两个输入 和且，使 这在计算上应当是不可行的 保证区块链上交易不被篡改 抗原像攻击：已知杂凑值 找一个输入串 ，使得 这在计算上应当是不可行的 保证区块链挖矿具有相当大难度 yxy( )( )f xf y ( )hh x x x h 0 x97B4A54FE8 （128或160bits） 0 x2F8D6C3E91X4C7F3C48BD2F3A5AB7 12/36 1.3 区块链基础知识 2挖矿与矿工： 所谓挖矿，就是要用最快的计算机（矿机）找到满足条件的随机数 成功挖到“矿”的人称为矿工，可获得挖矿奖励和交易费奖励 所有节点将随机数加入当前区块杂凑值计算中，努力寻找使区块的杂凑值 为N个0开头的随机数，最先找到满足条件的随机数的节点称为矿工。

前导0的个数 N 由当前全网算力决定，比特币网络会自动调整数学问题的 难度，让整个网络约每10分钟得到一个合格答案 随后比特币网络会新生成一定量的比特币作为赏金，奖励获得答案的人 矿工挖矿奖励最初为50比特币，每4年减半，比特币总量为2100万个，目 前比特币的总量已经达到1600万，当前奖励为12.5比特币 13/36 1.3 区块链基础知识 3算力： 矿工计算杂凑函数的能力，即每秒计算Hash的次数 当前全网算力约为：6,499,803.75 TH/s，即每秒计算 Hash结果约为6.50 1018次 一般来说，个人算力占全网算力的比例越大，成功挖矿的 概率越高 当前区块数约为：47.9万个，存储量约100G 当前比特币市值约为：$44,403,849,136，即444亿美元 14/36 1.4 区块链工作流程 比特币网络 比特币网络中每个节点均保存区块链完整数据 交易地址为公钥，支付方使用私钥签名 Alice支付 2 Bitcoin 给Bob Transaction AliceBob 2 Signature 交易单广播到网络中，但不一定所有节点收到 ？ 节点验证交易合法性：签名、余额 矿工将合法交易记录在新区块上，广播到网络 矿工计算Hash，获得挖矿奖励和交易费奖励 节点只接受最早生成到最长链且合法的区块 交易所在区块后生成6个新区块则认为支付成功 若全网算力51%以上诚实，则比特币安全稳定 15/36 1.5 区块链特点 区块链在分布式对等网络中算法公开透明，靠共识机制建立起各节点间的互信 时间戳和数字签名 保证交易不可逆和 可追溯性 可追溯性 永久记录 不依赖于任何可信 机构激励措施保证 矿工诚信 去中心化 不可篡改 数字签名保证交易不可、 不可篡改、不可否认等特点 算法透明 交易匿名数字签名使用一次性公钥， 隐藏用户身份保证匿名性 共识机制 只有被51%以上算力 认可的记录才能加入 区块链中 16/36 计算新区块 转发交易单 挖矿奖励 交易费奖励 1.5 区块链特点 比特币中激励措施是促进区块链网络顺利进行的保障，各个用户节点为获得奖励 从而积极、诚信地参与交易单转发、新区块转发、新区块计算的工作。

激励 措施 用户 表现 每个用户都希望挖矿获取奖励 决定 17/36 1.5 区块链特点 共识机制是区块链安全和稳定的重要基础：攻破比特币需要获得51%算力， 代价太高且远低于用此算力诚信挖矿所获收益 挖矿代价 空调降温 靠近水电站 获得充足且 低价电费 位于内蒙古鄂尔多斯的比特 币矿场是全球最大的比特币 矿场之一，年上缴电费高达 1亿元人民币 占整个比特币网络占整个比特币网络5%的算力的算力 矿机与报废 18/36 1.6 区块链发展现状 区块链的诞生标志着人类开始构建真正的信用互联网，被称为第四次工业革命 金融 支付（跨境支付）、保险、 证券、股权登记、众筹 公益慈善 区块链捐赠平台 文化、教育、产权、医疗 公共服务领域 区块链应用 供应链金融、供应链溯源 供应链 物联网 区块链物联、汽车租赁 24多个国家正在投资区块链技术 80%的银行启动区块链项目 90多个中央银行加入区块链讨论 90多个公司加入区块链联盟 过去三年区块链的风投超过14亿美元 产生了2500+的区块链相关专利 19/36 1.6 区块链发展现状 世界各国认识到区块链技术巨大的应用前景，开始从国家层面思考区块链的发展 2016年1月20日， 央行称尽快推出 央行发行的数字货币 2016年7月，工信部印发了 关于组织开展区块链技术 和应用发展趋势研究的函 2016年8月11日， 工信部发布 区块链两年规划 2016年10月，工信部发布 中国区块链技术和应用 发展白皮书（2016） 2017年5月，工信部发布 中国首个区块链标准 区块链参考架构 美国司法部举行 数字货币峰会 美国证券交易所批准 在区块链上进行 公司股票交易 美国商品期货交易委员会 强化监管区块链， 把比特币作为大宗商品对待 美国国土安全部研究 区块链在国土安全分析 和身份管理中的应用 英国发布区块链： 分布式账本技术 跟踪福利基金分配 俄罗斯向普京提交 区块链技术 发展路线图 澳大利亚计划用于 选举投票，央行提议 发行数据货币澳元 日本批准数字货币 监管法案，成立 首个区块链行业组织 韩国央行发布 分布式账本技术和 数字货币的现状及启示 联合国社会发展部发布 加密货币以及区块链技术 在建立稳定金融体系中的作用 20/36 物联网现存问题 通信兼容 个人隐私 架构僵化 多主体协同 设备安全 21/36 2.1 物联网现存问题 Mirai创造的物联网僵尸Botnets of Things，可发动DDos攻击，致使 Dyn、Twitter、PayPal 等诸多人气 网站暂时瘫痪。

中央服务器管理者在未经授权的 情况下可能使用其存储和转发隐 私数据成都的266个监控摄像 头被网络“直播” 目前，物联网数据流都汇总到单 一的中心控制系统，随着设备的 几何级数增。