✦

图书信息

✦

区块链导论: 基础、技术与应用

主编：尹浩，孙贻滋

参编：徐秋亮，何平，张小松，朱岩

丛书名：面向新工科专业建设计算机系列教材

定价：59.00元

印次：1-1

出版日期：2025年8月

策划编辑：白立军

责任编辑： 杨帆

内容简介

本书全方位探讨了区块链技术，包括基础、技术和应用三大层面。基础篇（第1、2章）介绍区块链的发展历程、基本概念和现实意义，阐述了区块链的5层体系结构（数据层、网络层、共识层、合约层、应用层）及相关激励机制，分析了结构之间的关系，并对区块链的应用领域和挑战做了介绍。技术篇（第3～7章）以体系结构为基础，系统剖析了支撑区块链底层技术的密码学知识、分布式对等高效的P2P网络、保证分布式账本数据一致性的共识算法，以及代表区块链2.0的技术核心——智能合约技术，同时结合比特币、以太坊和超级账本等平台，帮助读者理解区块链的运行机制与应用场景，并介绍了针对扩容问题的解决方案。应用篇（第8～10章）聚焦区块链在司法和金融领域的创新实践和应用，审视了其中的挑战与机遇，最后展望了区块链如何引领数字时代变革，推动互联网走向价值互联网，助力经济社会的增量发展。

读者对象

本书适合作为高等院校信息技术类低年级本科生和非信息技术类高年级本科生或研究生的教材，还可供领导干部、管理人员、科研人员和技术人员参考使用。

编辑荐语

• 知识结构清晰

本书将区块链知识体系分为基础篇、技术篇和应用篇三大部分，帮助读者循序渐进地掌握复杂概念，使得学习过程更为高效与系统。

• 内容先进通用

教材涵盖区块链技术的发展与广泛应用，紧跟行业前沿，特别强调其在价值互联网中的应用，使读者获取实用且有价值的知识，增强学习的实用性。

• 教育规律性强

教材充分遵循教育规律，注重培养学生的能力与创新思维，以满足新一代信息技术人才的培养需求，提升学生面向数字时代的能力。

• 适用范围广

教材不仅面向高等院校的工科学生，还适合党政领导、管理人员及科研人员，通俗易懂的语言风格和丰富内容使其成为跨学科研究者了解区块链技术的理想参考资料。

✦

精彩试读

✦

区块链的诞生

1. 背景

20世纪60年代，互联网的诞生颠覆性地降低了人类互联、信息流通和信息搜索的成本，催生了全新的网络经济与数字社会，促进了科技的不断进步。随着互联网的迅速普及，各种创新应用层出不穷。

在过去几十年中，互联网作为信息基础设施，通过高效的互联与信息交换，为我们的生活、工作和商业活动带来了极大便利。然而，身份与信用缺失、数据垄断与霸权、数据隐私泄露、信息过载、网络诈骗频发以及虚假信息泛滥等问题也随之出现，给用户带来了诸多困扰。

特别是2008年9月，美国次贷危机引发的全球金融危机，导致大量金融机构倒闭，造成世界经济的重大损失，加重了人们对现有金融机构的失望情绪，并加速了数字货币的发明与使用进程。2008年10月31日，化名为中本聪（Satoshi Nakamoto）的技术极客，在一个由密码学领域的专业人士、研究者和爱好者组成的邮件讨论组中发表了题为《比特币: 一种点对点的电子现金系统》(Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System)的白皮书，提出了基于密码学和共识机制的“比特币”，解决了长期困扰加密数字货币的三大难题: 重复支付、中心化信任和货币发行量控制。该白皮书中提到: “我们非常需要这样一种电子支付系统，它基于密码学原理建立信用，使任何达成一致的双方能够直接进行交易，而不需要第三方中介（What is needed is an electronic payment system based on cryptographic proof instead of trust, allowing any two willing parties to transact directly with each other without the need for a trusted third party）”。其核心价值在于通过密码学等技术手段，使单个组织和个人能够在统一共识的规则下以自治的方式直接交易，消除对金融中介的需求，同时解决了数字货币系统中货币单位被多次花费和货币超发的问题，实现了低成本、高效的结算。

随着互联网上商业活动的日益增多和数字社会的兴起，迫切需要建立与未来数字社会发展相适应的新技术和新一代信息基础设施。在这一背景下，区块链技术应运而生，并成为推动新一代信息技术发展的重要方向。基于区块链技术构建的“价值互联网”具有巨大潜力，为各种交易和数据流通提供分布式、安全、透明和可验证的服务平台，区块链技术的出现为实现可信、高效和可持续发展的数字社会奠定了基础，并为未来的数字经济提供了广阔的发展空间。

2. 技术起源

比特币的产生是多年来密码学与信息技术发展的结果。1976年，Whitfield Diffie与Martin Hellman提出了公钥密码学（非对称密码）的概念。两年后，Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman发明了非对称公钥加密技术（RSA），奠定了现代密码学的基础。1980年，Ralph Merkle在论文中提出了梅克尔树数据结构，后来在区块链中得到了广泛应用。1982年，David Chaum提出了首个尝试实现不可追踪（Untraceable）的匿名加密货币e-Cash，但并非点对点交易系统，而是由银行和用户组成的双层网络，依赖中心化机构的协助。同年，Leslie Lamport等提出了拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem），探讨在分布式网络中解决可靠性和一致性的问题。1985年，Neal Koblitz和Victor S. Miller分别独立提出了椭圆曲线加密（Elliptic Curve Cryptography, ECC）算法在公钥密码学中的应用。1997年，Stuart Haber和W.Scott Stornetta提出了一种使用时间戳保证数字文件安全的协议。同年，英国密码学家Adam Back发明了HashCash，提出了工作量证明（Proof of Work，PoW）机制，以解决垃圾邮件攻击问题，要求用户在发送邮件前完成一定量的计算工作。工作量证明机制最终被比特币采用，并成为其核心组成部分之一。1998年，Wei Dai提出了B-money，这是首个不依赖中心化机构的匿名数字货币方案；B-money引入了工作量证明的思想，允许任何参与者通过解决复杂计算难题发行货币，且货币的发行量与问题的难度成正比。系统中的任何人都可以参与账本维护，通过广播签名的交易消息实现转账确认。尽管B-money具备比特币的一些特征，但未能解决“双花”(即同一笔资金被多次使用)问题，也未能指出如何有效、安全地维护账本。同年，Nick Szabo提出了名为Bit Gold的非中心化加密货币设计，引入了解决密码学难题作为发行货币的条件。1999年，Shawn Fanning与Sean Parker建立了第一个基于点对点(Peer-to-Peer,P2P)网络技术的文件共享系统Napster，推动了P2P技术的快速发展，并为大规模分布式系统提供了网络核心技术。2005年，Hal Finney设计了工作量证明机制的改进版——可复用的工作量证明（Reusable Proof of Work，RPoW），他也是比特币系统中第一笔交易的收款人，甚至有人怀疑他就是中本聪。

比特币之前的加密货币方案，或者依赖中心化的管理机构，或者偏重理论层面的设计，或者因当时技术水平的限制而未能实现，但为比特币的诞生打下了坚实的基础。

3. 破茧成蝶

中本聪于2008年10月提出比特币的概念，利用分布式理论和点对点网络技术，采用区块和链式数据结构维护账本，并充分利用现代密码学的成果，首次从实践意义上实现了去中心化的开源加密货币系统。随后他于2008年11月提出了初版比特币系统。2009年1月3日，比特币系统正式运行，中本聪成功挖出创世块中的第一批50个比特币。2009年1月12日，中本聪向Hal Finney转账10个比特币，标志着分布式加密货币体系的建立，成为区块链技术发展历史上的里程碑事件。2010年5月，佛罗里达州程序员Laszlo Hanyecz使用1万个比特币（时值41美元，0.0041美元/个）购买了两个比萨，实现了比特币的第一次实物交易，促使比特币在小众群体中开始流通。2010年9月，多个节点(Peer)联合“挖矿”的“矿场”出现，成为比特币挖矿行业的开端。

比特币作为全球性的分布式网络系统，在没有老板和员工的情况下，经过多年自动无故障运行后，其底层支撑技术——区块链开始进入公众视野，其应用价值被迅速挖掘和释放。由于其突破性的创新和巨大的应用潜力，区块链技术已成为发展数字经济和建设数字中国的 “核心技术自主创新的重要突破口”。如果说互联网让人类进入信息自由传递的时代，区块链则有望将人类带入价值自由交换的时代。

✦

精彩样章

✦

✦

目录

✦

基础篇

第 1 章 绪论

1.1 区块链诞生的背景

1.2 比特币的诞生

1.2.1 技术起源

1.2.2 破茧成蝶

1.3 基本概念与术语解析

1.3.1 区块链定义

1.3.2 进制

1.3.3 哈希函数

1.3.4 梅克尔树

1.3.5 比特币的块链式数据结构

1.3.6 比特币挖矿

1.3.7 比特币的公私钥和地址

1.3.8 比特币转账交易与验证

1.3.9 加密数字货币

1.4 区块链的主要特点

1.4.1 分布式自信任

1.4.2 安全与完整性

1.4.3 共享开放与隐私保护

1.4.4 引入新的商业模式

1.5 区块链的演进

1.5.1 区块链 1.0—— 分布式账本

1.5.2 区块链 2.0—— 分布式可编程计算平台

1.5.3 区块链 3.0—— 价值互联网

1.6 主要技术类型

1.6.1 公有链

1.6.2 联盟链

1.6.3 私有链

1.7 现实意义

1.7.1 为价值互联网提供技术支撑

1.7.2 支持数据确权，保障数据主权与数字权益

1.7.3 提升协作效率，实现大规模协作自治

1.7.4 创新治理模式，建立算法治理新模式

1.7.5 优化社会关系，改变资源与利益的分配规则

1.8 本章小结

习题

第 2 章 区块链的体系结构

2.1 体系结构概述

2.2 数据层

2.2.1 数据结构

2.2.2 数据安全

2.2.3 数据层面临的挑战

2.3 网络层

2.3.1 P2P 节点组网方式

2.3.2 数据传播机制

2.3.3 数据验证机制

2.4 共识层

2.4.1 拜占庭将军问题的意义与影响

2.4.2 一致性问题的详细描述

2.4.3 共识算法的分类与应用场景

2.4.4 常用共识算法简介

2.5 合约层

2.5.1 智能合约的编程语言

2.5.2 智能合约的开发、部署与运行

2.5.3 预言机

2.6 应用层

2.6.1 相关概念

2.6.2 区块链工具

2.6.3 区块链应用案例

2.6.4 应用层面临的挑战

2.7 激励机制

2.7.1 共识层的激励机制

2.7.2 合约层的激励机制

2.7.3 应用层的激励机制

2.8 本章小结

习题

技术篇

第 3 章 密码技术

3.1 概述

3.2 对称密码与加密标准

3.2.1 换位密码

3.2.2 代换密码

3.2.3 数据加密标准与高级加密标准

3.3 公钥密码的诞生及典型算法

3.3.1 有关整数运算的基本概念

3.3.2 模运算

3.3.3 两个数学难题

3.3.4 欧拉定理

3.3.5 RSA 密码体制

3.4 哈希函数、梅克尔树和数字签名

3.4.1 密码学哈希函数

3.4.2 梅克尔树

3.4.3 数字签名

3.4.4 椭圆曲线签名算法及其在比特币中的应用

3.5 国产密码

3.6 本章小结

习题

第 4 章 P2P 网络

4.1 概述

4.1.1 基本概念

4.1.2 P2P 网络的发展

4.1.3 P2P 网络的性质

4.1.4 TCP/IP 简介

4.2 P2P 网络的分类与资源共享机制

4.2.1 集中式 P2P

4.2.2 纯分布式 P2P

4.2.3 混合式 P2P

4.2.4 结构化 P2P

4.2.5 P2P 网络应用示例

4.3 P2P 网络与区块链

4.3.1 比特币 P2P 网络

4.3.2 以太坊的节点发现机制

4.3.3 网络层面临的挑战

4.4 本章小结

习题

第 5 章 共识算法

5.1 共识算法概述

5.1.1 共识算法的概念

5.1.2 共识算法的基础理论

5.1.3 共识算法的分类

5.2 故障容错类共识算法

5.2.1 主从同步 / 异步读写

5.2.2 多数派读写

5.2.3 多阶段提交协议

5.2.4 Paxos 共识算法

5.2.5 Raft 共识算法

5.3 拜占庭容错类共识算法

5.3.1 拜占庭将军问题

5.3.2 实用拜占庭容错共识算法

5.3.3 工作量证明共识算法

5.3.4 权益证明共识算法

5.3.5 委托权益证明共识算法

5.4 共识算法的发展趋势

5.5 本章小结

习题

第 6 章 智能合约

6.1 定义与概述

6.1.1 发展简史

6.1.2 基础架构

6.2 智能合约的生命周期

6.2.1 智能合约的开发与编译

6.2.2 智能合约的部署

6.2.3 智能合约的触发与执行

6.3 主要智能合约平台

6.3.1 以太坊智能合约平台

6.3.2 超级账本智能合约平台

6.4 智能合约漏洞和金融安全问题

6.4.1 基于以太坊的智能合约漏洞分类

6.4.2 增强智能合约安全的措施与建议

6.4.3 分布式金融及应用安全

6.5 智能合约面临的挑战

6.5.1 性能与成本问题

6.5.2 智能合约的灵活性问题

6.5.3 预言机机制问题

6.5.4 可操作性问题

6.6 高级智能合约描述语言简介

6.7 本章小结

习题

第 7 章 典型区块链平台

7.1 比特币

7.1.1 比特币简介

7.1.2 比特币相关概念

7.1.3 比特币的结构与原理

7.1.4 比特币共识

7.1.5 比特币的现状

7.2 以太坊

7.2.1 以太坊简介

7.2.2 以太坊基本架构

7.2.3 以太坊的区块结构

7.2.4 账户与交易

7.2.5 智能合约简述

7.2.6 以太币与燃料

7.2.7 共识、扩展性和安全保护

7.3 超级账本

7.3.1 超级账本简介

7.3.2 基本架构

7.3.3 账本数据结构

7.4 其他平台

7.5 区块链扩容

7.5.1 去中心化与性能问题

7.5.2 安全与效率问题

7.5.3 区块与性能的平衡问题

7.5.4 节点数量与扩展问题

7.5.5 解决思路和措施

7.6 本章小结

习题

应用篇

第 8 章 区块链与法律

8.1 我国与区块链有关的法律政策体系

8.1.1 基本法律

8.1.2 普通法律

8.1.3 行政法规

8.1.4 部委规章及规范性文件

8.1.5 司法解释及指导性案例

8.1.6 行业标准及自律规范

8.2 全球区块链应用的监管政策

8.2.1 新加坡的监管政策

8.2.2 欧盟的监管政策

8.2.3 英国的监管政策

8.2.4 美国的监管政策

8.2.5 我国的监管政策

8.3 区块链面临的监管问题和解决思路

8.3.1 责任主体分散监管问题

8.3.2 数据难以篡改问题

8.3.3 加密数字货币监管问题

8.3.4 创新带来的监管问题

8.3.5 监管与隐私保护平衡问题

8.3.6 主要解决思路

8.4 区块链技术的发展机遇

8.4.1 全球主要国家加快布局区块链技术发展

8.4.2 我国高度重视区块链产业发展

8.4.3 智能合约有助于实现契约社会

8.4.4 新一代信息技术促进法律代码化

8.5 基于区块链的智能合约面临的法律风险

8.5.1 智能合约的解释与转化问题

8.5.2 智能合约的效力认定问题

8.5.3 The DAO 事件的启示

8.5.4 智能合约的跨境法律问题

8.6 区块链技术驱动下的司法创新

8.6.1 杭州互联网法院

8.6.2 北京互联网法院

8.6.3 广州互联网法院

8.7 区块链技术发展的法律思考

8.7.1 探索创新，推进智能法律合约应用进程

8.7.2 促进相关立法，进一步弥补法律空白

8.7.3 完善行业标准制定，加快促进区块链标准化发展

8.7.4 鼓励技术专家与法律专家合作

8.7.5 探索全球治理模式

8.8 本章小结

习题

第 9 章 区块链金融

9.1 区块链技术的金融应用优势

9.2 区块链技术在金融领域的应用

9.2.1 稳定币与央行数字货币

9.2.2 支付结算

9.2.3 场外衍生品交易

9.2.4 资产证券化

9.2.5 供应链金融

9.2.6 征信

9.2.7 保险

9.2.8 金融监管

9.2.9 区块链在金融应用中的总结与展望

9.3 区块链金融前沿应用

9.3.1 分布式金融

9.3.2 非同质化通证

9.3.3 数字人民币

9.3.4 总结与展望

9.4 本章小结

习题

第 10 章 趋势展望

10.1 数字时代的主要特征

10.1.1 数据成为新的生产要素

10.1.2 数字产品催生消费模式革新

10.1.3 社会协作组织方式将发生改变

10.1.4 隐私保护日益受到重视

10.1.5 虚拟空间的价值流动促进数字经济发展

10.2 数字时代面临的主要技术挑战

10.2.1 隐私数据保护不足

10.2.2 数据要素流通困难

10.2.3 多方协作难以高效

10.2.4 信息互联网难以实现价值确权和传递

10.3 区块链赋能数字时代

10.3.1 区块链的底层逻辑

10.3.2 构建自我主权身份和算法信任的分布式平台

10.3.3 引入权益证明促进价值流转

10.3.4 创建高效的组织协作模型

10.3.5 有望成为价值互联网结构中的 “细腰”

10.3.6 技术演化环境仍需重视

10.4 分布式身份标识

10.4.1 身份的概念和分布式身份的特征

10.4.2 区块链 “地址 + 私钥” 身份标识

10.4.3 灵魂绑定通证 —— 分布式的原生凭证

10.4.4 主要应用场景

10.5 自带激励的分布式组织

10.5.1 基本概念

10.5.2 DAO 的发展历程

10.5.3 主要特征

10.5.4 DAO 的设立和治理模式

10.6 互联网发展进入 Web3 价值互联网新阶段

10.6.1 Web3 简述

10.6.2 Web3 的分布式创新应用

10.7 虚实交融的元宇宙

10.7.1 元宇宙概述

10.7.2 元宇宙的主要特征

10.7.3 元宇宙的经济系统

10.7.4 虚实交互映射

10.7.5 虚实融合举例

10.8 本章小结

习题