区块链技术进阶指南

推荐序

自从2009年初中本聪实现比特币系统，到目前已经经过10年的时间，火币集团也走过了6个年头。在这期间，区块链技术从零开始，正在日益融入我们的世界。

常会有人问我，区块链的意义是什么？在我看来，区块链是让信息互联网转化为价值互联网的契机。在价值互联网的宏观趋势之下，过去我们把信息上网，如今我们可以探讨把价值上链；过去我们依靠互联网解决信息不对称问题，如今我们通过区块链探讨处理价值不对称问题。

基于价值互联网的思路，区块链应用正在循序渐进地发展。得益于区块链行业的人们不断努力，区块链从*开始单纯实现点对点的电子现金功能，发展到对于供应链金融、票据存证、清结算等传统金融行业的支持，现已演化为对各实体行业进行“区块链 ”改造赋能的应用探索。

然而要做好区块链行业应用并不容易。好的区块链应用要综合做好计算机技术、密码学算法、经济模型、产品运营等多维度的复合工作，任何一环薄弱都可能会影响到*后成效。因此，行业知识的储备与普及至关重要，而区块链技术无疑是实现所有区块链应用*重要的基础之一。

从技术上看，区块链技术已经从*初的以比特币为代表的能完成简单支付的UTXO账本区块链系统，到以以太坊为代表的能处理复杂业务的智能合约区块链平台，再发展到目前综合使用分片、分层、跨链、新型共识机制、新型数据结构、可靠加密算法等多种区块链技术的大型复合架构。这对区块链行业从业者，也即未来新经济模式的引领者们提出了更高的要求：需要能更好、更深入、更全面的掌握区块链技术体系。

在这本书里，煜明带领的火币区块链研究院团队将区块链技术知识进行了很好的归纳和整合。与其他介绍区块链技术的图书不同，本书并没有局限于某一平台或技术，而是从时间上回顾整合区块链技术的发展历程和转变动力，从空间上梳理归纳区块链技术的算法原理和设计实现，帮助读者全景式地了解掌握区块链技术脉络。相信无论是对区块链技术感兴趣的圈外读者，还是已经在行业内奋斗的从业者均可以从本书中汲取知识，获得灵感。

火币是一家数字资产交易服务提供商，也愿当价值互联网的开拓者。区块链技术的繁荣和火币“让金融更高效，让财富更自由”的使命是相辅相成的。希望本书的出版可以助力世界范围内区块链技术的发展与应用落地，加快区块链技术对实体产业的赋能，让我们离价值互联时代更进一步。

火币集团董事长、创始人、CEO

李林

本书从区块链发展历史、账本模型、网络、共识、合约引擎及应用技术等多个方面进行系统性介绍，希望帮助那些对区块链有一些初步概念、但希望深入了解各类区块链平台背后所使用技术的读者，梳理出区块链分层的技术图谱，建立起一个区块链的全局性知识模型。

本书第1章主要介绍了区块链技术的前世今生；第2章整体性介绍区块链技术的知识结构；第3-7章，分别介绍了区块链的账本模型与底层存储、点对点网络的设计与实现、共识原理及常见算法、合约引擎的实现方式、区块链技术应用与生态等。

袁煜明 主编，火币中国CEO兼火币中国区块链研究院院长，曾任兴业证券研究所所长助理，计算机互联网行业首席分析师。毕业于清华大学自动化系，2016年获得新财富*分析师评选计算机行业第2名，2015~2016年获得保险资产管理业分析师评选计算机行业第1名，2015年成为天眼*分析师评选业内*连续三年五星级分析师。

与其他介绍区块链技术的图书不同，本书并没有局限于某一平台或技术，而是从时间上回顾整合区块链技术的发展历程和动力，从空间上梳理归纳区块链技术的算法原理和设计实现，帮助读者全景式地了解区块链技术脉络。相信无论是对区块链技术感兴趣的圈外读者，还是在行业内奋斗的从业者，均可以从本书中汲取知识，获得灵感。

——　李林　火币集团董事长、创始人兼CEO

火币区块链研究院《区块链技术进阶指南》的*章，通过一段一段的故事来分析区块链每次技术爆发的动力和原因。在这些娓娓道来的故事中，我既看到了区块链技术发展的波澜壮阔，又没有错过区块链技术10年发展史中的每一朵小小的浪花。

—黄铭钧　新加坡国立大学杰出教授，新加坡科学院院士，国际计算机学会（ACM）会士，

电气电子工程师学会（IEEE）会士

区块链技术综合性强，对从业者的要求较高，需要从业者既了解密码算法、安全协议、网络通信等相关的理论基础，又掌握数据库、虚拟机等底层技术。很多从业者初接触时会感觉相当深奥，无从入手。《区块链技术进阶指南》是一本既通俗又专业的区块链技术书籍，适合作为区块链从业者的入门*。

——　陈钟　北京大学教授，博士生导师，中国软件行业协会副理事长，中国计算机学会信息保密专业委员会副主任

Libra引发了全球对区块链的关注和研究，《区块链进阶技术指南》的适时推出顺应了时代的发展，为大众了解区块链提供了很好的入口。文章深入浅出，层次分明，娓娓道来，是了解区块链核心技术的不二选择。

——　徐恪　清华大学教授，博士生导师，计算机系副主任

区块链技术的进步是行业发展的前提和基础，《区块链技术进阶指南》一书深入浅出地介绍了区块链的核心技术，将吸引更多人关注和了解这一前沿技术，为行业发展助力加油。

——　马兆丰　北京邮电大学教授，北邮区块链联合实验室主任

《区块链技术进阶指南》这一书名恰如其分。本书的内容衔接了大众科普和学术，不仅深入浅出地梳理了区块链技术原理，同时也列出了原始参考文献，方便技术进阶者开展进一步探究。

——　洪学敏　厦门大学教授，博士生导师，信息学院副院长

*章区块链简史 2

1.1. 区块链的史前时代 2

1.1.1. 密码朋克社区 2

1.1.2. 经济危机与比特币诞生前夜 7

1.2. 公有链的澎湃浪潮 9

1.2.1. 引言 9

1.2.2. 中本聪的星星之火 10

1.2.3. *早的加密货币和区块链社区 12

1.2.4. 10000 BTC for 2 pizzas 13

1.2.5. “丝绸之路”网站 17

1.2.6. 比特金，莱特银 19

1.2.7. POS的诞生 24

1.2.8. bytemaster、DPoS与去中心化公司 27

1.2.9. Vitalik封神，以太坊突进 33

1.2.10. 匿名币群雄并起 43

1.2.11. “黎明女神”EOS以及以太坊的其他“对手” 51

1.2.12. 比特币扩容之争始末 57

1.3. 联盟链的汹涌波涛 65

1.3.1. 引言 66

1.3.2. R3联盟：区块链金融应用领域的务实派 66

1.3.3. HyperLedger Project：区块链金融应用领域的技术派 69

1.3.4. 国内知名区块链联盟 73

2.1. 总体架构 77

2.2. 密码学技术 79

2.2.1. 非对称加密 80

2.2.2. 哈希函数 80

2.2.3. 数字签名 82

2.2.4. 隐私保护 82

2.3. 分布式账本 84

2.3.1. 账本 84

2.3.2. 网络 84

2.3.3. 共识 85

2.4. 合约 85

2.5. 应用 86

2.6. 扩展技术 86

2.6.1. Layer 0 86

2.6.2. Layer 1 87

2.6.3. Layer 2 89

3.1. 账本模型设计 91

3.1.1. UTXO模型 92

3.1.2. 账户模型 97

3.2. 账本结构设计 102

3.2.1. 区块链 102

3.2.2. 区块 104

3.2.3. 新一代区块典型结构——以太坊 106

3.2.4. 有向无环图——DAG 110

3.3. 底层存储的技术实现 113

3.3.1. 区块链的存储方式 114

3.3.2. 新一代存储方式——以太坊 115

3.3.3. 链外扩展存储——IPFS 120

4.1. P2P网络简介 125

4.1.1. 什么是P2P网络？ 125

4.1.2. 从BT下载看P2P网络 125

4.1.3. P2P网络与区块链 131

4.2. P2P网络中的重要技术 132

4.2.1. 分布式哈希表 132

4.2.2. Kademlia协议 135

4.2.3. NAT与NAT穿越 141

4.3. libp2p 149

4.3.1. libp2p是什么？ 149

4.3.2. libp2p的设计 151

4.3.3. libp2p的组成 153

5.1. 共识与一致性 157

5.1.1. 一致性 157

5.1.2. 共识 159

5.2. FLP和CAP 159

5.2.1. FLP 160

5.2.2. CAP 160

5.3. 区块链中的共识及思路 163

5.4. PoX类共识 165

5.4.1. 工作量证明（PoW） 165

5.4.2. 权益证明（PoS） 172

5.4.3. 其他PoX共识 178

5.5. BFT类共识 181

5.5.1. 针对无拜占庭错误场景进行优化 181

5.5.2. 针对拜占庭错误场景进行优化 188

5.5.3. 基于密码学的改进 190

5.6. 混合类共识 191

5.6.1. PoW BFT 191

5.6.2. DPoS BFT 192

5.6.3. Tendermint 192

5.6.4. Algorand 193

6.1. 合约设计 198

6.1.1. 确定性 199

6.1.2. 可终止性 200

6.2. 脚本方式 202

6.2.1. 比特币的分叉币竞争币 203

6.2.2. 匿名加密货币 203

6.2.3. 部分DAG 203

6.2.4. 扩展方法 203

6.3. 容器方式 204

6.4. 虚拟机方式 205

6.4.1. 改进 EVM 207

6.4.2. 兼容传统指令集 208

6.4.3. wasm方式 209

7.1. 应用基础设施-钱包 212

7.1.1. 多角度看钱包 212

7.1.2. 钱包的技术实现原理 215

7.2. 应用的外部辅助机制 225

7.2.1. 预言机Oracle 225

7.2.2. 链下支付通道 230

7.3. Dapp应用生态 236

7.3.1. 主流生态平台现状 237

7.3.2. Dapp生存挑战 239

本书并没有局限于某一平台或技术，而是从时间上回顾整合区块链技术的发展历程和转变动力，从空间上梳理归纳区块链技术的算法原理和设计实现，帮助读者全景式地了解掌握区块链技术脉络。相信无论是对区块链技术感兴趣的圈外读者，还是已经在行业内奋斗的从业者均可以从本书中汲取知识，获得灵感。