《区块链理论与方法》

前言 区块链智能：新时代智慧产业的“真”与“道” 为什么要写这本书？ 为什么要学习和研究区块链方法和技术？ 显然，人们对区块链的第一反应一定是比特币、ICO、以太坊、EOS等各种涨跌互现的数字“货币”。 电力的“采矿”运动。 这些现象使区块链成为社会的“热点”，热度之高，几乎达到了“梦想与忽悠同飞，理性疯狂”的境地。 有人感叹：“傻子太多，骗子太少”。 从这个角度来说，除了众多的区块链商业和科普书籍之外，我们迫切需要一本系统介绍科学方法和基础技术的区块链专着，帮助大家从本质上认识和理解区块链。 及相关应用。 事实上，这是世界范围内的迫切需求。 2018年初，知名科技杂志《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）一改风格，每期只关注一个话题； 而第一个选出的话题就是区块链（见图一），试图在“Hype（忽悠）”和“Hope（希望）”中找出区块链的真正价值。 杂志权威集结词满满，结论很形象：脑洞大开后，尽快剪掉“y”下面的长尾巴，补充上面的脑洞，进一步改进方法区块链的技术、体系和应用案例，将“y”的分叉变成一条完整、完美、无缝的“o”链； 这样一来，区块链忽隐忽现的“炒作”自然会成为区块链的希望“希望”，最终一定是“落霞与孤雁同飞，秋水长流”的智能产业之美！ 这就是写这本书的目的。

图1 《麻省理工科技评论》区块链特刊封面对研究和研究区块链具有重要意义，因为它不仅是支撑比特币的基础技术，也是一种分布式记账方式，更重要的是，经过区块链与智能技术结合成为区块链智能，必将催生出一种新的智能产业形态，同时成为改变世界、建设智能社会的基石。 你为什么这么认为？ 20 世纪最伟大的科学哲学家之一卡尔波普尔认为，我们的世界由三部分组成：物质世界、精神世界和人工世界。 社会发展的历史也表明，一个经济体制的变革和新旧交替的升级，只有在新的市场空间中才能实现。 比如，从农业到工业的革命，正是由于心理世界的发展，把心理世界中原本不是商品的“时尚”，通过纺织品变成了可以大量生产、充分流通的商品； 加上工业技术的兴起，使社会专业分工和规模化生产成为可能，突破了农业生产经济边际效用递减的魔咒和“粮食增产人口暴涨”的马尔萨斯“贫困陷阱” ，使人类从农业社会跨越到工业社会。 这就是为什么工业经济始于英格兰的纺织业，而不是当时以食品工业闻名的更发达的荷兰。 因为纺织品不同于农业经济中不多也不少的食品，不仅可以保存更长时间，而且其市场规模取决于心理，具有无限的发展潜力，本质上是心理世界的初级发展。 随着工业经济的发展，我们遇到了“全球变暖”、“生态保护”、“技术奇点”等各种“瓶颈”和“陷阱”。 它的进一步发展和升级，也必须有新的增长方式和市场空间。

发展智能技术，发展人工世界，扩大商品范围，围绕健康、安全、教育、能源、制造、交通等领域，形成有效的、个性化的知识产品和智能经济，从传统的专业分工向人与人的分工转变。机器分工，进一步走向虚实分工，是产业经济升级转型的必由之路。 为此，我们必须将物理世界、心理世界和人工世界结合起来试辨析区块链与比特币的关系，并确保它们和谐发展。 事实上，纵观历史，人类一直像“蜘蛛”一样，围绕着这个目标不断结“网”，向“5G”迈进：从物理世界的交通网络和物流网络（Grids 1.0）开始，到电力网格与能源 从互联网（Grids 2.0），到心理世界的互联网、信息网络（Grids 3.0），再到现在的物联网（Grids 4.0），人类从“被连接”到“被连接” ”，并正在走向一个可以“活跃”的人工世界物联网（Grids 5.0）。 这五张网络，通过区块链智能的进一步深度融合，将三个世界紧密相连，形成人、机、物融为一体的新空间CPSS（Cyber​​-Physical-Social Space），从而为智能经济提供无限收益。 为市场的崛起埋下伏笔。 这一切的本质原因在于，区块链智能把传统上不是商品的两个重要的东西变成了商品！ 人工智能创始人之一、诺贝尔经济学奖得主司马贺曾说过：“信任”和“注意力”无法转移，无法大量生产，也就无法成为商品。

区块链+智能技术颠覆司马贺认知：区块链智能让传统上难以流通和商品化的“注意力”和“信任”成为可以大量生产和流通的商品，革命性地拓展了经济活动的范围和方式提高效率形成社会发展的新“BEI”，即智能大经济。 这是有人称区块链为“Trust Machines”和“Truth Machines”的根本原因，也是区块链智能的本质、意义和“真（TRUE）道（DAO）”：TRUE = Trustable + Reliable + Usable + Effective, Efficient (DAO) = Distributed, Decentralized + Autonomous, Automated ) + Organized (Organized, Ordered) 单从技术层面来看，区块链智能可以让智能技术在区块链内外稳固架构。 在链上，人工智能可以让今天既不是智能也不是合约的“智能合约”以智能的方式兼具合规性和合约性，保证Token运行的可信性和可靠性； 在链外，智能技术可以让DAPP普及到行业和社会的各个角落，并产生可用的、高效的社区经济，形成智能行业和智能社会。

区块链智能在相当程度上为智能产业和智能社会的建设提供了“水泥和钢铁”的基础。 在此基础上，我们可以安全、高效地建造几十层甚至上百层的智能建筑。 否则，直接使用非结构化、碎片化的“大数据”，就像在土或沙地基上盖房子，只能盖一层或两层，既低效又不安全。 因此，区块链智能必将在智能行业掀起熊熊烈火。 长期以来，人工智能因为“火力”不足，只能解决“玩具”规模的“小”问题，以至于被人嘲讽为“炼金术”、“爬树登月”：可以更高，但达不到目的。 如果区块链智能能够让“智能合约”和DAPP实现预期目标，“炼金术”将成为一门科学，“爬树”将成为火箭飞船般的新技术。 结果就是“大数据改变生产资料，机器人改变生产力，区块链革命生产关系”。 智能产业将主导新时代。 这是在颠覆现有世界吗？ 如果你认为今天的人类与2000多年前的人类没有本质区别，那么这就是进步试辨析区块链与比特币的关系，而不是颠覆。 但与古人相比，今天的每个人都拥有心目中只有神明才有的“风耳”、“千里眼”、“风火轮”等等。 旧皇宫更是豪华无比！ 这是颠覆吗？ 事实上，颠覆或进化不应该再是重点。 问题应该是实践和有效性。 这必然是一个过程，可长可短，是一个国家、一个社会自己的选择。 基于以上认识，我们组织了专门的团队开展区块链技术的研究和应用，编写了这本《区块链理论与方法》，试图系统深入地介绍区块链的基础理论和关键方法，目的是促进区块链的教学、研究和应用。

本书以区块链“六层”基础设施模型为主线，涵盖了区块链的数据结构、P2P网络、跨链互操作、共识算法、经济激励、智能合约、扩容技术、安全与隐私保护、数字货币和分布式账本等。第1章是概述； 第2章介绍了区块链的链式数据结构，讲解了时间戳、哈希函数、默克尔树、非对称加密和数字签名等关键技术； 第3章讨论了区块链底层的网络结构和通信协议，以及实现多条区块链之间互联互通的跨链技术； 第四章介绍了区块链共识算法分布式计算的理论基础，简要总结了区块链的发展历程。 多种共识算法； 第五章从经济学和管理学的角度探讨了区块链生态系统中参与者的经济模型、激励机制和各种战略行为； 第6章给出了概念、模型和核心要素，并讨论了智能合约面临的挑战和适用场景； 第7章阐述区块链扩容的关键技术、约束和衍生问题； 第8章讨论区块链安全与隐私保护的理论与方法； 第9章主要介绍数字货币的相关技术； 第10章介绍了基于有向无环图DAG的分布式账本，并给出了典型应用案例。 在区块链研究的过程中，本书第一作者袁勇博士不仅成为我们团队中区块链研究的带头人，而且成长为国内外区块链基础研究的核心权威之一。 除了组织中英文学术期刊出版区块链专刊和相应的学术会议（见图2），袁勇还推动成立了中国自动化学会“区块链技术专业委员会”、IEEE SMC和IEEE CRFID等国际协会。 区块链专业委员会和“IEEE Blockchain Initiative”为区块链学术研究生态系统的建立做出了突出贡献。

特别是在本书的编写过程中，袁勇付出了极大的心血和努力，是本书完成的最大功臣，在此表示衷心的感谢。 另外感谢复杂系统管控国家重点实验室平行区块链团队倪晓春、韩轩、李娟娟、曾帅、秦锐、王帅、黄晨晨、欧阳丽薇、张晓静用于组织和编写本书的材料。 感谢武汉大学张军教授和中国数字资产研究院院长朱家明教授在本书起草过程中提出的建设性建议和讨论。 最后，特别感谢清华大学出版社薛晖和贾斌对本书出版的热情和无微不至的帮助。 图2 第一届区块链与知识自动化国际研讨会（2017年4月，美国丹佛大学）部分演讲嘉宾及参会人员合影 目前，区块链技术的发展还处于起步阶段，相关理论和方法在不断发展和快速演进的过程，前面的路还很长很长，所以本书的内容不可能完整全面。 由于水平有限，书中难免有不足之处，恳请读者指正。 希望本书的出版能让更多的学者和企业家投身到新兴的区块链领域，早日将区块链智能技术打造成为“可信、可靠、可用、高效”的智慧产业和智慧社会。”真（TRUE）道（DAO）”。王飞跃，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室，2019年3月11日，北京怀德海大学

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