区块链技术及其物联网应用

设备 安全
通信 兼容
个人 隐私
多主体 架构 协同 僵化
22/36
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 几何级数增长，中心化服务成本 难以负担。
2.2 物联网安全和隐私问题
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
0x97B4A5……4FE8 （128或160bits）
1.3 区块链基础知识
13/36
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。
………………
当前时段产生的交易单N
区块链具有三个关键安全性质： 单向性：给定当前区块，无法伪造以前的区块（不可能伪造历史） 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）
1.3 区块链基础知识
12/36
1 杂凑函数（Hash）：
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
1.2 区块链背景
9/36
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
区块
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）
前一区块Βιβλιοθήκη BaiduHash
前一区块的Hash
前一区块的Hash
交易信息
交易信息
交易信息
区块N
区块N+1
区块N+2
1.2 区块链背景
8/36
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
工信部发布 《中国区块链技术和应用
央行发行的数字货币 和应用发展趋势研究的函》 区块链两年规划 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》
21/36
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
2.1 物联网现存问题
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
价值互联网若隐 若现
1.2 区块链背景
7/36
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。
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
前一区块的Hash值A 随机数B
当前时段所有交易单求Hash值C
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
当前时段产生的交易单1 当前时段产生的交易单2
前一区块的Hash值A 随机数B
当前时段所有交易单求Hash值C
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
前一区块的Hash值A
随机数B
当前时段所有交易单求Hash值C
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
当前时段产生的交易单1 当前时段产生的交易单2
区块链技术及其物联网应用
北京航空航天大学
刘建伟 教授
2018-07-22 成都
目录 CONTENTS
1/36 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
区块链相关背景
去中心化 共识机制 永久记录
可追溯性 不可篡改
2/36
1.1 比特币简介
区块链物联、汽车租赁
90多个公司加入区块链联盟
供应链
供应链金融、供应链溯源
过去三年区块链的风投超过14亿美元
公益慈善
区块链捐赠平台
产生了2500+的区块链相关专利
1.6 区块链发展现状
20/36
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
美国司法部举行 数字货币峰会
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》
2016年1月20日， 2016年7月，工信部印发了 2016年8月11日， 2016年10月，工信部发布
央行称尽快推出 《关于组织开展区块链技术
1.6 区块链发展现状
19/36
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
公共服务领域
文化、教育、产权、医疗
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
区块链应用
物联网
90多个中央银行加入区块链讨论
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
2008.10.31
2009.1
2010.5.22
2017.8
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
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
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 x 和 y且 x y，使 f (x) f ( y)
这在计算上应当是不可行的 保证区块链上交易不被篡改
0x2F8D6C3E91X4C7F3C48BD2F3A5AB7……
抗原像攻击：已知杂凑值 h
找一个输入串 x，使得 h h(x)
区块
Block
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。
1.2 区块链背景
11/36
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
全球物联网平台缺少统一的语言，很容易 造成多个物联网设备彼此之间通信受阻并 产生多个竞争性的标准和平台。
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。
目前，很多物联网都是运营商、 企业的内部网络。当涉及到跨多 个运营商、多个对等主体之间协 作时，建立信用的成本很高。
-30
Bob
+30
Hash3
Hash2
Bob
-20
Jerry +20
Tom
-10
Jerry +10
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。
1.1 比特币简介
5/36
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
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。
3/36
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。货币不可伪造性与防止双重花费 由密码算法与协议保证，交易账单记录不可逆、不可伪造、不可否认、可验证。
1.5 区块链特点
16/36
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
不依赖于任何可信
机构激励措施保证 去中心化
矿工诚信
永久记录
算法透明
只有被51%以上算力
共识机制 认可的记录才能加入
区块链中
时间戳和数字签名 保证交易不可逆和 可追溯性
可追溯性
不可篡改
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
1.3 区块链基础知识
14/36
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
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
联合国社会发展部发布 英国发布《区块链： 俄罗斯向普京提交
《加密货币以及区块链技术 分布式账本技术》
《区块链技术
在建立稳定金融体系中的作用》 跟踪福利基金分配
1.4 区块链工作流程
比特币网络
？
Alice支付 2 Bitcoin 给Bob
Transaction
2
Alice
Bob
Signature
15/36
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
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
矿工计算Hash，获得挖矿奖励和交易费奖励 矿工将合法交易记录在新区块上，广播到网络 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
1.1 比特币简介
4/36
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。
Hash1 Hash0 Alice +100 Bob +100 Tom +100 Jerry +100
Hash2
Hash1
Alice
数字签名保证交易不可伪造、 不可篡改、不可否认等特点
1.5 区块链特点
17/36
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。
决定
激励 措施
挖矿奖励
用户 表现
计算新区块
交易费奖励
转发交易单
每个用户都希望挖矿获取奖励
商家
商家
商家
商家/ 消费者
数字签名
信用 背书
第三方机构
数字签名
消费者 消费者 消费者
传统支付系统拓扑
数字签名
VS 交易单
数字签名
商家/ 消费者
区块链系统拓扑
直接 支付
1.1 比特币简介
6/36
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
1.5 区块链特点
18/36
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
矿机与报废
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
空调降温
靠近水电站 获得充足且 低价电费
占整个比特币网络5%的算力
………………
当前时段产生的交易单N
1.2 区块链背景
10/36
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
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）