区块链原理与应用_朱兴雄_9787302694533

《区块链原理与应用：核心技术深度探索》理论结合实践，全面、系统、深入地介绍区块链的基础理论、核心技术、典型应用和多学科融合等，旨在为区块链学习人员提供全面、翔实的知识体系和应用实践指导，帮助他们系统地掌握区块链的核心知识并了解其前沿应用。本书提供习题、配套源代码与教学PPT，便于读者巩固和提高所学知识，也可方便相关高校老师教学时使用。
《区块链原理与应用：核心技术深度探索》共16章，涵盖的内容有区块链的发展历史、密码学基础、分布式账本技术基础、共识机制、智能合约、区块链的可扩展性和面临的挑战、区块链高级架构、区块链的漏洞与安全、区块链的监管环境、当前区块链的应用现状与创新、区块链应用新趋势、区块链应用实践、区块链系统开发、区块链行业前景与发展展望、区块链与数字货币、区块链的创新与前沿技术等。
《区块链原理与应用：核心技术深度探索》内容新颖、丰富，讲解深入浅出，适合区块链开发人员、区块链技术爱好者和想深入了解区块链的人员阅读，也适合金融和供应链等领域的相关人员阅读，还适合作为高等院校和培训机构的教材。

区块链自诞生以来，便被广泛认为是一种具有变革性的力量，它不仅是一项技术创新，更是一种革新的范式转变，能够重塑各行各业，重新定义流程方式，提升经济运行效率，其重要性可与互联网的出现相媲美。各国正积极将区块链技术融入社会、经济和技术生态系统中。例如，在去中心化金融领域，美国用区块链技术重新定义了金融服务，而欧盟则聚焦于数字欧元、数字身份和跨境支付。中国在这一领域的发展尤为突出，区块链服务网络（BSN）和中国人民银行推出的数字人民币等项目，展示了中国在全球区块链领域的领先地位。
虽然区块链技术发展迅速，但是相关图书的出版却显得滞后，多数书籍未能全面涵盖区块链的最新发展和深层次应用，缺乏前瞻性和实践指导。作为区块链研究人员，笔者觉得有必要编写一本书来改变这一现状，为读者提供既深入理论又注重实践的区块链学习指导。
本书不仅系统地介绍区块链的基础理论，如密码学、分布式账本系统、共识机制与智能合约技术，而且通过实际案例深入探讨区块链在供应链和金融等领域的应用，还通过开发一个区块链系统，带领读者从零开始构建区块链原型，从而将理论知识转化为实际开发能力。此外，本书还前瞻性地探讨区块链技术的未来发展趋势，如区块链与量子计算、人工智能的融合以及其在Web3中的应用等。
总之，本书是一本集理论、实践于一体的区块链专业著作，旨在为区块链研究者、爱好者和高校师生等提供全面、翔实的区块链知识体系和实践指导，帮助他们在区块链这一快速发展的领域保持领先，拥有前瞻的视野。通过阅读本书，读者不仅能够掌握区块链的技术原理，而且能够应用这些知识推动经济和社会的创新发展，为创造一个更加美好的世界贡献力量。
本书特色
? 内容全面：系统探讨区块链技术的基础与前沿内容，包括密码学原理、分布式账本结构、共识机制、智能合约、可扩展性、安全性、监管环境和实际应用等。另外，还深入分析后量子密码学、下一代数字货币和区块链创新生态等前沿发展趋势。
? 注重原理：以理论基础为核心，从分布式账本的基本机制和密码安全原理入手，详细解析加密函数、共识算法、区块链架构和隐私计算等关键技术的概念，帮助读者构建坚实的理论基础，为区块链创新与应用做好准备。
? 前瞻性强：详细介绍去中心化金融、中央银行数字货币和跨链互操作等新技术与应用的进展，深入探讨区块链在重塑全球金融、产业与监管格局方面的应用，以及我国在数字货币和智能合约创新领域的发展。
? 实践性强：从零开始开发一个区块链系统，带领读者通过实践案例学习共识协议设计、智能合约开发和性能优化等知识，从而提高读者的动手能力和开发水平。
? 创新性强：注重创新，聚焦区块链发展的趋势、前沿技术与应用，探讨区块链技术生态、应用案例与未来发展，以及中国在区块链创新应用中发挥的关键作用。
本书内容
本书共分为16章，各章内容简要介绍如下：
第1章区块链概论，主要介绍区块链的发展历史、核心概念及其重要性，并深入探讨区块链的去中心化、不可篡改性、透明性与安全性等基本特性，帮助读者全面了解区块链的技术范畴与变革潜力。
第2章密码学基础，详细介绍哈希算法、公钥密码学、数字签名和零知识证明等密码学原理与技术，剖析其在区块链系统中保障数据的完整性、真实性和保密性等方面的作用。
第3章分布式账本技术基础，介绍分布式账本技术架构、账本结构和分布式系统的优缺点，揭示其作为区块链去中心化特性的核心支撑。
第4章共识机制，分析工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、委托权益证明（DPoS）、授权证明（PoA）和经过时间证明（PoET）等共识机制，深入探讨安全性、可扩展性与去中心化之间的权衡。
第5章智能合约，详解智能合约的原理、设计与应用，并分析其局限性、漏洞与高级主题，如智能合约平台和执行环境，从而揭示其在区块链协议执行中的关键作用。
第6章区块链的可扩展性与面临的挑战，介绍分片技术、状态通道与侧链等链上与链下扩展解决方案，帮助读者深入理解区块链的可扩展性与面临的挑战，并分析应对策略。
第7章区块链高级架构，主要介绍企业许可链、互操作区块链和隐私保护区块链，并分析这些架构如何克服传统区块链的局限性，从而推动相关技术的发展。
第8章区块链的漏洞与安全，深入讨论51%攻击、双花漏洞与拒绝服务攻击等常见漏洞，并结合真实案例分析针对这些漏洞的高级防范策略，从而提供提高区块链安全性的实用建议。
第9章区块链的监管环境，主要介绍区块链的全球监管趋势与我国的相关政策法规，并分析法律与道德思考对区块链发展的影响，揭示监管框架对区块链技术发展的塑造作用。
第10章区块链的应用现状与创新，聚焦区块链在金融、供应链、物联网和普惠民生等领域的应用，并探索新颖案例所涉及技术的创新性。
第11章区块链应用新趋势，介绍区块链在数字身份、数据所有权、去中心化金融、非同质化代币与公共服务创新等领域的应用趋势，以及其对新型商业模式与商业格局的重塑。
第12章区块链应用实践，详解超级账本Fabric、区块链存证与取证、基于区块链的供应链3个具体应用的开发与部署，帮助读者提高实际动手能力。
第13章从零开始开发一个区块链系统，带领读者从架构设计、编码与部署、运行与测试几个方面逐步构建一个区块链系统，让读者了解区块链项目的开发过程，以应对实际的开发挑战。
第14章区块链行业前景与发展展望，系统分析区块链专业人士技能、职业发展路径与竞争策略，为读者提供区块链行业洞察与职业规划建议。
第15章区块链与数字货币，探讨数字货币的基础与发展趋势、区块链与数字货币的结合、数字货币的应用等，重点分析中央银行数字货币和稳定币的原理及其对全球的影响，特别是中国数字人民币的领先发展优势。
第16章区块链的创新与前沿技术，展望未来区块链与量子计算、人工智能的融合发展及其在Web3、虚拟现实空间和数字经济中的应用，探讨其可持续性与创新发展，并分析中国在该领域的战略机遇。
读者对象
? 想深入了解区块链的人员；
? 区块链开发人员；
? 区块链技术爱好者；
? 金融、供应链等领域的区块链学习人员；
? 高等院校的本科生和研究生；
? 相关培训机构的学员。
配套资源获取方式
本书源代码和教学PPT等配套资源有两种获取方式：一是关注微信公众号（见书），回复数字48自动获取下载链接；二是在清华大学出版社网站上搜索到本书，然后在本书页面上找到资源下载栏目，单击网络资源按钮进行下载。
阅读提示
各国对区块链和加密货币的政策与法规不尽相同，读者请遵守本国的相关法律法规。本书不构成对区块链、加密货币的任何投资、投机和操作建议。投资有风险，入市需谨慎。
答疑支持
由于笔者水平所限，加之写作时间仓促，书中可能存在疏漏与不足之处，恳请广大读者批评与指正。读者在阅读本书的过程中如果有疑问，可以发送电子邮件获得帮助，邮箱地址见书。

朱兴雄
2025年5月

第1章区块链概论 1
1.1 区块链核心引擎：赋能信任的底层架构 1
1.1.1 密码学前沿 1
1.1.2 共识机制的发展 3
1.1.3 分布式治理与网络经济学 5
1.2 区块链的未来图景：突破局限，拥抱无限可能 6
1.2.1 互操作性与跨链互联 7
1.2.2 可扩展性解决方案 8
1.2.3 隐私计算与可持续发展 9
1.3 区块链应用百花齐放 10
1.3.1 金融科技的革命 10
1.3.2 供应链重塑 11
1.3.3 Web3、虚拟现实空间与物联网 12
1.4 小结 14
1.5 习题 14
第2章密码学基础 15
2.1 区块链密码学导论 15
2.1.1 对称加密与非对称加密 15
2.1.2 哈希算法 18
2.1.3 数字签名和椭圆曲线密码学 20
2.2 安全通信协议 22
2.2.1 安全传输层与安全套接字层 22
2.2.2 零知识证明 23
2.2.3 安全多方计算 24
2.3 区块链中的密码学实现 25
2.3.1 用于交易验证的数字签名方案 25
2.3.2 区块链网络中的密钥管理策略 27
2.3.3 后量子密码学 28
2.4 密码学实践 28
2.5 小结 29
2.6 习题 30
第3章分布式账本技术基础 31
3.1 分布式：范式转变 31
3.1.1 中心化系统和单点故障的局限性 32
3.1.2 拜占庭问题和分布式共识 33
3.1.3 分布式网络的信任模型：拜占庭容错与概率信任 35
3.2 不可变账本：区块链架构 36
3.2.1 区块结构和数据组织 36
3.2.2 哈希链接和防篡改记录 38
3.2.3 共识机制 39
3.3 分布式账本的实施 40
3.3.1 公共区块链与许可链简介 40
3.3.2 智能合约集成和可编程区块链 41
3.3.3 互操作性和跨链通信协议 43
3.4 分布式账本技术实践 44
3.4.1 比特币创世区块的原始数据及其字段分解 44
3.4.2 编程计算区块头哈希值 46
3.5 小结 47
3.6 习题 48
第4章共识机制 49
4.1 工作量证明：先驱方法 49
4.1.1 挖矿基础：哈希算力和难度调整 49
4.1.2 安全分析：51%攻击和安全权衡 51
4.1.3 能耗问题和节能型挖矿策略 51
4.2 权益证明：更环保的替代方案 52
4.2.1 基于代币所有权的权益证明机制和区块验证 52
4.2.2 用于高吞吐量的拜占庭容错变体 54
4.2.3 委托权益证明和实用拜占庭容错 54
4.3 新兴的共识机制 56
4.3.1 许可链的授权证明 56
4.3.2 经过时间证明和随机区块选择 57
4.3.3 燃烧证明和基于资源的共识模式 58
4.4 共识机制实践 60
4.5 小结 61
4.6 习题 62
第5章智能合约 63
5.1 智能合约的力量：自执行协议 63
5.1.1 智能合约的图灵完备性和局限性 63
5.1.2 基于智能合约构建去中心化应用 65
5.1.3 智能合约用例：供应链管理和去中心化金融 66
5.2 智能合约设计与开发 69
5.2.1 用于创建智能合约的Solidity编程语言 69
5.2.2 安全注意事项：重入攻击和缓解措施 70
5.2.3 测试和审计智能合约的稳健性 72
5.3 智能合约平台和执行环境 74
5.3.1 以太坊虚拟机和Gas费用 74
5.3.2 替代智能合约平台：EOS和超级账本Fabric 75
5.3.3 互操作智能合约与跨链通信 76
5.4 智能合约实践 77
5.5 小结 78
5.6 习题 79
第6章区块链的可扩展性和面临的挑战 80
6.1 当前区块链面临的技术瓶颈 80
6.1.1 交易吞吐量限制与可扩展性困境 80
6.1.2 区块大小和交易确认时间 82
6.1.3 去中心化与可扩展性：寻找恰当的平衡 83
6.2 第一层扩展解决方案 84
6.2.1 增加区块大小优化吞吐量 84
6.2.2 分片：跨节点分布式交易处理 85
6.2.3 有向无环图用于更快的共识 86
6.3 第二层扩展解决方案 87
6.3.1 状态通道和支付通道用于链下交易 87
6.3.2 等离子框架和交易汇总实现可扩展的智能合约 89
6.3.3 侧链：独立于主链的区块链 90
6.4 区块链可扩展性实践 91
6.5 小结 93
6.6 习题 93
第7章区块链高级架构 95
7.1 企业应用许可链 95
7.1.1 超级账本Fabric：联盟链平台 96
7.1.2 许可链的共识机制：实用拜占庭容错和Raft 97
7.1.3 身份管理与访问控制机制 101
7.1.4 超级账本Fabric：网络、通道和链码 103
7.2 互操作区块链和Web3的发展趋势 105
7.2.1 跨链通信协议：Cosmos和Polkadot 106
7.2.2 互操作智能合约和去中心化交易所 108
7.2.3 构建统一的区块链生态系统：Web3愿景 110
7.3 隐私增强型区块链 112
7.3.1 零知识证明 112
7.3.2 环签名和机密交易 114
7.3.3 如何在区块链系统中平衡隐私与透明度 118
7.4 小结 120
7.5 习题 120
第8章区块链的漏洞与安全 122
8.1 常见的区块链安全威胁 122
8.1.1 51%攻击 122
8.1.2 智能合约漏洞和重入攻击 123
8.1.3 Sybil攻击和拒绝服务攻击 124
8.2 智能合约安全编码实践 125
8.2.1 代码审查、审计和形式验证技术 125
8.2.2 如何安全地使用库来避免常见漏洞 127
8.2.3 密钥管理和访问控制实践 128
8.3 区块链安全研究和新的解决方案 129
8.3.1 保护区块链安全的后量子密码学 129
8.3.2 智能合约安全保障的形式化验证工具 130
8.3.3 去中心化安全协议和漏洞赏金计划 130
8.4 区块链的安全实践 131
8.5 小结 132
8.6 习题 132
第9章区块链的监管环境 134
9.1 当前监管机构对区块链技术的监管方法 134
9.1.1 区块链资产分类：证券与公用事业代币 134
9.1.2 AML和KYC规则 135
9.1.3 全球监管和协调的必要性 136
9.2 智能合约的法律影响 137
9.2.1 智能合约的可执行性原则和争议解决机制 137
9.2.2 去中心化自治组织和法律框架 139
9.2.3 监管的不确定性和智能合约应用的未来 140
9.3 负责任的创新和思考 140
9.3.1 区块链对环境的影响 141
9.3.2 数据保护问题探讨 142
9.3.3 区块链的开放性和信任机制 143
9.4 区块链监管实践 144
9.5 小结 145
9.6 习题 145
第10章当前区块链的应用现状与创新 147
10.1 金融普惠与创新 147
10.1.1 监管与合规框架 147
10.1.2 供应链金融与贸易融资 148
10.1.3 可编程货币与新型金融工具 149
10.2 实体经济赋能与产业升级 150
10.2.1 供应链重塑与可追溯性 150
10.2.2 物联网与工业区块链 151
10.2.3 数字资产与知识产权保护 153
10.3 政府治理与社会创新 155
10.3.1 数字身份与可信电子凭证 155
10.3.2 可追溯的监管与问责系统 157
10.3.3 社会公益与普惠民生 158
10.4 当前区块链应用与创新实践 160
10.5 小结 162
10.6 习题 163
第11章区块链应用新趋势 164
11.1 数字身份与数据所有权 164
11.1.1 数据市场的兴起 164
11.1.2 数字身份标准化 165
11.2 价值创造与新型商业模式 167
11.2.1 去中心化平台和新型市场简介 167
11.2.2 知识产权保护 168
11.3 传统行业革新与商业格局重塑 170
11.3.1 政府治理与公共服务创新 170
11.3.2 医疗健康数据管理与隐私保护 171
11.4 区块链应用实践 172
11.5 小结 174
11.6 习题 174
第12章区块链应用实践 175
12.1 超级账本Fabric应用实践 175
12.1.1 安装超级账本Fabric 175
12.1.2 运行超级账本Fabric 177
12.2 区块链存证与取证 178
12.2.1 编写存证智能合约 178
12.2.2 在通道中部署智能合约 180
12.3 基于区块链的供应链 183
12.3.1 区块链供应链的智能合约 184
12.3.2 区块链供应链的应用后端 187
12.3.3 区块链供应链的应用前端 192
12.4 小结 195
12.5 习题 195
第13章从零开始开发一个区块链系统 197
13.1 区块链的基本组成 197
13.2 编码实现 198
13.2.1 设置项目环境 198
13.2.2 编写区块链的类 198
13.3 运行和测试区块链 201
13.3.1 编写并部署区块链应用 201
13.3.2 区块链操作的API 204
13.3.3 使用cURL测试区块链 204
13.4 小结 207
13.5 习题 208

第14章区块链行业前景与发展展望 209
14.1 区块链专业人士技能 209
14.1.1 编程语言 209
14.1.2 密码学和分布式系统 211
14.1.3 分析和解决问题的能力 212
14.2 教育途径和资源 214
14.2.1 以区块链教育为重点的大学课程 214
14.2.2 用于区块链教育的在线学习平台 214
14.3 区块链行业的持续发展 215
14.3.1 区块链开发人员、智能合约工程师和安全专家 215
14.3.2 区块链分析师、顾问和项目经理 216
14.4 小结 217
14.5 习题 217
第15章区块链与数字货币 219
15.1 数字货币的基础与发展趋势 219
15.1.1 央行数字货币 219
15.1.2 稳定币与去中心化货币 221
15.2 区块链与数字货币的结合 223
15.2.1 数据结构和存储模型：Merkle树与交易完整性验证 223
15.2.2 密码学基础：椭圆曲线数字签名算法 224
15.2.3 共识算法：工作量证明与难度调整 224
15.2.4 零知识证明与隐私保护 225
15.3 数字货币的应用与未来 225
15.3.1 跨境支付与数字货币的融合 225
15.3.2 数字货币的未来 228
15.4 小结 229
15.5 习题 229
第16章区块链的创新与前沿技术 231
16.1 区块链与量子计算的融合与挑战 231
16.1.1 量子计算与区块链的潜在冲击 231
16.1.2 基于格的密码学 233
16.1.3 后量子密码学与区块链的适配方案 235
16.1.4 量子加密与量子链的前景 236
16.2 区块链与人工智能 238
16.2.1 区块链驱动的人工智能平台 238
16.2.2 去中心化的人工智能市场与区块链应用 241
16.2.3 区块链和人工智能结合的行业变革 241
16.3 Web3与虚拟现实空间生态系统 243
16.3.1 区块链作为Web3的基础 243
16.3.2 数据代币化经济与用户所有权模式 244
16.3.3 区块链在虚拟现实空间中的应用 245
16.4 塑造更具创新性和可持续性的未来 246
16.4.1 区块链开发标准和互操作性解决方案 246
16.4.2 构建更具包容性与可持续性的未来 247
16.4.3 区块链经济在各行各业中的应用 248
16.5 小结 249
16.6 习题 250

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