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雪月书韵茶香

昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路


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区块链技术

  1. 区块链概述
    1. 区块链历史
    2. 区块链特点
      1. 去中心化
      2. 开放性
      3. 自治性
      4. 不可篡改性
      5. 匿名性
    3. 区块链基本模型
      1. 数据层
      2. 网络层
      3. 共识层
      4. 激励层
      5. 合约层
      6. 应用层
  2. 数字货币与比特币
    1. 数字货币和比特币
    2. 比特币钱包
    3. 挖矿
  3. 共识机制
    1. 为什么区块链技术需要引入共识算法?
    2. 拜占庭将军问题
    3. 工作量证明机制(PoW)
      1. 工作量证明机制的优缺点:
    4. 权益证明机制(PoS)
      1. 权益证明机制的优点
  4. 智能合约
    1. 智能合约
      1. 智能合约的历史
      2. 智能合约工作原理:
      3. 智能合约的优点
    2. 以太坊
      1. 以太坊与比特币的区别
  5. 区块链应用
    1. 超级账本项目
      1. 超级账本的项目背景
      2. 超级账本项目
    2. 区块链的应用前景
      1. 区块链 + 金融
      2. 区块链 + 医疗
      3. 区块链 + 供应链
      4. 区块链 + 版权保护

区块链概述

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区块链历史

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广义上来讲:
区块链技术是一种综合应用了

  • 分布式数据存储
  • 点对点传输
  • 共识机制
  • 加密算法

等计算机技术的技术组合。

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狭义:

区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合而成的一种链式数据结构,并通过密码学手段实现的不可篡改、不可伪造的分布式账本。

广义:

区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式结点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和数据访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种或全新的分布式基础架构与计算方式。

比特币的诞生
比特币是区块链技术的一种典型应用也是区块链的历史起源。
那么比特币是如何出现的呢?
中本聪是比特币的开发者兼创始人,在 2008 年 11 月发表了著名的论文《比特币点对点的电子现金系统》,并于 2009 年挖掘出了比特币的第一个区块,也称为是创世区块,获得了第一笔 50 枚的比特币奖励,第一个比特币就此问世。
当时正处于金融危机时期,为了纪念比特币的诞生,中本聪将当天泰晤士报头版标题刻在了第一个区块上,由于当时了解比特币的只有狂热于互联网技术的极客们,所以比特币还显得相当小众在 2010 年 5 月 12 日就有程序员用 1 万比特币购买了两个块披萨,以 2017 年比特币的最高价格计算,当时购买的两个披萨的价值折合约为 11 亿元人命币,堪称史上最贵披萨。
这笔交易也使得比特币第一次拥有了公开价值。
随着比特币的诞生区块链技术才得以公之于众,其产生和发展都离不开比特币。

区块链特点

  • 去中心化
  • 开放性
  • 自治性
  • 不可篡改性
  • 匿名性

去中心化

  • 区块链系统中不存在中心化的管理机构。
  • 区块链数据的存储传输和验证过程均基于分布式的系统结构,整个网络不存在中心节点。
  • 公有链网络中所有参与的节点都具有同等权利与义务。
  • 任一结点的损坏都不会影响到整个系统的运作。

开放性

除了交易各方的私有信息被加密外,区块链的数据对所有人公开,提供灵活的脚本代码系统,整个系统信息高度透明,并且在系统指定的规则范围内,节点之间无法相互欺骗。

自治性

  • 共识技术
  • 智能合约

区块链通过共识技术和智能合约技术让系统中所有节点能够在互不信任的环境中自由安全地进行数据交换。

不可篡改性

区块链中每个新产生的区块严格按照时间顺序推进。时间具有不可逆性,任何试图篡改区块链数据的行为都很容易被追溯。从而使区块链技术具有不可篡改性。

匿名性

区块链技术采用与用户公钥关联的地址作为用户标识,不需要传统的第三方认证中心颁发数字证书,交易不和用户真实身份关联,只是和用户的地址关联。因此具有匿名性。

区块链基本模型

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数据层

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  • 非对称加密
  • 时间戳
  • 哈希函数

网络层

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  • P2P 组网机制
  • 数据传输机制
  • 数据验证机制
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P2P 组网技术早期应用在 BT 这类 P2P 下载软件中,这就意味着区块链具有自动组网功能,使得区块链系统中每一个节点都能参与区块数据的校验和记账过程,仅当通过大部分结点验证后,才能够计入区块链。

共识层

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区块链的共识层封装了网络节点的各类共识算法。共识算法是区块链的核心技术,让全网的节点在去中心化的系统中高效地对区块数据的有效性达成共识,解决了分布式系统中的拜占庭将军问题,最终决定了到底是由谁来进行记账。目前已经出现了 10 余种共识算法,其中比较知名的有

  • 工作量证明机制 POW
  • 权益证明机制 POS
  • 股份授权证明机制 DPOS

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数据层、网络层、共识层是构建区块链技术的必定要素,缺少任何一层都不能称之为真正意义上的区块链技术。

激励层

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激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来,包括经济激励的发行机制和分配机制,主要出现的公有链当中,其重要作用是为区块链提供一定的激励措施,鼓励节点共同完成区块链系统的运行工作。比如比特币系统将挖矿提供的比特币奖励和交易手续费作为主要的经济激励机制,完成比特币交易。
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而在私有链和联盟链当中则不一定需要激励,因为参与这样的节点往往是在链外完成了博弈,通过强制力或自愿来要求参与记账。

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合约层

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合约层封装了各类脚本算法和智能合约是区块链的可编程特性的一个基础。
例如比特币本身就具有简单脚本的编写功能而以太坊极大的强化了编程语言协议,我们称之为智能合约。智能合约技术从理论上来讲可以编写实现任何功能的应用,而这种编程特性使得区块链能够支持诸如互联网金融、医疗数字版权保护等逻辑更加复杂的应用场景。

应用层

应用层封装了区块链的各种应用场景和案例,比如搭建在以太坊上的各类区块链应用就部署在应用层,而未来的可编程金融和可编程社会也将搭建在应用层。

激励层、合约层、应用层并不是区块链技术的必然要素,一些完整的区块链应用不需要完整的包含后三层结构

数字货币与比特币

数字货币和比特币

数字货币(Digitalcurrency)是电子形式的替代货币。

目前任何政府的中央银行都没有表示要发行·数字货币。
数字货币不同于游戏当中的虚拟货币,它不一定要有中央发行机构,而虚拟货币则需要有中心化的发行机构。
数字货币的价值也不同与虚拟货币。因为数字货币能够被用于真实的商品和服务交易而不局限在网络游戏中。

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点对点的传输意味着一个去中心化的货币系统,与大多数货币不同,比特币不依赖与特定的货币发行机构,它依据特定算法通过大量的计算产生,比特币使用整个 P2P 网络当中众多节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易行为,并使用密码学的设计 来确保货币流通各个环节的安全性。

比特币钱包

比特币如何进行存储进而实现支付功能呢?
下面聊一下这个比特币钱包,不过在此之前先了解以下基本概念。

私钥
对于比特币来说 私钥类似于银行卡的密码,拥有私钥就拥有了对应比特币的使用权限,而事实上私钥是一个总长度为 256 位的二进制“随机数”,每位的值只有 0 或 1 两个值。
而私钥的形式通常如下图样式的字符串。
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支持比特币协议的应用都可以正常的把这串字符串转换为比特币的私钥,再转换出公钥最后得出一个地址。
地址
地址是私钥利用哈希函数计算出来的固定长度的字符串,生成方向是单向的,实现支付、转账、提现等功能。

比特币钱包--简介

比特币钱包里存储着比特币信息包括

  • 比特币地址
    比特币地址类似于银行卡的账号
  • 私钥
    私钥类似于银行卡的密码
    具体来说比特币钱包其实是“私钥、地址和区块链数据的管理工具”,随机生成私钥,计算比特币地址,维护相关区块链数据,列出接收、花费的账目。

比特币钱包--分类
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挖矿

哈希函数
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哈希函数是一类数学函数,可以将任意长度的输入数据压缩为固定长度的输出数据。源数据中任何细微的改变都会导致计算出来的哈希值发生变化,称为“雪崩效应”。

随机数

随机数 Nonce 就是添加在数据后面的一个随机数字,改变随机数可以产生不同的哈希值。

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挖矿
挖矿是指对一段时间内系统中发生的交易进行确认并形成新区块的过程。
这个区块是新形成的区块,简单的说来,每个矿工通过进行哈希函数运算得到一个特定格式的数值计算出符合要求的数值的矿工就能获得记账的权利,并且得到比特币的奖励 。
在整个过程中,系统利用工作量证明算法 PoW(Proof of Work)达成共识,挖矿只是对该算法的形象化表述。

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矿工通过吧网络中尚未记录的交易打包到一个区块,对区块头中的数据进行哈希运算。
这些数据包括前一区块的哈希值、交易数据的哈希值、时间戳、挖矿难度值以及随机数。
而哈希值得计算很简单,但是比特币系统要求新的 hash 值具有特定的格式。这个特定的格式是指必须以一连串特定数量的 0 开始,矿工并不知道哪个 随机数可以产生这样的哈希值,因此需要不断递增 Nonce 值,对新得到的字符串进行哈希运算。直到他们碰巧找到符合规则的哈希值,一但找到满足条件的 Nonce 值就表示挖矿成功,获得了当前区块的记账权。
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挖矿也是比特币系统发行新币的唯一方式。

比特币系统相当于一个去中心化大账本,每个区块就是账本中的一页。系统自动生成比特币作为奖励激励矿工参与记账,每十分钟全体矿工一起计算一道问题,最先算出答案的矿工获得记一页账的权利。

记账完成后,他将自动获得一定量的比特币。这就是比特币的发行过程。

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比特币发行完毕之后,新的区块不再包含比特币奖励,矿工的收益全部来自于交易费。

共识机制

为什么区块链技术需要引入共识算法?

在利用区块链构造的去中心化账本中,需要解决的首要问题就是,如何实现不同账本节点上的账本数据的一致性和确定性。这就需要利用分布式系统中实现状态共识的算法,确定网络中选择记账节点的机制,以及保证账本数据在全网中形成一致,确定的共识。

拜占庭将军问题

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拜占庭帝国拥有巨大财富,周围的十个邻国垂涎已久,并且每个领过的行动需要将军来指挥,但是拜占庭很强大,任何将军的单独入侵都会失败同时也有可能被其他九个将军入侵。于是,至少要有一般的将军同时进攻才有可能攻破 拜占庭。然而,如果有一个或者几个将军原本答应好一起进攻,但实际过程出现背叛而未发起进攻,那么入侵者就有可能被歼灭。于是每一方都小心行事,这就是拜占庭将军问题。

问题中各个邻国最重要的问题就是所有将军如何能够达成共识去攻打拜占庭帝国。

假设十个邻国都可以派人向各个国家传信。比如约定“某天早上六点,一起进攻拜占庭,同意就签字”。收到信的国家如果容易就在原信上签名盖章。倘若每个国家都各自向其他九个国家派出信使,此网络需要 90 次传输才能完成一轮的信息交换。但是每个国家可能 回馈不同的进攻时间,在这种异步通信模式下,如何将达成共识是一个很大的问题。

解决方案:
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历史上有人提出口头协议和书面协议来解决这些问题,但是都存在局限性,在实际应用中可以使用区块链技术来解决这个难题。

区块链技术如何解决拜占庭将军问题
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在拜占庭将军问题中,任何人都可以发送进攻的消息,区块链技术在系统中加入了发送消息的成本,这个成本就是工作量,节点必须在一段时间内完成一项特定的计算工作才能向邻国广播消息,利用时间戳技术,节点确保第一个完成该计算工作的 节点才能广播消息,即一段时间内只有一个节点可以广播信息,当某个节点发出统一进攻的消息后,各节点必须对消息进行签名确认各自的身份,利用非对称加密算法系 = 系统可以保护消息内容,并且让消息接收方确认发送方的身份,每个将军都有实时同步的消息账本,如果某个背叛的将军的消息和其他将军不一致,账本里的签名就可以验证他的身份,最终只要超过半数消息一直就可以达成共识。进而解决了拜占庭将军问题。

工作量证明机制(PoW)

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矿工生成最新区块的头部信息,然后将头部信息作为参数,将 Nonce 值从 0 开始做双重 SHA256 运算,如果结果不符合要求,则将 Nonce 值 ➕1 后重新计算。直到计算出符合难度目标的答案,表明挖矿成功。
所以挖矿的本质就是找到一个 Nonce 值,使最新区块的头部信息的哈希值满足难度目标的条件。

工作量证明机制的优缺点:

优点

  • 1.完全去中心化,算法简单,容易实现
  • 2.节点键无需交换额外的信息即可达成共识
  • 3.破坏系统需要投入极大的成本

缺点

  • 1.挖矿造成大量的资源消耗
  • 2.共识达成的周期较长

权益证明机制(PoS)

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权益证明机制(Proof of stake),简称 PoS,也称股权证明机制,他要求各节点证明自己有一定数量的代币(也就是所谓的权益)来竞争下一区块的记账权。

用户可以用现实货币购买代币,并在 PoS 机制当中来使用代币,这样一来用户就拥有了参与记账的机会,用户拥有的代币数量越多获得记账权利的概论就越大。

典型应用--点点币
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采用权益证明机制,并利用币龄表示各节点的权益,但是它仍然采用 PoW 机制进行挖矿。币龄是持币数量和时间的乘积。

例如 用户拥有 100 个币,总共持有了 30 天此时币龄为 3000 。各节点必须持有代币 30 天以上才有资格进程下一区块的记账权。当节点签名了区块,它的币龄将清为零,必须等待至少 30 天才能签署下一个区块。为了防止恶意节点利用高币龄控制区块链,系统要求币龄在 90 天后自动清零。

对于采用 PoS 机制的点点币,系统采用根据币龄分配相应的奖励。当签名了一个 POS 区块后,币龄就会被清空为 0. 没被清空 365 个币龄,将获得 0.01 个币的奖励。
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例如用户将 3000 币龄用于签名区块,得到的利息为:

3000 * 1 % / 365 = 0.082 个币。

权益证明机制的优点

  • 1.一定程度上缩短了全网达成共识所需的时间。
  • 2.各节点不需要比拼算力挖矿,不会造成过多的算力浪费。
  • 3.攻击者对货币系统的攻击难度变大

如果攻击者想要对使用 PoS 机制的系统发起攻击,必须搜集系统中 50% 以上的代币数量,而这样成本高,并且执行难度大。而引入币龄的概念,区块生成后币龄自动清零,攻击者将无法持续的攻击。

智能合约

智能合约

智能合约的历史

20 世纪 90 年代,从事数字合约和数字货币研究的计算机科学家尼克萨博提出了“智能合约“这个以概念,目的是将已有的合约法律法规以及相关的商业实践转移到互联网上来,使得人们通过互联网就可以实现以前只能在线下进行的商业活动。

当时很多技术还不成熟,无法实现研究者的构想,目前借由区块链技术智能合约得以高速发展,很多研究机构都已经将区块链上的智能合约作为未来互联网合约的重要研究方向。

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智能合约是一种计算机协议,这类协议一但制定和部署就能够实现自我执行和自我验证而且不再需要人为的干预。从技术角度来说智能合约可以被看作为一种计算机程序,这种程序可以自主的执行全部或部分与合约相关的操作,并产生相应 的可以被验证的数据。以证明合约操作的有效性,在部署智能合约之前,与合约相关的所有条款的逻辑 流程就已经被制定好了。

智能合约工作原理:

  • 构建智能合约
    智能合约由区块链内的多个用户共同参与制定,可用于用户之间任何交易行为,协议当中明确了双方 的权利和义务,开发人员将这些权利和义务以电子化的方式 进行编程,代码中包含会触发 的合约自动执行的条件。
  • 存储合约
    一旦代码完成这份智能合约就被上传到区块链网络上即全网验证结点都会接收到合约。
  • 执行合约
    智能合约会定期检查 是否存在相关的事件和触发条件,满足条件的事件将会被推送到待验证的队列中,区块链上的验证节点,先对事件进行签名验证以确保其有效性。等大多数验证节点对该事件达成共识后,智能合约将成功执行并通过通知用户。

智能合约的优点

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  • 高效的实时更新能力

由于智能合约的执行不需要第三方的或中心化的代理服务的参与,能够在任何时候响应用户的请求,大大的提升了交易的效率,用户只需要通过网络就方便快捷的办理业务。

  • 准确执行

智能合约的所有条款和执行过程是提前制定好的,并且是在计算机的控制下进行,因此所有执行的结果都是准确无误的。

  • 较低 的人为干预风向

在智能合约部署之后,合约的所有内容都无法修改,合约当中的任何一方都不能干预合约的执行,如果合约人恶意毁约就会受到响应的处罚。而这种处罚也是在合约制定之初就已经决定了,在合约生效之后无法更改。

  • 去中心化

一般来说,智能合约不需要中心化的权威机构来仲裁按规矩执行,合约的监督和仲裁都由计算机来完成。

  • 较低的运行成本

智能合无需人为干预,能够大大减少合约履行、裁决和强制执行所产生的人力成本,但要求合约制定人能够将合约的各个细节在合约建立之初就确定下来,由于缺少可信的执行环境,区块链技术出现以前,智能合约并没有被应用到实际产业中。自从区块链诞生后,人们认识到区块链可以为智能合约提供可信的执行环境,例如以太坊就实现了区块链和智能合约的完美契合。

以太坊

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广义
以太坊(Ethereum)是一个开源的有智能合约功能的公共区块链平台,提供以太坊虚拟机(Ethereum Virtual Machine)来处理智能合约,属于区块链 2.0 架构。

狭义

以太坊是指一系列定义去中心化平台的协议,它的核心以太坊虚拟机,可以执行任意复杂的算法。以太坊区块链数据库由众多连接到网络的节点来维护和更新 ,每个网络节点都运行着以太坊虚拟机并执行相同的指令,以太坊利用了很多跟比特币类似的机制来维护一个更小 的计算平台,可以灵活且安全的运行用户编写的任何程序。

以太坊与比特币的区别

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    • 1.出块时间:比特币平均十分钟产生一个区块,而以太坊基本稳定在 15 秒产生一个区块。
  • 2.奖励机制:比特币初始奖励 50 个比特币,每四年记账的奖励会减少一半,目前每挖掘一个区块奖励 12.5 个比特币。而以太坊的奖励不变,每次奖励五个以太币。
  • 3.叔块:由于以太坊的出块时间短,导致以太坊很容易出现孤块,孤块是指不在最长链上的区块,比特币的孤块没有任何区块奖励,但是在以太坊中孤块可以被引用,被引用的孤块被称为叔块,它们打包的数据也会记录在区块链中,以太坊引用叔块也可以获得一定的以太币奖励。
    1. 账户:以太网存在两种账户一种是外部账户一种是合约账户,外部账户是由公钥和私钥对来控制,它的地址是由公钥决定的。外部账户没有代码,人们可以通过创建和签名一笔交易来实现消息发送,而合约账户是由存储在账户当中的代码控制,其地址是在创建合约时,由合约创建者的地址和该地址发送的交易数据计算得到。每当合约账户收到一条消息时,合约内部的代码就会被激活,允许它对内部存储进行读取、写入、发送其他消息 和 创建合约。
  • 5.以太坊虚拟机:以太坊是提供了一套图灵完备的脚本语言,以太坊虚拟机可以执行任意复杂的算法代码,并且可以很简便的发行数字货币、编写智能合约、建立和运行去中心化的应用等。
  • 6.交易燃料 Gas:以太坊上的每笔交易都会被收取一定的数量的燃料我们称之为 Gas,设置燃料的目的是限制交易执行所需要的工作量,同时为交易的执行支付费用。当以太坊虚拟机执行交易时,燃料将按照特定规则被逐渐消耗,如果执行结束还有燃料剩余,这些燃料将返回给智能合约的账户,一旦燃料被耗尽,就会触发异常,致使当前所有操作被取消,无法完成智能合约规定的步骤,并且消耗的燃料不会返还给用户。

区块链应用

超级账本项目

超级账本的项目背景

目前以比特币为代表的加密数字货币已经获得了巨大的成功,活跃用户数量和交易量逐年增加,人们逐渐意识到,区块链技术不仅可以作为比特币的底层技术还能够应用到更多的业务场景中,因而出现了一些公有链的新型应用,比如:

  • 资产登 记
  • 公正

但是以比特币为代表的公有链无法克服一些自身固有的问题
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比如交易效率低,交易的确定性问题在理论上无法保证等。这些问题使得类似比特币等基于区块链技术的公有链不能满足大多数应用场景的需求,为了克服以上不足,设计适合商用的区块链平台的项目迫在眉睫,2015 年 12 月 Linux 基金会启动了名为超级账本《HYPERLEDGER PROJECT》的开源项目,旨在推动各方协作使得区块链技术共同打造企业级分布式账本底层技术,构建行业应用平台,用于支持各种各样的商业应用场景。

超级账本项目

超级账本(Hyperledger)项目是一个面向企业应用场景的开源分布式账本平台,致力于发展跨行业的商用区块链平台技术。

项目创立之初就吸引了包括

  • 互联网行业
  • 金融业
  • 银行业
  • 运输业
    等多个行业的广泛关注,IBM、inter、J.P.Morgan 等三十多家行业领军公司带头参与其中,目前已经有超过两百多个公司和组织参与了超级账本项目。

作为一个联合项目,超级账本由面向不同目的和场景的子项目构成。不同于比特币等由极客主导的公有链项目,超级账本是由大企业领导的商业化联盟链项目

相对于公有链而言,

联盟链属于半公开半私有的区块链。

优势

  • 权限可控
  • 数据隐私保护
  • 部分去中心化
  • 交易速度快
    只有得到授权的机构或个人才能进入到联盟链系统中,更加适用于商业场景。

特点

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  • 透明
  • 公开
  • 去中心化
  • 企业级分布式账本

并提供开源代码,推动了区块链和分布式账本技术相关协议规范和标准的发展,超级账本在区块链技术的基础上引入了权限控制机制,并实现了更强大的安全保障,将区块链技术应用到了分布式联盟账本的应用场景中,为打造高效率的商业区块链网络打下了坚实的基础。
同时超级账本项目提出了很多新概念

  • 完备的权限和审查机制
  • 细粒度隐私保护技术
  • 可拔插、可扩展的实现框架

这些创新对于区块链相关技术的发展产生深远的影响。

区块链作为比特币的底层技术诞生,但区块链的应用不只限于比特币。

区块链的应用前景

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区块链 + 金融

金融机构间的对账、清算、结算的成本比较高导致用户端和金融机构业务端等产生的支付费用比较高。

运用区块链技术:

  • 实现点对点的价值转移
  • 通过资产数字化和重构金融基础设施架构可以大幅度提升结算流程的效率并降低成本
  • 区块链技术具有可追溯不可篡改的特性,有利于对金融机构实施更加精准、及时和更多维度的监管

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ripple 是区块链跨境支付和外汇结算系统为银行和金融机构提供跨境支付服务。

区块链在风靡金融领域后更在改变全球的医疗行业。

区块链 + 医疗

  • 利用区块链分布式账本的特性可以为医疗数据 的互用性、安全性、和隐私性提供解决方案
  • 区块链和智能合约的结合可以减少医疗行业的争议,提高医疗领域的运行效率,推动医疗服务的创新
  • 区块链技术能够促进医疗服务向“以患者为中心”的模式进行转化
  • 在物联网及认知分析等技术的协同作用下,全新的远程医疗护理、按需服务和精准医疗将成为可能

区块链 + 供应链

供应链是一个将行业内的供应商、制造商、分销商、零售商、用户串联在一起的复杂结构。

  • 将区块链技术应用到供应链管理中使得数据在各参与方之间公开透明,可确保各方及时发现供应链系统运行中存在的问题,并有针对性的解决问题,进而提升整体效率
  • 区块链具有数据不可篡改性和交易可追溯性,能够解决供应链中各参与主体之间的纠纷,轻松实现举证与追责,同时解决产品流转过程中的假冒伪劣问题。

区块链 + 版权保护

  • 使用区块链技术可以通过时间戳、哈希算法对作品进行确权,证明一段文字、视频、音频的存在性、真实性和唯一性。
  • 一旦在区块链上被确权,作品的后续交易都会被实时记录,为司法取证提供了一种强大的技术保障
  • 区块链技术能将价值链的各个环节进行有效整合、加速流通,缩短价值创造周期同时实现数字内容价值转移,并保证转移过程的可信、可审计和透明。

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区块链技术


标题:区块链技术
作者:shuaibing90
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