区块链技术进阶指南

本书并没有局限于某一平台或技术，而是从时间上回顾整合区块链技术的发展历程和转变动力，从空间上梳理归纳区块链技术的算法原理和设计实现，帮助读者全景式地了解掌握区块链技术脉络。相信无论是对区块链技术感兴趣的圈外读者，还是已经在行业内奋斗的从业者均可以从本书中汲取知识，获得灵感。

本书从区块链发展历史、账本模型、网络、共识、合约引擎及应用技术等多个方面进行系统性介绍，希望帮助那些对区块链有一些初步概念、但希望深入了解各类区块链平台背后所使用技术的读者，梳理出区块链分层的技术图谱，建立起一个区块链的全局性知识模型。

本书第1章主要介绍了区块链技术的前世今生；第2章整体性介绍区块链技术的知识结构；第3-7章，分别介绍了区块链的账本模型与底层存储、点对点网络的设计与实现、共识原理及常见算法、合约引擎的实现方式、区块链技术应用与生态等。

袁煜明 主编，火币中国CEO，兼火币区块链研究院院长，曾任兴业证券研究所所长助理，计算机互联网行业首席分析师。毕业于清华大学自动化系，2016年获得新财富*佳分析师评选计算机行业第2名，2015~2016年获得保险资产管理业分析师评选计算机行业第*名，2015年成为天眼*佳分析师评选业内唯*连续三年五星级分析师。

与其他介绍区块链技术的图书不同，本书并没有局限于某一平台或技术，而是从时间上回顾整合区块链技术的发展历程和动力，从空间上梳理归纳区块链技术的算法原理和设计实现，帮助读者全景式地了解区块链技术脉络。相信无论是对区块链技术感兴趣的圈外读者，还是在行业内奋斗的从业者，均可以从本书中汲取知识，获得灵感。

——　李林　火币集团董事长、创始人兼CEO

火币区块链研究院《区块链技术进阶指南》的第一章，通过一段一段的故事来分析区块链每次技术爆发的动力和原因。在这些娓娓道来的故事中，我既看到了区块链技术发展的波澜壮阔，又没有错过区块链技术10年发展史中的每一朵小小的浪花。

—黄铭钧　新加坡国立大学杰出教授，新加坡科学院院士，国际计算机学会（ACM）会士，

电气电子工程师学会（IEEE）会士

区块链技术综合性强，对从业者的要求较高，需要从业者既了解密码算法、安全协议、网络通信等相关的理论基础，又掌握数据库、虚拟机等底层技术。很多从业者初接触时会感觉相当深奥，无从入手。《区块链技术进阶指南》是一本既通俗又专业的区块链技术书籍，适合作为区块链从业者的入门书籍。

——　陈钟　北京大学教授，博士生导师，中国软件行业协会副理事长，中国计算机学会信息保密专业委员会副主任

Libra引发了全球对区块链的关注和研究，《区块链进阶技术指南》的适时推出顺应了时代的发展，为大众了解区块链提供了很好的入口。文章深入浅出，层次分明，娓娓道来，是了解区块链核心技术很好的一个选择。

——　徐恪　清华大学教授，博士生导师，计算机系副主任

区块链技术的进步是行业发展的前提和基础，《区块链技术进阶指南》一书深入浅出地介绍了区块链的核心技术，将吸引更多人关注和了解这一前沿技术，为行业发展助力加油。

——　马兆丰　北京邮电大学教授，北邮区块链联合实验室主任

《区块链技术进阶指南》这一书名恰如其分。本书的内容衔接了大众科普和学术，不仅深入浅出地梳理了区块链技术原理，同时也列出了原始参考文献，方便技术进阶者开展进一步探究。

——　洪学敏　厦门大学教授，博士生导师，信息学院副院长

目录

第一章 区块链简史 2

1.1. 区块链的史前时代 2

1.1.1. 密码朋克社区 2

1.1.2. 经济危机与比特币诞生前夜 7

1.2. 公有链的澎湃浪潮 9

1.2.1. 引言 9

1.2.2. 中本聪的星星之火 10

1.2.3. 最早的加密货币和区块链社区 12

1.2.4. 10000 BTC for 2 pizzas 13

1.2.5. “丝绸之路”网站 17

1.2.6. 比特金，莱特银 19

1.2.7. POS的诞生 24

1.2.8. bytemaster、DPoS与去中心化公司 27

1.2.9. Vitalik封神，以太坊突进 33

1.2.10. 匿名币群雄并起 43

1.2.11. “黎明女神”EOS以及以太坊的其他“对手” 51

1.2.12. 比特币扩容之争始末 57

1.3. 联盟链的汹涌波涛 65

1.3.1. 引言 66

1.3.2. R3联盟：区块链金融应用领域的务实派 66

1.3.3. HyperLedger Project：区块链金融应用领域的技术派 69

1.3.4. 国内知名区块链联盟 73

2. 第二章 区块链技术总体架构 77

2.1. 总体架构 77

2.2. 密码学技术 79

2.2.1. 非对称加密 80

2.2.2. 哈希函数 80

2.2.3. 数字签名 82

2.2.4. 隐私保护 82

2.3. 分布式账本 84

2.3.1. 账本 84

2.3.2. 网络 84

2.3.3. 共识 85

2.4. 合约 85

2.5. 应用 86

2.6. 扩展技术 86

2.6.1. Layer 0 86

2.6.2. Layer 1 87

2.6.3. Layer 2 89

3. 第三章 账本 91

3.1. 账本模型设计 91

3.1.1. UTXO模型 92

3.1.2. 账户模型 97

3.2. 账本结构设计 102

3.2.1. 区块链 102

3.2.2. 区块 104

3.2.3. 新一代区块典型结构——以太坊 106

3.2.4. 有向无环图——DAG 110

3.3. 底层存储的技术实现 113

3.3.1. 区块链的存储方式 114

3.3.2. 新一代存储方式——以太坊 115

3.3.3. 链外扩展存储——IPFS 120

4. 第四章 网络 125

4.1. P2P网络简介 125

4.1.1. 什么是P2P网络？ 125

4.1.2. 从BT下载看P2P网络 125

4.1.3. P2P网络与区块链 131

4.2. P2P网络中的重要技术 132

4.2.1. 分布式哈希表 132

4.2.2. Kademlia协议 135

4.2.3. NAT与NAT穿越 141

4.3. libp2p 149

4.3.1. libp2p是什么？ 149

4.3.2. libp2p的设计 151

4.3.3. libp2p的组成 153

5. 第五章 共识 157

5.1. 共识与一致性 157

5.1.1. 一致性 157

5.1.2. 共识 159

5.2. FLP和CAP 159

5.2.1. FLP 160

5.2.2. CAP 160

5.3. 区块链中的共识及思路 163

5.4. PoX类共识 165

5.4.1. 工作量证明（PoW） 165

5.4.2. 权益证明（PoS） 172

5.4.3. 其他PoX共识 178

5.5. BFT类共识 181

5.5.1. 针对无拜占庭错误场景进行优化 181

5.5.2. 针对拜占庭错误场景进行优化 188

5.5.3. 基于密码学的改进 190

5.6. 混合类共识 191

5.6.1. PoW+BFT 191

5.6.2. DPoS+BFT 192

5.6.3. Tendermint 192

5.6.4. Algorand 193

6. 第六章 合约引擎 198

6.1. 合约设计 198

6.1.1. 确定性 199

6.1.2. 可终止性 200

6.2. 脚本方式 202

6.2.1. 比特币的分叉币竞争币 203

6.2.2. 匿名加密货币 203

6.2.3. 部分DAG 203

6.2.4. 扩展方法 203

6.3. 容器方式 204

6.4. 虚拟机方式 205

6.4.1. 改进 EVM 207

6.4.2. 兼容传统指令集 208

6.4.3. wasm 方式 209

7. 第七章 应用 212

7.1. 应用基础设施-钱包 212

7.1.1. 多角度看钱包 212

7.1.2. 钱包的技术实现原理 215

7.2. 应用的外部辅助机制 225

7.2.1. 预言机Oracle 225

7.2.2. 链下支付通道 230

7.3. Dapp应用生态 236

7.3.1. 主流生态平台现状 237

7.3.2. Dapp生存挑战 239

前言

为什么要写这本书

区块链作为具有革命性意义的新一代信息技术，是各类技术的一个有机结合体，涉及内容多、迭代速度快，全面掌握并非易事。

我们在做区块链行业研究与赋能实体的过程中，对现有区块链知识普及也有了更深刻的认识：有大量从业者以及圈外人士，都希望能通过阅读区块链书籍来学习区块链知识，加深对行业的理解。当前市面上有关区块链技术的书籍已经比较多，但每位读者时间都很宝贵，选择哪一本书来读往往难以抉择。想要能快速、准确的掌握区块链并不容易，正如我们自己也曾走过很长的区块链学习之路。

我们团队地毯式地阅览并分析了市面上的区块链图书，梳理下来目前的区块链书籍主要可分为两类：一类是偏入门级的科普，介绍区块链的概念，简要介绍了比特币、以太坊等区块链系统的技术原理作为铺垫，更强调区块链技术的应用场景等等。

而另一类偏向于专业开发人员，主要包括对基于以太坊、Fabric等平台的如何上手搭建网络、如何开发DApp应用、如何编写智能合约等程序开发教程，深入到某一个平台的技术开发细节中。

不过对于想要全面并且有一定深度了解区块链技术知识的读者来说，还缺少一个系统图谱性的介绍图书。因此，我们萌生了编写一本专注于对区块链各项技术进行全面而深刻介绍图书的想法，并一起将这一想法付诸实施。

读者对象

希望系统性、全局性了解当前区块链技术的行业从业者；

想要学习和实践区块链技术的传统IT从业者；

研究探索区块链技术的高校与研究机构人士；

其他对区块链技术感兴趣的读者

如何阅读本书

本书从区块链发展历史、账本模型、网络、共识、合约引擎及应用技术等多个方面进行系统性介绍，希望帮助那些对区块链有一些初步概念、但希望深入了解各类区块链平台背后所使用技术的读者，梳理出区块链分层的技术图谱，建立起一个区块链的全局性知识模型。

本书第1章主要介绍了区块链技术的前世今生；第2章整体性介绍区块链技术的知识结构；第3-7章，分别介绍了区块链的账本模型与底层存储、点对点网络的设计与实现、共识原理及常见算法、合约引擎的实现方式、区块链技术应用与生态等。

谨以此书献给热爱区块链行业并为之奋斗的朋友们！

火币中国 CEO 兼火币区块链研究院院长 袁煜明