区块链理论与应用

本书系统地梳理了区块链的基本知识，循序渐进地讲述了区块链体系概念、系统架构、核心原理和应用实践。全书分为8章，主要内容包括绪论、共识算法、智能合约、区块链体系架构（包括公有链、联盟链、扩容技术）、跨链技术、区块链安全、区块链的应用及区块链的发展与展望。

本书的读者对象为区块链领域的高等院校学生和科研人员。同时，对于具备计算机专业技术背景并对区块链技术感兴趣的从业人员，本书也有很好的借鉴作用。

王连海，研究员，工学博士，博士生导师，山东省区块链工程技术研究中心副主任，中国计算机学会区块链专委会委员，山东区块链研究会副理事长，山东计算机学会网络空间安全专委会主任委员。长期从事区块链、计算机取证、网络安全方面的研究。主持或为主参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、发改委信息安全专项、山东省重大科技创新工程等国家级和省部级项目30多项。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖7项。在IEEE TIFS、IEEE TDSC刊物和国际会议上发表论文100多篇，获得发明专利60多项。

徐淑奖，研究员，密码学专业军事学博士，博士生导师，山东计算机学会网络空间安全专委会秘书长，山东区块链研究会理事。主要从事区块链、数据安全与隐私保护、计算机取证等方面的研究。主持或为主参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程、山东省重点研发计划等国家级和省部级科研项目30多项。获省部级科技进步二等奖和三等奖各1项。在Science China、IEEE TIFS、IEEE TCSVT等期刊和国际会议上发表论文60多篇，获批国家发明专利40多项。

张淑慧，研究员，工学博士，博士生导师，泰山学者青年专家，CCF高级会员，山东区块链研究会理事，山东计算机学会网络空间安全专委会委员。主要从事区块链、数据安全与隐私保护、计算机取证、恶意代码检测等方面的研究。主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程等国家级和省部级项目近30项。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项、三等奖2项。相关成果发表SCI/EI收录论文60多篇，申请发明专利70多项。

邵蔚，助理研究员，南开大学博士，长期从事应用密码学、区块链安全、隐私保护、机器学习的基础理论研究与关键技术研发。主持或为主参与国家自然科学基金、山东省自然科学基金5项，在核心刊物和国际会议上发表论文20多篇，获批国家发明专利10多项，获批软件著作权6项。

第1章绪论001

1.1区块链的概念与特性001

1.2区块链的分类004

1.3区块链技术演进006

1.3.1区块链技术的演进006

1.3.2区块链的发展趋势007

1.4区块链面临的挑战009

1.4.1区块链的三角不可能问题009

1.4.2监管问题010

1.4.3跨链互操作问题011

1.4.4链上链下数据协同问题012

1.5本章小结012

参考文献012

第2章共识算法014

2.1共识算法概述014

2.2共识系统基础015

2.2.1分布式系统015

2.2.2一致性问题015

2.2.3FLP不可能原理022

2.2.4拜占庭将军问题023

2.2.5CAP原理与区块链不可能三角024

2.3成员选举类共识算法026

2.3.1PoW026

2.3.2PoS029

2.3.3DPoS030

2.4状态类共识算法031

2.4.1拜占庭类共识算法032

2.4.2Paxos034

2.4.3Raft037

2.5共识算法的新进展040

2.5.1混合共识算法040

2.5.2基于信誉的改进共识算法043

2.5.3时空能效平衡的共识算法045

2.6风险与挑战056

2.7本章小结057

参考文献057

第3章智能合约060

3.1智能合约概述060

3.1.1定义060

3.1.2特性061

3.1.3可编程智能合约062

3.1.4运行机制062

3.1.5两个图灵问题063

3.2智能合约模型064

3.2.1以太坊智能合约模型069

3.2.2超级账本Fabric智能合约模型073

3.2.3FISCOBCOS智能合约模型078

3.3智能合约语言079

3.3.1Solidity079

3.3.2Go语言080

3.4智能合约编译及运行环境081

3.5智能合约示例084

3.5.1以太坊智能合约084

3.5.2Fabric智能合约089

3.6风险与挑战091

3.7本章小结092

参考文献093

第4章区块链体系架构094

4.1区块链架构094

4.1.1区块链分层模型094

4.1.2P2P架构096

4.1.3区块链链式结构097

4.2公有链098

4.2.1公有链的架构与特性098

4.2.2比特币101

4.2.3以太坊104

4.2.4公有链面临的挑战109

4.3联盟链120

4.3.1联盟链的架构与特性120

4.3.2超级账本Fabric129

4.3.3FISCOBCOS135

4.3.4长安链144

4.3.5联盟链面临的挑战146

4.4扩容技术147

4.4.1区块链扩容问题与制约因素148

4.4.2区块链扩容技术概述150

4.4.3区块扩容153

4.4.4频率扩容155

4.4.5架构扩容156

4.4.6分片扩容159

4.4.7链下扩容技术172

4.4.8应用176

4.5本章小结179

参考文献179

第5章跨链技术181

5.1跨链技术概述181

5.1.1跨链技术发展历程181

5.1.2跨链技术需求182

5.1.3跨链约束条件183

5.2公证人跨链机制184

5.2.1技术原理184

5.2.2InterLedger186

5.2.3PalletOne189

5.3哈希锁定跨链技术192

5.3.1技术原理192

5.3.2闪电网络193

5.3.3异构链跨链资产交易194

5.4侧链/中继技术196

5.4.1技术原理196

5.4.2BTCRelay197

5.4.3趣链BitXHub197

5.4.4WeCross199

5.4.5支持审计和仲裁的联盟链跨链数据交互202

5.5分布式私钥控制机制206

5.5.1技术原理206

5.5.2Fusion206

5.6发展趋势与挑战208

5.6.1发展现状与趋势208

5.6.2风险和挑战210

5.7本章小结211

参考文献211

第6章区块链安全213

6.1安全威胁概述213

6.2数据层安全214

6.2.1数据层安全目标214

6.2.2数据层安全问题215

6.2.3数据层安全防御218

6.2.4软硬件协同的区块链安全机制219

6.3网络层安全223

6.3.1网络层安全目标223

6.3.2网络层安全问题224

6.3.3网络层安全防御226

6.4共识层安全227

6.4.1共识层安全目标228

6.4.2共识层安全问题229

6.4.3共识层安全防御233

6.4.4共识安全实例233

6.5合约层安全240

6.5.1合约层安全目标241

6.5.2合约层安全问题241

6.5.3合约层安全防御244

6.6应用层安全246

6.6.1应用层安全目标246

6.6.2应用层安全问题246

6.6.3应用层安全防御248

6.7区块链中的隐私保护249

6.7.1身份隐私保护249

6.7.2交易隐私保护251

6.8区块链安全治理与监管252

6.8.1安全治理252

6.8.2区块链监管256

6.9本章小结278

参考文献278

第7章区块链的应用280

7.1区块链在金融领域的应用280

7.1.1跨境支付280

7.1.2供应链金融282

7.1.3保险理赔284

7.2区块链在网上交易监管中的应用286

7.2.1违法交易行为数据可信采集与存证287

7.2.2电子证据合规核验290

7.3区块链在供应链管理中的应用291

7.3.1木材供应链可信管理291

7.3.2集装箱物流供应链可信管理294

7.4区块链在数据要素流通中的应用298

7.4.1数据精确确权299

7.4.2数据安全共享301

7.4.3访问控制303

7.4.4数据完整性审计310

7.4.5密文数据高效检索314

7.4.6数据操作行为可信审计321

7.4.7分布式人工智能可信训练325

7.5本章小结329

参考文献329

第8章区块链的发展与展望330

8.1分布式金融330

8.1.1DeFi331

8.1.2NFT334

8.2可编辑区块链338

8.2.1概述339

8.2.2原理与算法340

8.2.3发展与展望347

8.3元宇宙和Web3348

8.3.1元宇宙348

8.3.2Web3352

8.4本章小结357

参考文献357

名词索引359