本书首先介绍了区块链的起源、概念、技术和特征，并介绍了密码学原理和共识机制等基础理论，在比特币、以太坊和超级账本等典型实践的基础上介绍了一般的区块链技术架构，还专门介绍了公有链、区块链即服务（BaaS）等区块链技术，然后特别介绍了区块链安全与监管、区块链的测试与验证、区块链技术的一些应用及存在的问题，最后介绍了区块链的发展趋势。
本书适用于计算机相关专业的高校师生，其中一些内容（如加密学和区块链应用项目开发）涉及高等代数、计算机编程和软件工程开发等知识，因此更适合作为研究生课程的教材。
前 言
背景与动机
具体哪一年第一次听说区块链这个词，我已经记不清了，但对当时那种新奇的感觉记忆犹新。在我每个学年开设的软件质量保证课程中，“软件新技术介绍”部分是从2017年开始引入区块链知识点的，因为有课件可查，所以我记得清楚。到2019年，随着中共中央政治局组织集体学习区块链，区块链技术的热度到达了顶峰，全国各地的各级政府都开始学习和了解这项新技术。凭着前面几年的学习和积累，在朋友和同事们的鼓励和支持下，我也应邀开始进行 “区块链技术及应用”科普讲座，听众经常达300多人。
为了做好每场报告，我学习了很多相关材料，深切地感受到大家对区块链技术满怀期待，越来越觉得应该把区块链的知识系统梳理一下，形成一本讲义，并准备申请在南京大学计算机系给本科生和研究生开设一门课程。
恰逢2020年的全球新冠肺炎疫情，大家都居家办公，无人来访，我也不能访问别人，正好安心读书，安心著书立说。于是先做一本讲义，试用了三年时间，改进后再出版为教材。
其实，促成这本教材的关键是2020年年初我遇见了30年前的学长郑志强教授，他目前担任得克萨斯大学达拉斯分校Ashbel Smith 讲席教授，是信息系统和金融学双聘教授，博士毕业于沃顿商学院信息系统专业，是信息系统领域国际知名学者，目前研究领域包括区块链、金融科技、智慧健康等。郑教授在区块链研究中专长于数据资产的通证化设计和管理，带领团队自主开发了多项区块链应用，包括水产品区块链溯源、数据算法交易等。他还为多家金融科技初创公司提供技术支持，包括资产通证化估值和管理、供应链金融区块链化等。他是在美国管理学院最早一批开设区块链课程的教授，从2015年开始就讲授区块链技术和应用。
我的博士生陆超逸从2017年开始，一直研究分布式系统的测试与形式化验证。2019年年初，他响应政府号召，顺应时代发展潮流，开始转战区块链系统的测试和形式化验证。
他对这个领域进行了系统的调研和深入的研究，并为本书的编写做了大量的工作。
高维忠是美国甲骨文公司的资深程序员，也是我在南京大学和园的邻居，一直对区块链怀有很高的兴趣。我们晚上一起在南京大学和园西边的九乡河公园散步时，经常讨论区块链的精髓和各种应用，探索下一个区块链的杀手级应用会出现在哪里，以及区块链如何像互联网那样深刻地改变人们的生活。
内容组织
市面上关于区块链的书有不少，但缺乏把区块链核心技术、工程开发及应用系统地讲述透彻且适合于中高级层次（如研究生）学习的教材。本书首先阐述区块链在数字经济中的意义；然后从区块链基础技术入手，系统地解释了加密算法、共识、分布式计算、通证、去中心化、智能合约等核心技术在区块链中如何实现；其后分别开单章全面介绍比特币、以太坊、超级账本三个目前最通用的区块链体系，涵盖公有链、联盟链和私有链的三大体系，总结了区块链的一般技术体系，并专门介绍了公有链技术架构和BaaS?；之后，介绍了区块链工程开发，包括常用的以太坊体系的Solidity和超级账本体系的Fabric，以及区块链项目开发中的软件测试方法、区块链的安全与监控；再后，结合实例介绍了各种应用场景，如溯源、存证、票据、支付、供应链金融等，并着眼于未来，探讨了区块链的一些可能应用，如通证经济、去中心化金融、数据交易等；最后，本书以讨论区块链的未来发展收尾，探讨了新兴技术（如量子计算和零知识证明）对区块链的影响，以及未来区块链如何与大数据、物联网、人工智能相结合。
致谢
本书编写过程中得到了南京大学计算机系各位老师的帮助，这里特别感谢计算机系副主任仲盛教授，以及陈力军教授、申富饶教授和柏文阳副教授等给予的鼓励和支持。感谢江苏省计算机学会金莹秘书长的大力支持。
感谢2017～2022年这6年来选修我的区块链技术与应用课程的本科生和研究生，他们为我的讲义提出了很多有价值的意见和建议。
本书的编写得到国家自然科学项目“智能软件测试的若干关键问题研究”（项目编号：62072226）的资助。区块链技术已经成为信息技术的基础，将来也是智能化软件的基础，未来要做好这个关于智能化软件测试的研究项目，深入研究区块链技术与应用是必不可少的基础。同时，我们也得到了南京大学软件新技术国家重点实验室、南京大学计算机科学与技术系、华为科技有限公司等项目和单位的支持，在此一并表示感谢。
编者于南京大学仙林校区计算机科学与技术楼
2022年5月10日
目 录
推荐序
前言
第1章 区块链概述 1
1.1 区块链技术缘起 2
1.1.1 从密码学历史与金融危机谈起 2
1.1.2 金融交易的管理与信任危机 4
1.1.3 比特币与中本聪的初心 5
1.1.4 区块链技术的起源 7
1.2 什么是区块链 8
1.2.1 身边的区块链 9
1.2.2 区块链的定义 9
1.2.3 比特币与区块链 10
1.3 区块链技术的组成架构 11
1.4 区块链的特点与分类 12
1.5 区块链的发展阶段和社会意义 14
1.6 区块链技术面临的挑战与不足 16
1.7 区块链的应用和监管 18
1.8 我国对虚拟货币和“挖矿”
的相关规定 21
第2章 区块链的密码学原理 23
2.1 对称加密与非对称加密 23
2.1.1 对称加密 23
2.1.2 非对称加密 24
2.1.3 对称加密与非对称加密的
对比 25
2.2 数字签名 25
2.3 RSA简介 28
2.4 哈希算法 29
2.4.1 什么是哈希算法 29
2.4.2 哈希算法的特点 30
2.4.3 SHA256简介 30
2.5 椭圆曲线密码学 33
2.5.1 secp256k1曲线 34
2.5.2 椭圆曲线运算 34
2.5.3 公钥的生成 35
2.5.4 公钥加密，私钥解密 36
2.5.5 签名验证（私钥加密，
公钥解密） 36
2.6 Merkle树 37
第3章 区块链中的共识机制 39
3.1 一致性问题 39
3.2 CAP定理 40
3.3 拜占庭将军问题 41
3.3.1 通过口头消息 42
3.3.2 通过书面消息 43
3.4 共识机制 45
3.4.1 PoW 46
3.4.2 PoS 47
3.4.3 DPoS 48
3.4.4 PBFT 48
第4章 比特币 50
4.1 从货币发展史看比特币 50
4.2 比特币及其生态系统 52
4.3 比特币的概念 55
4.4 比特币区块链结构 56
4.5 比特币交易 60
4.6 比特币地址 65
4.7 比特币钱包 67
4.8 挖矿与区块创建 68
4.8.1 奖励机制 69
4.8.2 挖矿过程 70
4.9 验证 74
4.9.1 交易验证 74
4.9.2 区块验证 75
4.9.3 简单支付验证 75
4.10 分叉处理 76
4.10.1 硬分叉与软分叉 76
4.10.2 挖矿分叉 78
4.10.3 算力51%攻击与双花问题 79
4.11 比特币网络 81
第5章 以太坊 83
5.1 以太坊简介 83
5.2 分叉 85
5.3 货币 88
5.4 Gas 89
5.5 以太坊虚拟机 90
5.6 智能合约 91
5.7 树形存储结构 94
5.7.1 Trie树 95
5.7.2 Patricia树 95
5.7.3 Merkle Patricia树 98
5.8 账户与状态树 100
5.9 以太坊区块 104
5.10 交易验证与区块挖掘 107
5.10.1 交易验证与执行 107
5.10.2 区块挖掘与验证 109
5.10.3 挖矿难度调整 109
5.10.4 区块验证 110
5.11 以太坊网络 111
5.12 典型的以太坊应用 111
第6章 超级账本 113
6.1 超级账本简介 113
6.2 超级账本项目 114
6.3 Fabric 116
6.3.1 核心思想 116
6.3.2 整体架构 117
6.3.3 交易流程 121
6.3.4 可插拔的共识 122
6.3.5 智能合约 123
6.3.6 账本结构 124
6.3.7 链码示例 124
6.3.8 超级账本开发实例—Fabcar
区块链应用 129
6.4 超级账本与以太坊的对比 134
第7章 区块链技术架构 136
7.1 区块链的特征 136
7.2 区块链适用的场景条件 137
7.3 区块链关键技术架构和
发展趋势 138
7.3.1 区块链的关键技术架构 138
7.3.2 区块链技术架构现状 143
7.3.3 区块链技术发展趋势 144
7.3.4 区块链技术发展热点 147
第8章 公有链 150
8.1 公有链的起源和概念 150
8.2 公有链的价值和特征 152
8.3 公有链的技术发展 155
8.4 公有链的治理 163
8.5 公有链的监管 168
第9章 区块链即服务平台——
BaaS 171
9.1 概述 171
9.1.1 企业级区块链服务的意义 172
9.1.2 常见的企业级区块链系统 173
9.2 BaaS的定义和设计原则 177
9.3 BaaS的总体架构 179
9.4 BaaS的基本模块设计 180
9.4.1 区块链服务管理平台的
设计 180
9.4.2 区块链底层关键技术的
设计 182
9.5 BaaS的高阶特性 185
9.5.1 跨云部署 185
9.5.2 跨链交互 185
9.5.3 基于预言机的链上链下
访问 187
9.5.4 分布式的身份管理 188
第10章 区块链安全与监管 190
10.1 从安全视角看区块链技术的
发展和应用态势 190
10.2 区块链技术应用分层架构及
安全风险分析 193
10.2.1 区块链技术典型应用架构
逐渐趋于共识 193
10.2.2 区
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