五南官網-區塊鏈技術與應用

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區塊鏈技術與應用

作　　者：華為區塊鏈技術開發團隊
審　　定：陳恭
出版社別：五南
出版日期：2020/08/04(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-986-522-127-0
書　　號：5R32
頁　　數：328
開　　數：20K
定　　價：420元
優惠價格：378元

本書詳實地介紹了區塊鏈技術和應用，主要包括三大部分：由淺入深地介紹了區塊鏈技術緣起、演進過程、技術原理和發展趨勢；分享並解析實際應用案例，以華為雲端區塊鏈服務為例示範了區塊鏈應用實踐的過程；分折探究區塊鏈的價值、未來發展趨勢以及有關區塊錄的其他問題，為區塊鏈應用的開發和創新提供多視角的思考方向。
本書的目標讀者是所有想充分了解區塊鏈技術和應用的人群。本書既包含區塊鏈基礎知識，又有對區塊鏈應用場景以及發展趨勢的探究，可以幫助非專業人員系統地了解區塊鏈；同時，本書也有對一些技術原理、算法和應用實踐的討論，期望幫助開發工程師更加快速、深入地投入區塊鏈的開發工作當中。

華為區塊鏈技術開發團隊
本書編著團隊系華為公司在國內外區塊鏈技術和應用領域的深度實踐者，是由大學教授、博士、留學歸國人員、華為海外研究所科研人員、主要技術人員等組成的一高水準技術研究團隊。該團隊在區塊鏈相關的技術，如分布式系統、算法、密碼學、網絡、數據管理等領域都有豐富經驗，平均相關從業經驗超過6年，成功推動多個政務、金融、供應鏈、存證等應用的實踐，並擔任可信區塊鏈推進計畫BaaS組組長，積極參加了計算機學會區塊鏈專業委員會、ITU-T等行業、學術和標準組織。

陳恭  教授
美國耶魯大學電腦科學博士，目前為政大資訊管理系與資訊科學系與合聘教授，並兼任金融科技研究中心副主任。研究專長為區塊鏈與智能合約，以及程式語言與軟體工程。過去數年間專注區塊鏈技術的研發與智能合約的創新應用，自詡為區塊鏈倡議者，致力於連結校內外資源，從事區塊鏈技術的推廣、應用場景的探索與在地國際人才的培育。除參與金融業區塊鏈落地應用外，也投入醫療照護與公部門的區塊鏈場域實驗以及多個區塊鏈評估與概念驗證計畫。近來，陳教授也積極參與Open API在金融業與政府部門的推廣，期能透過公私協力，賦權民眾，讓各種資料在跨組織間的流通更加便利，提供大眾個人化與更便利的數位服務。

序一
揭開區塊鏈的神祕面紗
2009年，區塊鏈伴隨著比特幣系統誕生。經過比特幣類加密虛擬貨幣的「瘋狂」和區塊鏈技術在諸如金融、供應鏈、政務等行業的應用，人們不斷感受到這種新技術的魔力，同時區塊鏈也成為技術創新的流行語。區塊鏈是當下最受人關注的方向之一，卻又讓人充滿了霧裡看花的感覺。可以說，區塊鏈這個名詞雖然已經被大家熟悉，但人們對於區塊鏈到底是什麼卻又充滿了疑惑。究其原因，一方面，區塊鏈是一種新技術，處於發展初期，而且區塊鏈技術，生態，工具和應用正在快速發展和演進，每個人的關注點不同，導致一千個人心中有一千個「哈姆雷特」；另一方面，區塊鏈宣傳推廣的不同主體，出於商業或理念的差異，從各自的角度宣揚區塊鏈應用和所帶來的價值，不同行業的從業者從不同的角度僅看到區塊鏈的「冰山一角」，甚至很多人對區塊鏈的理解僅止步於比特幣類加密虛擬貨幣。
每個人對區塊鏈可能都有著不同的理解，我們可以從兩方面來看待這種情況：一方面，區塊鏈技術從業者正盡力讓每個人的理解趨於一致；另一方面，存在不同的理解很正常，也很有益，因為這種多樣化的觀點碰撞恰恰是創新靈感的泉源。但一個不爭的共識就是，區塊鏈正在從理論的探索，逐漸走向落實，並快速發展壯大。區塊鏈作為一種新技術，具備透明可信、防篡改、可追溯、去中心化／多中心等各種應用都十分需要的特性，應用已由金融領域延伸到供應鏈管理、政務服務、能源、版權存證、物聯網等多個領域，滿足了相互不信任的多個參與者建立分散式信任的需求，實現了低成本、高效率的多方共同。隨著區塊鏈從金融領域向其他各領域的深入，區塊鏈技術逐步步入「區塊鏈+」的時代，可以預見「區塊鏈+」將像「網際網路+」一樣為各行業注入新的活力。未來，隨著各種應用對「可信」要求的增強，區塊鏈的這些特性逐步成為各應用系統的「標配」，區塊鏈技術也將逐步深入到諸如作業系統、資料庫、雲端平臺等基礎軟體中。
區塊鏈技術正在快速發展，在過去10年間已經歷了以加密虛擬貨幣為標誌的「區塊鏈1.0」和以智能合約為標誌的「區塊鏈2.0」，目前進入了建立跨組織互信的「區塊鏈3.0」應用階段，與各種技術的結合正在加速，在各傳統行業的產業價值也逐漸突顯。比如，區塊鏈與雲端計算結合提供區塊鏈雲端服務，極大降低了區塊鏈的部署成本和技術門檻，讓政府、企業等使用者能夠快速上手區塊鏈，並透過實際落實應用感受區塊鏈帶來的價值。
近年來各國政府機構、國際貨幣基金組織以及標準、開源組織和產業聯盟等紛紛投入區塊鏈產業技術推動、標準聯合和應用落實推進的大潮中。隨著區塊鏈的產業價值逐漸明晰確定，區塊鏈迅速引發了一場全球參與競逐的「軍備」大賽。同時從技術發展來看，區塊鏈與人工智慧、量子資訊、行動通訊、物聯網等技術正在成為新一代訊息技術的基石，其建構的可信機制，將有可能改變目前社會的商業模式，從而引發新一輪的技術創新和產業變革。
那麼，區塊鏈到底是什麼？有什麼價值？它對我們有什麼影響以及如何使用這種新技術？它的未來將走向何方？這些都是值得我們思考的問題。在此之際，很欣喜能看到這樣一本系統講解區塊鏈技術、應用情境和未來發展前景的圖書出版。作者來自華為區塊鏈技術開發團隊，有豐富的技術創新和應用推廣經驗。本書從區塊鏈誕生與發展的角度開篇，然後介紹了區塊鏈的核心技術，接下來透過實際案例闡述了區塊鏈如何與各行業相結合解決關鍵問題，最後進一步展望了區塊鏈的未來發展趨勢。希望廣大讀者透過閱讀此書，能夠很好地瞭解區塊鏈的本質，理解其更深層次的內在邏輯，感受區塊鏈技術在經濟與社會等各個領域的顯著作用和重要影響。
區塊鏈作為一項新技術，雖然在應用方面暫時面臨一些尚待解決的問題與挑戰，但這也是新技術發展過程中的正常情況。恰恰是因為這些問題與挑戰的存在，才促進了技術的不斷發展與成熟。另外，區塊鏈的落實，不只是技術問題，還涉及法律、經濟等多方面的因素，需要各界仁人志士共同推動，給予區塊鏈技術更多的包容與關愛，讓區塊鏈這項新技術有更多成長的沃土與空間，使它能夠孕育出更美麗的花朵。對於區塊鏈的未來，我們充滿期待。
「長風破浪會有時，直掛雲端帆濟滄海」，相信區塊鏈在未來能夠更好地將「可信」數字世界帶入每個人、每個家庭、每個組織，建構萬物互聯的「可信」智慧世界。


華為雲端BU CTO
張宇昕

1.1∣比特幣的誕生
2008年11月，一位化名為中本聰（Satoshi Nakamoto）的人，在密碼學論壇metzdowd.com發表的一篇名為Bitcoin: A Peer to Peer Electronic Cash System（《比特幣：一種點對點的電子現金系統》）的論文中首先提出了比特幣。2009年1月3日，中本聰發布了比特幣系統並挖掘出第一個區塊，被稱為「創世區塊」，最初的50個比特幣宣告問世。同時有趣的是，中本聰在創世區塊中帶上了一句話以證明這個區塊挖出於2009年1月3日，這句話就是圖1.1中的《泰晤士報》2009年1月3日的頭版新聞標題—Chancellor on brink of second bailout for banks（《財政大臣正處於第二次救助銀行之際》）。圖1.2是創世區塊的原始二進位數據及其ASCII碼文字表示，可以看到其中所攜帶的標題資訊，在圖中已用方框圈出。
截至2018年，比特幣系統已經執行了整整十年。比特幣系統軟體全部開源，系統本身分布在全球各地，無中央管理伺服器，無任何負責的主體，無外部信用背書。在比特幣執行期間，有大量駭客無數次嘗試攻克比特幣系統，然而神奇的是，這樣一個「三無」系統，近十年來一直都在穩定執行，沒有發生過重大事故。這一點無疑展示了比特幣系統背後技術的完備性和可靠性。近年來，隨著比特幣的風靡全球，越來越多的人對其背後的區塊鏈技術進行探索和發展，希望將這樣一個去中心化的穩定系統應用到各類企業應用之中。在本書第二部分，我們將選取代表性行業為例，講述比特幣背後區塊鏈技術的各類相關應用。
除了其背後的技術所具有的價值，比特幣作為一種虛擬貨幣，也逐漸與現實世界的法幣建立起了「兌換」關係，其本身有了狹義的「價格」。現實世界中第一筆比特幣交易發生在2010年5月22日，美國佛羅里達州程式設計員拉斯洛·豪涅茨（Laszlo Hanyecz）用1萬個比特幣，換回了比薩零售店棒約翰（Papa Johns）的一個價值25美元的比薩。這是比特幣作為加密虛擬貨幣首次在現實世界的應用。按照這筆交易，一個比特幣在當時的價值為0.25美分。然而在今天來看，1萬個比特幣可以說是一筆巨款（註：按照2018年9月的價格計算，1萬個比特幣大約值6,000多萬美元），但在比特幣剛出現時，人們並沒有意識到這種新生事物在未來將會引起的瘋狂及宏大的技術變革。
1.2∣瘋狂的比特幣
1.2.1	瘋狂的比特幣價格
比特幣自誕生之日起，經歷了多次的暴漲暴跌，其價格的變動猶如雲霄飛車一般。
在2011年1月，1個比特幣還不值30美分，但在隨後的幾個月里，它的價格一路走高，突破了1美元，很快上升到8美元，然後是20美元。到2011年6月9日，1個比特幣的價格已經漲到了29.55美元，半年時間漲幅約為一百倍。但是隨後不久，比特幣交易平臺Mt.Gox由於其交易平臺本身的漏洞被駭客攻擊，使平臺本身和其使用者蒙受了較大的損失，比特幣的安全性受到了投資者們的質疑。因為該事件，比特幣價格持續走低，急劇回落，在僅僅半年時間後的2011年11月，比特幣的價格已經低至2美元，相比6月份的最高價跌去了90%以上。
2012年12月6日，世界首家比特幣交易所在法國誕生，比特幣單價重回巔峰期，單枚漲至13.69美元。2013年3月，按照當時的兌換匯率，全球發行比特幣總值超過10億美元，這也是比特幣價格飛漲的一年。在同年12月，單枚比特幣的價格突破1147美元，超越了當時的國際黃金價格。
2014年到2016年，比特幣市場持續低迷。2015年8月，比特幣單枚價格跌至200美元；隨後的2016年，比特幣市場迎來內外環境的巨大變化和影響：內部變化是根據比特幣的既定規則，其年產量開始收縮，意味著比特幣收穫難度增高；外部影響則源自英國脫歐、美國大選、亞洲投資者激增等事件。在內外因素的共同作用下，比特幣的價格持續上漲，截至2016年12月，單枚價格又一次突破了1,000美元。
2017年是比特幣發展史上十分重要的一年，全年整體漲幅高達1,700%。2017年一整年，比特幣價格走勢圖猶如雲霄飛車，暴增暴跌讓投資者為之瘋狂。在2017年全年，比特幣最低價格是789美元，對應日期為1月11日；最高價位為19,142美元，對應日期是12月18日。其中，1月到5月比特幣價格緩慢增長，到5月中旬達到2,000多美元／枚，但進入六、七月後又開始極速下跌，跌幅達到45%。比特幣價格的劇烈變動引起了各國政府的密切關注，同年9月，中國發布《關於防範代幣發行融資風險的公告》，中國國內市場熱度漸漸消退，但在全球市場上，日本和韓國比特幣投資者持續湧入，比特幣價格一路高漲，12月18日觸及歷史峰值。然而隨後迅速開始暴跌，12月31日封盤價跌破11,000美元。
比特幣貨幣市場在2017年輝煌一時，但2018年市場表現並不理想。受多方政策影響，比特幣價格開始大幅度下跌。2018年1月的第一個星期，比特幣有過短暫的升值期，1月7日達到峰值16,448美元，但從1月8日開始暴跌，僅1月8日一天就跌了2,219美元，跌幅達15.6%，後續幾天有漲有跌，但總體趨勢仍是持續走低。截至筆者發稿前（2018年11月8日數據），比特幣單枚價格為6,520美元左右，相比2017年12月峰值19,142美元確實有了較大幅度的下跌，未來，數字加密貨幣市場的大起大落還將繼續上演。2013年4月以來比特幣價格走勢如圖1.3所示，從中可以對比特幣價格的瘋狂變動略窺一斑。
1.2.2	瘋狂的礦機和芯片
在比特幣瘋狂的價格和猶如雲霄飛車般的價格波動吸引了越來越多投機者的同時，比特幣礦機及晶片技術也取得了長足進展。所謂比特幣「礦機」，就是用於賺取比特幣的電腦。使用者下載專用的比特幣運算軟體，在礦機上執行相應的軟體，參與記帳並獲取對應的記帳獎勵。
比特幣礦機的發展經歷了三個階段。第一階段，即挖礦初期，挖礦的參與成本較低，只需要任意一臺普通的電腦即可進行挖礦，同時，由於參與挖礦競爭的節點數目較少，挖礦演算法的難度極低，用普通的CPU處理器就能達到不錯的產出率，從而較容易獲得比特幣激勵。第二階段，挖礦中期，此階段參與挖礦節點數目越來越多，普通CPU挖礦節點很難再獲取較為可觀的產出率。由於CPU的設計邏輯偏重浮點計算等通用計算需求，而比特幣挖礦演算法所涉及的僅為簡單的雜湊計算，不能夠充分利用CPU的能力，一些礦工開始使用具有多處理器、能夠進行快速的簡單計算特性的顯示卡（即GPU）進行挖礦，相比於CPU挖礦，其運算效率和對應的產出率都得到了大幅提升，此階段即為礦機處理器由CPU向GPU的轉變。第三階段，參與挖礦的節點及其對應的運算能力進一步上升，進入了專業礦機的階段。前兩個階段的通用電腦已不能滿足礦工們的需求，因此出現了專門為比特幣挖礦而設計的定製化機器，這類機器專門為雜湊運算設計，能夠更快地進行比特幣挖礦過程所需的雜湊運算。圖1.4是一個市場上較為主流的礦機，該礦機的額定運算能力已經達到了27TH/s，也就是每秒能夠進行2.7×1010次雜湊運算。
相應地，挖礦晶片的發展經歷了從CPU、GPU、FPGA到ASIC的四個階段，從通用型逐漸轉向了挖礦專用型。其中，專用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）是指應特定使用者要求或特定電子系統的需要而設計、製造的積體電路，本書是指為比特幣挖礦專門設計的專用積體電路。ASIC礦機晶片的製造流程先進、產品更迭速度極快。目前市場上主流的ASIC礦機晶片製造工藝從110nm、55nm、28nm，一直升級到16nm。2018年，礦機廠商宣布推出7nm礦機，意味著礦機進入7nm時代。
在比特幣礦機運算能力不斷提升的同時，其進行挖礦消耗的總電量也是驚人的。英國《衛報》2017年的一篇研究表示，比特幣挖礦一年消耗的電力已經超過了十九個歐洲國家一年所消耗的電力總和，包括克羅地亞、愛爾蘭、冰島、斯洛文尼亞以及拉脫維亞等。從全球範圍來看，比特幣一年的耗電量是全球耗電量的0.13%。
需要說明的是，比特幣巨大的耗電量主要源於其計算密集型的挖礦演算法以及其所採用的工作量證明形式的共識協議。實際上，目前的眾多面對企業級應用的區塊鏈平臺及應用透過根據其應用情境及環境採用不同的共識協議及相關演算法，避免了不必要的能源消耗，使能源消耗與普通訊息系統相當。
1.2.3	瘋狂的礦場與礦池
隨著比特幣價格的震盪式飆升，人們彷彿像美國西部剛剛發現金礦一樣，紛紛投入「挖礦」的事業之中。由於比特幣的產生速率基本保持穩定，但對於單個節點來說，其挖到某個比特幣的機率與其運算能力占所有參與挖礦競爭節點總運算能力的比例成正比，因此，隨著參與到比特幣挖礦競爭中的機器及運算能力大幅上升，單個節點或少量的運算能力能夠成功挖到比特幣的機率急劇下降，小規模挖礦參與者的收益難以得到保障，因此兩種不同的組織相繼登場，分別是礦場和礦池，它們的目的都是集中運算能力，提升挖礦機率，從而提升收益。 
礦場是將挖礦產業化的產物。簡單來說，礦場即為挖礦裝置管理場所。早期的礦場非常簡單，只有一些簡單的機架供礦機的安置，同時僅提供簡單的網路、電力等資源。隨著專業挖礦裝置的不斷增多，人們發現這種粗獷的管理方式下，裝置太容易損壞，同時裝置維修更新成本也很高。因此，通風防塵、溫度濕度控制等數據中心管理常見的規範管理措施逐漸被運用到礦場中。由於礦場的電力消耗非常驚人，且噪音巨大，目前礦場一般選擇建在人煙稀少且電力便宜的地區。目前礦場的管理模式完全向大型數據中心的管理靠齊，甚至很多大型礦場的規模已經不輸很多大型數據中心。圖1.5和1.6分別對某大型礦場外觀和內部進行了展示。
除了礦場這種產業化的挖礦方式，還有一種將大量運算能力較低裝置進行聯合、共同運作挖礦的平臺，即「礦池（Mining Pool）」，加入「礦池」的裝置即被稱作「礦工」。在「礦池」中，不論「礦工」所能提供的運運算能力的多寡，只要是透過加入礦池來參與挖礦活動，無論是否成功挖掘出有效區塊，在該礦池挖礦成功後皆可經由對礦池的貢獻（即投入的運算能力）來獲得比特幣獎勵。亦即多人合作挖礦，獲得的比特幣獎勵也由多人依照貢獻度分享。這種組織方式實際上並沒有提高單個礦工挖礦收益的期望值，但提升了單個礦工收益的穩定性。
截至2018年10月，根據BTC.com的分析，如圖1.7所示，排名前六的比特幣礦池佔據整體比特幣挖礦運算能力61.4%的份額，分別是BTC.com（佔比17.4%）、螞蟻礦池（antpool，15.3%）、ViaBTC（12.6%）、SlushPool（11.9%）、BTC.TOP（10.6%）、F2Pool（9.6%）。世界上最大的比特幣礦池是螞蟻礦池，運算能力達到驚人的2,500PH/s，如果將超級電腦「天河二號」每秒33P FLOPS（Peta FLOPS）的計算能力換算成雜湊計算的話，大約是螞蟻礦池的千分之一，單純從雜湊運算的角度來看，比特幣礦池有超強的運算能力（註：比特幣挖礦中需要做大量的雜湊運算，因此礦機／礦池的運算能力就以每秒能執行的雜湊運算次數來衡量。1kH/s是每秒1,000次雜湊；1MH/s是每秒1,000,000次雜湊；1GH/s
是每秒10億次雜湊；1TH/s是每秒1,000,000,000,000次雜湊；1PH/s是每秒1,000,000,000,000,000次雜湊）。
在2012年，礦池總運算能力之和已經接近比特幣總運算能力的一半。近幾年，礦池更是逐漸成為運算能力的主力，運算能力呈現集中化趨勢。然而，這種集中化的趨勢會帶來一些弊端。由於在比特幣世界中，運算能力高即代表著產生記帳區塊的機率高，即代表著「記帳權」更強。如果礦池運算能力不斷提升，單家礦池運算能力達到50%以上，即可以對比特幣進行51%攻擊，對比特幣系統的開採權和記帳權進行壟斷。

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