零基础学区块链

前言

FOREWORD

区块链，对于大众是一个新鲜而又陌生的词语，但其个应用载体——比特币，在投资领域可谓家喻户晓。十年前，比特币横空出世，其价值从诞生时的一文不值一路上涨，到峰时每枚接近两万美元，而后开始“跌跌不休”，谷时甚至跌破4000美元，直到2019年6月才重回一万美元大关。这期间的过程犹如过山车，时而一飞冲天，时而俯冲直下，不断地刺激着投资者的神经。随着比特币被越来越多的人所认识和接受，其底层技术——区块链，渐渐浮出了水面。

在区块链被国内大众所认识的这几年，很多企业打着区块链的旗号四处融资，甚至在没有具体产品形态的情况下就进行ICO

（Initial Coin Offering，首次币发行，是一种为加密数字货币或区块链项目

集措资金的方式），后由于没有相关的落地应用而被市场抛弃，投资者的钱打了水漂，导致很多人认为区块链行业就是一个骗局。历史证明，真正的金子都是被风浪冲刷出来的。随着时间的推移，不好的东西必定会被剔除，而好的东西终将闪耀于世。大浪淘沙终有尽，我们不能因为曾经有很多人或机构利用区块链的噱头来坑蒙拐骗，就推测区块链技术一无是处，笃定从事区块链行业的人都是骗子。大破之后必有大立，真正好的技术必定有它的应用需求。

当前区块链已经上升至国家战略高度。2018年5月28日，习近平总书记在两院院士大会上作了重要讲话，提到“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”，这是“区块链”次出现在国家领导人的讲话中，肯定了区块链技术是新一代信息技术的代表之一，为区块链在中国的发展指明了方向。2019年10月30日，国家发展和改革委员会修订发布了《产生结构调整指导目录(2019年本)》，在鼓励类“信息产业”中增加了“大数据、云计算、信息技术服务及国家允许范围内的区块链信息服务”。由此可见，国家对区块链持积极和开放的态度，鼓励社会各界对区块链的商业应用进行探索。目前各地政府、科研机构和企业已投入大量的人力物力开展落地研究，由此催生出了无数的商业想法和应用，涉及金融、制造业、运输业、农业和医疗等各个领域。

这本书讲了什么

本书作为初学者学习区块链技术的入门读物，尽可能用通俗易懂的语言，从小白的角度围绕其个成功应用——比特币展开讨论，在内容上尽量涵盖区块链技术基础知识的各个方面。

本书主要回答了五个方面的问题： 

， 为什么出现区块链技术？本书从货币的发展历程来探讨区块链技术如何满足金融领域的现实需求，进而全面阐述区块链技术的重要性。

第二， 比特币中的区块链技术是什么？本书全面介绍了区块链的核心技术，包括密码学、去中心化及共识机制、分布式网络架构等。

第三， 基于区块链技术的数字货币交易流程是什么？本书介绍了比特币的交易流程、交易结构、交易脚本等。

第四， 区块链技术诞生时的形态是怎样的？本书对中本聪发表的比特币白皮书进行了翻译和详细的解读，让读者了解区块链技术的起源和精华。

第五， 区块链技术未来的发展趋势是什么？本书结合区块链技术在各行各业的应用前景，详细分析了区块链技术发展趋势和落地实施的方向。

本书第1章、第3章、第4章、第6章和第8章由黄芸芸编写，第2章、第5章、第7章、第9章和附录由蒲军编写。书中未详细讲解当今前沿的区块链技术，比如以太坊和EOS(Enterprise Operation System，为商用分布式应用设计的一种区块链操作系统)，感兴趣的读者可以在了解区块链原理的基础上自行阅读相关书籍和资料。

零基础学区块链

前言

如何阅读本书

区块链涉及的学科众多，包含但不限于密码学、经济学、计算机学。本书作为区块链领域的科普读物，更偏重于区块链技术方面的介绍，适合对区块链技术感兴趣的初学者，具有理工科背景的读者更容易理解本书内容。建议读者在通读本书一遍之后，选择感兴趣的章节精读，推荐辅以查阅维基百科。此外，研究中本聪在密码学邮件组与其他人的往来邮件也是一个很好的区块链技术入门辅助途径，帮助读者从本源了解创造者的设计思想，以及比特币从孱弱到健壮的过程。

研究区块链技术就像下棋，需要有严密的逻辑思维。区块链技术本身并没有高深的数学理论，但是它的底层设计极其精密，包括工作量证明机制、数字签名机制、奖励机制、交易模型、防攻击篡改机制等在内的各个模型之间都有关联。希望读者通过阅读本书能够充分领会区块链严谨而巧妙的设计理念。

为什么要写这本书

通往比特币的道路并不是一帆风顺的，比特币的成功得益于其发明者中本聪强大的信念支撑。中本聪作为密码朋克的成员，实现了个去中心化的数字货币，颠覆了人们对货币的认知。密码朋克信奉自由主义，认为没有政府干预或者极少干预能让社会变得更好。中本聪从2007年开始着手研究去中心化的数字货币，历经一年左右的时间，在密码学邮件组公开发表比特币白皮书，标志着区块链的诞生。对于区块链，一直以来都有一群虔诚的人因热爱和信念而坚守它，并为其技术的成熟和落地而奋斗着。终有一天，区块链将服务于人类社会并改变人们的生活。抱着对区块链这一领域的好奇心，笔者走上了研究区块链的道路。

目前国内有关区块链技术的书籍多是译著。南京大学周志华教授在《机器学习》一书中提到“中文书当然要国人自己来写”，笔者对这句话很有共鸣。因为译著经过一道翻译的工序，需要译者对其中的知识点尤为理解，对译者的英文水平和专业知识要求都很高，稍有偏差可能会引起读者百思不得其解。笔者查阅了目前市面上介绍区块链的书籍，大多是金融方面以及应用前景的宏观介绍，单纯介绍区块链技术的书籍很少，而这些书中译著又占了很大的比例，这让笔者萌生了写书的想法，帮助初学者迅速掌握区块链核心技术。

写书的感触

笔者入门区块链较晚，但是区块链颠覆性的设计思路引起了笔者浓厚的兴趣。俗话说，种一棵树好的时间是十年前，其次是现在，于是笔者踏上了研究区块链的征途。从初接触区块链，到理解其原理，再到用通俗易懂的文字将其呈现在读者面前，这期间，有困惑，有迷茫，特别是有些知识点理解起来很别扭，其核心与跳拉丁舞颇为类似——“拧巴”，这在比特币的交易中尤为明显，但无论如何，重要的是接受这个学习的过程，并迎难而上。研究越深入，越能发现很多细微的问题，而后再去解决它们，就能拨开迷雾看区块链，这个曾经的庞然大物变得越来越清晰，笔者经常感觉到“柳暗花明又一村”； 对于不同的知识点，“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”； 当研究到更深层次时，又是“会当凌绝顶，一览众山小”，终体会到区块链的博大精深。新世界的游戏规则，只要你参与其中并认识它们，就会发现无穷无尽的乐趣。当你翻山越岭跋山涉水，到达自由的彼岸时，将看到另一番新奇的景象，这是中本聪和众多密码朋克社区的信念坚持者们在很多前人设计数字货币失败的基础上，创造出的一个全新的世界。

区块链的很多思想甚至可以上升到哲学，比如折中妥协。所谓鱼和熊掌不可兼得，如果要把去中心化做到极致，必须牺牲包含处理时延在内的其他性能。区块链正是因为在数字货币的发展史上找到了一个完美的平衡点，才得以蓬勃发展。相信读者学习研究区块链的过程，也是人生进阶的过程。

在本书的编写过程中，笔者本着严谨的治学态度，小到一个词都会反复斟酌，做到精益求精； 对于模糊的概念，查看国内外相关文献，力求准确无误。但是，区块链技术是一门融合了很多技术的集大成者，各个知识点内容交织缠绕，它们之间有着千丝万缕的联系，要把每一个独立章节介绍清楚，难免会略显啰嗦。但是笔者认为，宁愿啰嗦一点，也要将其以清晰的表达方式呈现在读者面前。另外，将复杂深奥的区块链知识用通俗的文字表达出来，需要在严谨和易懂之间找到平衡，这着实是一门学问，用“绞尽脑汁”这个词一点也不夸张。为了不那么晦涩难懂，笔者在书中用了很多的图表和日常生活中的例子，希望助于读者理解。

达芬奇说过一句话： “Simplicity is the ultimate form of sophistication（简单就是终极的复杂）”。衷心地希望读者能通过本书进入美妙的区块链世界，将书“越看越薄”，后达到心中无剑（书）的至高境界。

写书耗费了笔者工作之余大量的闲暇时间，但屡屡听到垂髫犬女蹦出“区块链交易无法篡改”“区块链就是很多区块组成的链条”之类的话语，让笔者在蓦然惊喜的同时，因能为小女提供这样的家庭学习氛围而感到欣慰，也更加有了写作的动力。

勘误和支持

区块链是一门跨学科技术，笔者才疏学浅，加之时间和精力有限，只是利用工作之余的时间研究，自认为不能准确掌握其方方面面，书中错谬之处在所难免，翻译的英文文献也不尽准确，敬请广大读者朋友批评指正。

比特币刚诞生时，与其他新生事物一样不可避免地存在很多缺陷，比如在早期版本中允许支付者发送无效交易，支付者可以在该交易中创建新的比特币，这个重大缺陷直到2010年7月29日才得以解决并修复至版本0.3.6，而问题修复时，已经产生了几百万枚无效比特币，后来全部被清除出区块链。不可否认，比特币的成功得益于中本聪在密码学邮件组中公开了源码，很多人基于此提出了宝贵意见，让比特币变得健壮。笔者衷心期望本书亦能如此，得到读者们的反馈，后续不断进行完善，使之成为一本受欢迎的区块链入门科普书。

致谢

写书期间，周边可求教的专家很少，笔者经历了很多的困惑，花费了大量的精力，可谓举步维艰。此书的成稿得到了很多老师和朋友的帮助，笔者表示由衷的感谢！

感谢笔者的导师、东南大学信息科学与工程学院执行院长张在琛教授，正是张的《区块链技术驱动金融——数字货币与智能合约技术》一书，将笔者领入区块链这一全新的技术领域。张老师对区块链的真知灼见让笔者坚信区块链是值得深入研究的技术，写书期间也屡屡得到张老师的指导和鼓励，与张老师的交流经常有“听君一席话，胜读十年书”的感觉，给了笔者很大的信心和动力。

感谢云象区块链创始人黄步添先生在繁忙的工作之余抽出宝贵的时间为本书作序； 感谢浙江工商大学计算机与信息工程学院正高研究员刘振广先生和浙江大学计算机学院智能计算&系统实验室区块链负责人陈建海先生两位技术专家为本书提出宝贵意见； 此外还要感谢美国约翰·霍普金斯大学李易助理教授、浙江大学区块链协会发起人、浙江大学客座讲师凌子昂先生、河海大学李超副教授等专家对本书的编写给予的大力支持。

感谢笔者的高中数学老师余晓地老师，正是余老师当年的教学，让笔者对数学的热爱保持至今，区块链的学习多处用到数学知识，帮助很大。余老师学识渊博，执教三十年，桃李满天下，如今年逾古稀仍对新鲜事物保有好奇心，坚持学习，笔耕不辍，使笔者深受感染。

感谢笔者的父母，正是他们在笔者儿时创造的求知上进的家庭环境，让笔者长大后能够力学不倦，在工作之余研究新兴技术，完成书稿。

感谢清华大学出版社编辑文怡，他的专业和敬业令笔者由衷钦佩。在此也对所有为本书付出心血的清华大学出版社的工作人员表示诚挚的谢意。

在完成本书的过程中笔者参阅了大量的文献，其中包括书籍、学术论文、区块链技术报告以及国内外的区块链论坛等，特别参考了中本聪的比特币白皮书、东南大学出版社出版的《精通比特币（影印版）》(第2版)、林华先生主译的《区块链——通往资产数字化之路》和《区块链技术驱动金融——数字货币与智能合约技术》以及中央财经大学朱建明教授等编著的《区块链技术与应用》。对于这些研究区块链的先驱者，笔者在这里致以崇高的敬意。书中注明的参考文献仅仅是获得相关资料的文献，没有一一列出所有的参考文献，部分引用和举例已经很难查证原始出处，在此对原作者表示衷心的歉意和谢意。

写在后

生活在南京，每次路过南京大屠杀纪念馆，看到来自全国各地的青少年接受爱国主义教育时，不禁想起日本右翼分子试图歪曲历史，美化其侵略战争。如果区块链技术早一百年出现，那么这段侵略历史就能被永久地记录在区块链里且无法篡改，否认历史将成为全人类的笑话！ 

黄芸芸

2019年11月，南京 

区块链是融合计算机学、密码学、经济学、政治学、博弈论等多学科理论的跨学科技术。本书作为区块链技术的入门科普读物，尽可能涵盖区块链基础知识的各个方面。全书共9章，第1章通过介绍数字货币的发展历程，回顾区块链技术诞生的背景；第2～7章是本书的重点，内容涉及区块链核心技术，包括密码学、去中心化及共识机制、分布式网络架构、匿名性，以及基于区块链技术的比特币交易流程、比特币钱包等；第8章对中本聪发表的比特币白皮书作了翻译和解读，该白皮书是区块链技术的精华所在；第9章分析区块链技术在各个行业的应用前景，同时介绍两个具体的应用案例，旨在抛砖引玉，启发读者思路；附录部分对当前区块链的热门问题作了详细的解答。

黄芸芸，毕业于东南大学，硕士。目前任职于国内某大型国企，从事IT系统维护和支撑工作，具有十年项目管理经验，曾获国际、国内各种奖项和证书20余项。近几年热衷于研究学习区块链技术，已申请区块链技术发明专利两项。
蒲军，毕业于电子科技大学，硕士，高级工程师。工作十余年期间主持或参与完成多项省市区级科研项目，先后在有线网络、无线通信、智能交通、图像识别从事相关的研发工作，对网络通信与人工智能技术有深入实践经验。近年来潜心研究区块链相关技术，已申请包括区块链技术在内的国家发明专利3项。

目录
CONTENTS

第1章数字货币概述

1.1货币金融体系的发展

1.2记账和价值转移

1.3比特币的出现

1.4区块链简介

1.4.1区块链概述

1.4.2区块链的主要特点

1.4.3区块链技术演进

1.4.4区块链应用部署及基础架构

1.4.5区块链项目及前景

第2章区块链技术基础——密码学

2.1密码学概述

2.1.1密码体制基本组成

2.1.2密码学分类

2.2区块链中的密码学

2.2.1哈希算法

2.2.2密码哈希函数

2.2.3公钥密码算法

2.2.4数字签名

2.2.5哈希指针及梅克尔树

第3章区块链的去中心化

3.1中心化机制及其弊端

3.2分布式共识与去中心化

3.3比特币的共识机制

3.3.1工作量证明机制

3.3.2去中心化共识过程

3.3.3区块链分叉

3.4共识算法的有效性

3.5比特币的激励机制

3.5.1比特币的发行与经济价值

3.5.2比特币的供应与挖矿

3.5.3比特币激励机制的持续有效

3.6比特币的51%攻击

3.7比特币去中心化共识小结

第4章比特币交易

4.1比特币交易步骤

4.1.1交易创建

4.1.2交易全网广播

4.1.3交易收集、打包和挖矿

4.1.4全网验证区块并确认交易

4.1.5全网同步实现交易写入共识区块链

4.2比特币的交易结构

4.2.1交易输出

4.2.2交易输入

零基础学区块链

目录
4.3币基交易结构

4.4比特币的交易脚本

4.4.1脚本语言

4.4.2比特币脚本执行示例

4.5比特币标准交易脚本

第5章分布式系统与比特币网络

5.1分布式系统架构

5.2分布式存储

5.3比特币网络

5.3.1比特币网络架构

5.3.2节点类型和作用

5.3.3扩展比特币网络

5.3.4网络发现与同步

5.3.5简单支付验证(SPV)

5.3.6交易池

第6章比特币密钥对、地址和钱包

6.1比特币密钥对

6.1.1私钥

6.1.2公钥

6.2比特币地址

6.3比特币钱包

6.4高级密钥和地址

第7章比特币系统的匿名性

7.1什么是匿名性

7.2比特币系统的去匿名化

7.3比特币实现匿名性的方法

7.3.1专项混币服务

7.3.2分布式混币

7.3.3比特币网络的匿名

第8章中本聪白皮书译文和解读

第9章区块链技术的应用和发展趋势

9.1区块链技术在各个行业的应用前景

9.1.1区块链在金融领域的应用

9.1.2区块链在物联网领域的应用

9.1.3区块链在大数据领域的应用

9.1.4区块链在医疗领域的应用

9.1.5区块链在教育领域的应用

9.1.6区块链在公证领域的应用

9.2区块链应用案例简介

9.2.1基于区块链技术的视频监控系统

9.2.2基于区块链技术的人脸识别系统

9.3区块链的行业发展趋势

附录区块链常见问题解答

参考文献

后记

区块链是融合计算机学、密码学、经济学、政治学、博弈论等多学科理论的跨学科技术。本书作为区块链技术的入门科普读物，尽可能涵盖区块链基础知识的各个方面。全书共9章，第1章通过介绍数字货币的发展历程，回顾区块链技术诞生的背景；第2～7章是本书的重点，内容涉及区块链核心技术，包括密码学、去中心化及共识机制、分布式网络架构、匿名性，以及基于区块链技术的比特币交易流程、比特币钱包等；第8章对中本聪发表的比特币白皮书作了翻译和解读，该白皮书是区块链技术的精华所在；第9章分析区块链技术在各个行业的应用前景，同时介绍两个具体的应用案例，旨在抛砖引玉，启发读者思路；附录部分对当前区块链的热门问题作了详细的解答。

黄芸芸，毕业于东南大学，硕士。目前任职于国内某大型国企，从事IT系统维护和支撑工作，具有十年项目管理经验，曾获国际、国内各种奖项和证书20余项。近几年热衷于研究学习区块链技术，已申请区块链技术发明专利两项。
蒲军，毕业于电子科技大学，硕士，高级工程师。工作十余年期间主持或参与完成多项省市区级科研项目，先后在有线网络、无线通信、智能交通、图像识别从事相关的研发工作，对网络通信与人工智能技术有深入实践经验。近年来潜心研究区块链相关技术，已申请包括区块链技术在内的国家发明专利3项。