Getting Started with Blockchain "A blockchain a day keeps centralization away!"

区块链和人工智能等新兴技术已经达到了可见性、接受度以及各种学者和行业专家的一些猜测的顶峰。出于降低运营效率和增加透明度的共同目的，这两项新兴技术现在非常受欢迎。从颠覆性的初创企业到大规模企业，每个人都在争夺成为基于区块链和人工智能的解决方案领导者的机会。这本书旨在让你为这两种技术融合的下一个飞跃做好准备，并指导你在技术上有能力构建这些解决方案。

本章提供了当前区块链景观的简要概述。本章涵盖的关键主题如下:

区块链对比分布式账本技术对比分布式数据库
公共对私人对许可的区块链
区块链的隐私
了解比特币
以太坊简介
Hyperledger 简介
其他区块链平台——Hashgraph、Corda 和 IOTA
共识算法
使用区块链工具构建 DApps

技术要求

本章假设你对区块链及其对传统交易系统的影响有基本的了解。

区块链对比分布式账本技术对比分布式数据库

关于如何将区块链与分布式账本技术(【DLT】)和分布式数据库区分开来，已经有过几次争论。基于一些用户级和应用级的特性和启发，我们可以观察到以下差异:

现在让我们将这些技术与下一节中讨论的一个用例进行比较。

将技术与示例进行比较

提供以下场景是为了帮助您理解前面三种实现之间的核心区别。

假设您计划为库存摄影创建一个新的数字平台。如果你想邀请世界各地的摄影师使用这个平台，并允许他们上传自己的作品，并通过消费者自动支付版税来激励他们，你会希望使用区块链来提供公共访问和激励，并将版税直接从消费者转移到摄影师，从而消除第三方执行税款征收的需要，保证版税的返还，但要收取服务费。

然而，如果你希望你的平台形成一个私人摄影师联盟，他们的作品只对有限的观众开放，并通过其他方式处理版税，你可以使用 DLT。

最后，如果您打算使用您的平台来展示一组合格的摄影师的作品，这些作品可以在全球范围内访问，无论是否有版税(这是离线处理的)，您需要形成一个节点集群来托管这些数据和逻辑，以处理访问和支付。所以，你可以使用分布式数据库。

现在让我们进一步讨论适用于不同用例的区块链类型。

公共对私人对许可的区块链

公共区块链的设计和开发关注于确保任何数量的相关方能够执行业务逻辑和访问事务信息。类似地，任何感兴趣的一方也可以验证和确认传入网络的交易，并为此过程获得报酬。

实施私有区块链是为了确保对业务信息的访问是有限的，并且只有有限的参与利益相关者才能访问。

许可区块链是公共和私人区块链所能提供的混合实现。如果数据将由特定的利益相关者访问，则实现许可的区块链。这是通过利用私有网络以及交易用户数据的加密来实现的，交易用户数据也存储在可能由与联盟中的其他利益相关者相关的交易组成的块中。

比较使用场景

下表显示了如何在各种场景中使用三种类型的区块链。它们是:

在下一节中，我们将进一步了解区块链的隐私选项。

区块链的隐私

区块链增加了新的价值，比如信息的透明度和出处。然而，许多人错误地认为在区块链中所有的交易都是公开可见的。然而，在现实中，并不是所有的区块链都有助于公开交易:

动机:区块链上的一些应用不仅仅是为企业用例而构建的。许多区块链应用程序现在面向大众消费者。近年来，互联网已经成为保护用户隐私的各种方法的试验台。与互联网当前状态的任何其他趋势或改进不同，大多数区块链项目旨在通过利用假名加密钱包向用户提供隐私优先的操作模式，而不暴露发送者和接收者的身份。隐私第一区块链的一些例子包括 Monero、Quorum 和 Zcash。
方法:众所周知，公共区块链在隐私方面有设计限制。由于对用户数据的全球访问是公共区块链的突出目标之一，我们很少看到密码学在其中的应用。然而，新兴的区块链，如 Zcash、Monero，旨在为拥有自己加密货币的用户提供不可追踪、安全、抗分析的交易环境。这是通过利用零知识证明机制来实现的，该机制防止了相同加密货币的双重花费，但同时保留了区块链的基本价值。

另一方面，私立和特许区块链将保护参与的利益相关者的隐私视为高度优先事项。一个众所周知的私有实现是由 JP 摩根大通公司开发的 Quorum 区块链。Quorum 提供交易级隐私，同时通过使用一个名为 Constellation 的隐私引擎，提供网络中所有利益相关者行为的网络级透明性。Constellation 使用从交易中涉及的用户的公钥/私钥对中生成的特殊密钥对交易有效负载进行加密。它还便于在现有网络内部署和操作私有智能合约。

现在让我们来探索一下比特币，它是最早的加密货币，也是所有加密货币中市值最大的。

了解比特币

比特币是一种点对点网络上的虚拟货币，用户和验证者分布在网络各处。在比特币区块链网络的帮助下，用户可以以真正分散的方式转移加密货币，而不需要中央银行、清算所或中介。比特币在用户之间的转移以交易的形式被记录，随后被验证、挖掘并添加到区块的规范链接中。

比特币被认为是由一个化名为中本聪的团队创造的，其大部分特性和功能都是基于加密哈希、点对点网络通信和不可变数据结构的现有技术。

在下图中，我们展示了比特币挖掘在单个节点以及池环境中的工作方式:

图 1.1:比特币区块链网络中的两种挖掘

你可以去，https://git.io/JJZzN和https://git.io/JJZzx详细了解一下。

比特币概述

本节提供了比特币加密货币的历史背景，以及关于其当前状态的事实信息，以及市场专家认为的技术和架构限制。

现在，我们将快速深入后续章节所需的一些必要细节:

动机:这种加密货币背后的核心动机之一是，央行推出的货币不可信，因为它们可能没有真正的抵押品支持。这导致货币的生产、发行和管理采取了自由市场的方式，每铸造一枚比特币都有工作证明，从而消除了对央行和其他中介的需求。
事实:这种虚拟货币于 2009 年开源，最大可铸造 2100 万比特币。迄今为止，大约有 1830 万比特币被挖掘出来，至少有三个分叉。

以下是突出的比特币分叉:

比特币现金(具有更大的块大小)
比特币黄金(保存基于 GPU 的工作证明 ( PoW 挖矿而非 ASICs)和比特币可调块大小上限(ABC)32mb 块大小)
比特币 Satoshi 的愿景 ( SV )增加了 128 MB 的块大小在写这本书的时候，每个比特币的价值在 6806.00 美元左右。比特币区块链网络通过向转移比特币的用户收取少量费用来激励验证矿工，根据 PoW 算法，这笔费用将奖励给获胜的区块制造商。
批评:加密货币据称是非法交易媒介的首选之一。对这种使用的主要打击之一来自于黑暗网上一个著名的在线黑市，丝绸之路。联邦调查局在 2013 年末关闭了该网站。

有了区块链的基本知识，现在让我们继续学习以太坊。

以太坊简介

以太坊是一个公共区块链，由 Vitalik Buterin 在 2013 年设计，作为对现有比特币区块链的增强，通过使用一种专用编程语言和一个名为以太坊虚拟机 ( EVM )的虚拟机，包括基于交易的状态管理和业务逻辑脚本。

下图概述了以太坊中块创建的基础:

图 1.2:以太坊中的块创建

在下一节，我们将看看以太坊的简要描述。

以太坊概述

本节提供以太坊加密货币的历史背景，以及关于其当前状态的事实信息，以及市场专家认为的技术和架构限制:

动机:以太坊背后的主要动机是支持在区块链这个强大的媒介上构建去中心化的应用。由于无法说服比特币社区需要一种脚本语言，Vitalik 和一群志同道合的人创建了以太坊。
事实:该项目是开源的，最初发布日期为 2015 年 7 月 30 日。以太坊网络的研发升级由以太坊基金会管理，由 2014 年 7 月至 8 月期间以太 ( 以太)令牌的首次批量销售提供资金支持。迄今为止，已经铸造了大约 1 . 05 亿 ETH。以太坊有一个主要分支叫做以太坊经典(最初的以太坊区块链否认了道硬分支，并保留了以太坊网络的原始未更改状态)。在撰写本书时，每个 ETH 的价值约为 156.00 美元。以太坊区块链网络还通过向在 DApps 上进行交易或转移 ETH 的用户收取少量费用来激励验证节点，这笔费用将奖励给获胜的块制造商。创建块的规则和块的接受由称为 PoW 或利益证明 ( PoS )的一致算法指定。我们将在本章接下来的章节中更详细地探讨 PoW 和 PoS。
批评:以太坊社区不得不面对一些最早的批评，因为团队做出了艰难的决定，从而违背了区块链的一些意识形态和价值观，例如不变性和对人类政治动态的免疫力。由于首发币 ( ICOs )在没有稳定产品或服务的情况下提供所谓的庞氏骗局，该网络后来受到监管机构的批评和严格审查。

硬分叉被定义为对协议的彻底改变，从而使一些先前的块及其事务无效。

有了对以太坊的这个基本了解，我们接着来看看 Hyperledger 平台。

Hyperledger 简介

Hyperledger 是一个开源项目，由 Linux 基金会主持，与金融、银行、供应链、制造和其他领域的各种行业领导者合作，创建标准的区块链技术。我们现在将深入探讨 Hyperledger 以及 Hyperledger 旗下的一些项目。

项目概述

Linux 基金会于 2016 年 2 月 9 日宣布了 Hyperledger 项目，最初有 30 个创始企业成员，包括埃森哲、IBM、DTCC、英特尔和 R3 等。在撰写本文时，Hyperledger 董事会由 21 名董事会成员和全球约 200 家企业成员组成。该项目托管了十几个区块链框架和工具的代码库。下一节将提到几个重要的例子。

超分类帐结构

Hyperledger Fabric 是最初由 IBM 和数字资产成员开发的区块链框架。Fabric 是一个 DLT，旨在为开发人员提供一个模块化的架构，只使用他们需要的东西。该框架支持抽象成容器的逻辑的执行，这些容器被称为链码。使用 Fabric 很容易，因为有大量的文档、教程和工具可用来轻松部署业务网络。

超分类帐锯齿

Hyperledger Sawtooth 是一个区块链框架，为企业提供网络中节点的安全领导选举，以及执行指令的特殊模式。锯齿为大多数语言编写和部署智能合同提供了一个强大的、开发者友好的软件开发包 ( SDK )。值得注意的是，锯齿是早期的现场项目之一，试验将 WebAssembly ( WASM )作为执行智能合同的虚拟媒介。

其他 Hyperledger 框架和工具

在 Hyperledger 保护伞下孵化的其他一些值得注意的项目如下:

Hyperledger Indy:一个区块链平台，专门处理来自内部或外部系统的分散身份
Hyperledger Grid:一个位于 WASM 的项目，用于构建供应链解决方案
Hyperledger quiet:一个区块链工具，使用 Interledger 协议 ( ILP )规范连接不同协议的区块链领域
Hyperledger Caliper :一个区块链基准测试工具，使用特定参数评估特定区块链的性能，例如每秒的事务 ( TPS )、事务延迟、资源利用率等等

有了对 Hyperledger 的基本了解，现在让我们来探索开发人员可以使用的其他区块链平台。

其他区块链平台——Hashgraph、Corda 和 IOTA

Hashgraph 是一个 DLT，利用有向无环图 ( DAGs )具有优越的一致性机制。值得注意的是，这个项目的实现并不是完全开源的。该算法由 Leemon Baird 设计并发布，最初于 2017 年发布。

Corda 是由金融服务联盟 R3 维护的开源 DLT。Corda 提供了一个智能合同平台，允许企业执行复杂的协议，将不同业务领域(包括供应链、医疗保健和金融)的多种资产类别关联起来。

IOTA 是一款开源 DLT，提供物联网设备之间的支付自动化和安全通信。这个项目由非营利性的 IOTA 基金会维持。该项目被称为最有前途的 ico 之一，它提供了令人印象深刻的钱包，传感器数据的数据市场，以及使用一种称为 Tangle 的新特殊数据结构实现更快交易结算的支付渠道，消除了对矿工和交易数据在块中的传统规范表示的需求。

了解了区块链平台的基本知识后，现在让我们来看看典型区块链网络的内部组件。

共识算法

当涉及到计算机时，人类社会赖以运转的法律更难执行。一致性算法是在网络中的计算机上编程的特定指令，以便它们对对象和指令有一个共同的定义，以就变化达成一致。计算机中的崩溃、故障和拜占庭错误导致了在数字网络中形成协议的更好方法，因此在互联网出现之前，共识算法上升到了很高的高度。由于区块链在创新方面的新飞跃，这一概念被重新审视。

接下来的几节将介绍区块链使用的一些重要的共识算法。

工作证明

工作证明 ( PoW )是比特币的匿名创始人——中本聪推出的共识算法。PoW 一致性算法是区块链环境中使用的最早的一致性算法之一。它利用密码术、P2P 网络通信和 Merkle 数据结构的组合来提供比特币区块链中账户的分布式、不可变和累积状态。由第一节点计算的解由剩余节点验证，并且块生产者在网络中广播:

优点:PoW 算法已经在比特币区块链网络中经过了时间的考验，网络中没有任何一次账户状态的黑客攻击/泄露会导致重复消费。
缺点:由于 PoW 算法需要找到一个数学问题的解决方案，需要大量的 CPU 周期来生成散列，因此它是一种能量密集型技术。

利害关系证明

利益证明 ( PoS) 是一种新的共识算法，旨在解决 PoW 算法的一些折衷问题。产生块的节点通过应用数学函数来确定，该数学函数涉及几个决定因素，例如桩(例如 ETH)、节点的年龄和合格候选节点的随机化:

优点:PoS 算法是节能的，因为它有较少的计算需求，并且它不基于解决方案验证模型来选择产生块的节点。
缺点:虽然 PoS 算法在阻塞时间方面是有效的，并且是环境友好的，但是有人批评该算法容易受到资本主义者对节点所有者网络的攻击，并试图与其他候选人竞争，其加密货币的数量惊人，高于所有其他候选人。

燃烧证明

Burn 的证明 ( PoB )是一种共识算法，采用有趣的方法来解决区块链中从一个版本的加密货币到另一个版本的过渡问题。通过 PoB 算法，旧的加密货币(或其先前版本)被烧掉，以减少其供应，并逐渐增加新的加密货币(或其后续版本)的供应。这种共识算法以各种形式实施，包括一种方法，其中用户可以将旧的加密货币转移到不可支付的钱包地址，以换取新的加密货币:

优点:如果系统信任参与实体，PoB 算法在加密货币过渡和网络升级期间非常方便。
缺点:PoB 算法通常适用于基于 PoW 的区块链，因此具有适用性的局限性。这是因为需要可验证的证明和能够随着时间的推移衰变被烧毁的硬币，这是通过 PoW 算法自然能够实现的。

委托股权证明

委托股权证明 ( dPOS )是 Block.one EOS 平台开发并使用的共识算法。根据 dPOS，令牌持有者保留提名验证者(也称为块生产者)的权利。块生产者的选择是一个连续的过程，并且执行将用户事务打包到具有拜占庭容错安全性的块中的职责:

优点 : dPOS 是拜占庭容错(BFT)——在公共网络环境中准备就绪且易于扩展。
缺点:尽管 dpo 很有效率，但它很容易被资本主义的努力所取代。

权威证明

顾名思义，授权证明 ( PoA )算法促进了分布式共识，如果满足某些标准，少数合格的可验证节点保留将事务添加到块的权利。PoA 算法有许多变体，有或没有在公共、私有和许可的区块链中使用的验证节点的信誉:

优点:PoA 算法是节能的，并且不容易陷入资本陷阱，因为验证器节点被授权根据它们的信誉将交易添加到块中。如果观察到节点出现故障，其信誉将受到严重影响，并且不能作为验证器继续工作。
缺点:PoA 算法是部分集中的，因为添加或拒绝事务的权限属于网络中极少数节点的权限。

实用拜占庭容错

实用拜占庭容错 ( PBFT )是学术研究揭露的复制算法之一。该算法由米格尔·卡斯特罗和芭芭拉·利斯科夫于 1999 年(【http://pmg.csail.mit.edu/papers/osdi99.pdf】)提出，主要目的是解决网络节点中任意故障点引起的拜占庭故障。

值得注意的是，Hyperledger 结构区块链框架使用了 PBFT 算法:

优点:PBFT 算法效率高，交易处理速度快，可扩展至私有网络中的数百个节点。
缺点:该算法基于看门人技术，因此因其集中式方法而受到批评。PBFT 不适合公开区块链。

经过时间的证明

耗时证明 ( 诗人)是由 Hyperledger 锯齿区块链框架开发和使用的共识算法。PoET 算法确保了验证器节点领导中的安全性和随机性，在大多数具有安全虚拟环境的高级处理器中提供了特殊的 CPU 指令:

PoET 允许任何拥有合格硬件的人作为验证者节点参与进来，允许合法的方式来验证领导者的选举。
缺点:虽然 PoET 不涉及用加密货币来形成验证节点，但提供专用硬件的成本并不便宜。因此，有批评强调这是一个不公平的进入网络的障碍。

大量

RAFT 是由 Diego Ongaro 和 John Ousterhout 设计和开发的共识算法，其主要动机是实现比 Paxos 更容易理解的分布式共识算法。值得注意的是，RAFT 确保了安全的领导者选举，以分布式方式附加日志条目，以及状态机的一致性。RAFT 共识在法定区块链中实施，以继承前述安全特性:

优点 : RAFT 是处理复杂事务负载中速度最快的算法之一，具有领导安全性和状态机一致性。
缺点:筏只适合特许或私人区块链。

三元扩充筏式建筑

三元增广 RAFT 架构 ( 塔拉)是为大规模拜占庭分布式网络设计的共识算法。它是 RAFT 共识算法的增强版本，通过利用 PBFT 强化和加密消息交换来处理可由其资产类别识别的异构事务。TARA 为网络引入了动态层次结构，以确保它们的权限不会集中在几个节点上:

优点 : TARA 提供服务集群以确保高可用性、吞吐量和规模。它拥有所有外形规格的硬件，能够参与计算和存储事务。TARA 可应用于所有三种环境—公共、私有和许可的区块链网络。
缺点:领导选举并不固有地依赖于节点的声誉，从而允许对系统的潜在攻击。这些约束必须显式实现。

雪崩

Avalanche consensus 是一种用于分布式系统的协议，引入了无领导拜占庭容错，使用亚稳态机制在节点之间实现相同级别的安全性和一致性。Avalanche 依靠雪球家族来形成 DAG，DAG 存储用户事务数据，而不是数据块:

优点:雪崩保证活跃度，不受网络中竞争条件的影响。
缺点:领导共识可能不适用于所有的区块链环境，因为没有一套经过仔细分析的启发式方法来确保一致性。

有了对共识算法的详细分析，现在让我们看看区块链开发者可用的开发工具。

使用区块链工具构建 DApps

主流采用区块链的主要原因之一是开发人员领导的技术推广浪潮。这一点已经在开发人员使用的框架和工具中观察到了。在下一节中，我们将介绍可供公众使用的各种工具和平台，以构建基于区块链的软件解决方案。

区块链工具链和框架

下面的列表介绍了几个深受开发人员和相关解决方案社区欢迎的区块链工具链和框架:

松露框架(Truffle framework)是由 ConsenSys 作为一个开源项目开发的，为针对 EVM 的智能合同的开发、测试和部署提供了一个管道。
Embark:Embark 框架由 Status 作为开源项目开发，为以太坊智能合约开发者提供调试和集成环境。值得注意的是，Embark 为合同数据的分散存储提供了与 IPFS 更紧密的集成。
Hyperledger Composer :这是 Linux 基金会的一项开源成果，它提供工具来帮助开发人员将需求转化为 DevOps 流程的概念证明，以根据需要构建新的网络。
MetaMask :这是一个中间件，将浏览器中运行的应用程序与以太坊区块链连接起来。它是一个开源项目，被所有以太坊开发者广泛支持和使用。用户可以通过元掩码在 web 应用程序中执行事务。
这是一个基于 JavaScript 的库，完全按照规范实现了以太坊钱包。开发人员使用这个开源库来创建用户钱包、执行交易等等。这个库也因为最近对以太坊名称服务 ( ENS )的支持而出名。
这是一个开源库，用于在。网络环境。尼瑟姆提供。NET 开发了一个名为 NuGet 的 SDK，它被集成到 Visual Studio 集成开发环境 ( IDE )中，用于跨 web 和移动应用程序使用 web3 功能。

接下来，让我们看看用 ide 和插件开发 smart。

使用 ide 和插件开发智能合约

传统的软件开发人员更熟悉和适应在 ide 中工作，区块链活跃的开发人员社区已经考虑到了这一点。在下一节中，我们将观察一些著名的基于 web 的 ide 和可用于独立 ide 的插件。

混音 IDE

Remix 已经成为智能合约开发和部署的事实上的 IDE。这个开源 IDE 是为那些对以太网开发、调试和部署 solidity smart contracts 感兴趣的开发者使用的。值得注意的是，这个 IDE 可以很好地与私有网络一起工作，并提供定期更新。

以太网集成开发环境

EthFiddle 是由 Loom Network 发起的一项开源计划，旨在促进在线代码实验，并提供在开发人员之间共享 solidity smart contracts 的实验代码片段的能力，以便于协作。

Eclipse 的 YAKINDU 插件

一些企业开发人员渴望为当前的 ide 开发插件，这个插件正好提供了这一点。YAKINDU 为 Eclipse IDE 中的 solidity smart contract 开发提供了基本的语法突出显示和其他通用语言包特性。

Visual Studio 代码的可靠性插件

这个插件可以安装在 Visual Studio Code 上，最常用的 ide 之一。它自称是用于 solidity 智能合同开发的领先插件之一。

Visual Studio 代码的 Etheratom 插件

Etheratom 是 GitHub 的 atom 编辑器可用的插件，提供了语法高亮等 IDE 特性，包括到本地以太坊节点的部署接口。它使用 web3.js 与本地以太坊节点进行交互。

摘要

区块链受到了大量的宣传，我们现在正在观察这种宣传带来的一些兴奋，这些兴奋以成熟的实践、框架、工具和实际用例的形式实现。了解区块链目前的状况及其产品有助于我们评估将新兴需求转化为产品的能力，同时减少对市场的摩擦。

在这一章中，我们探讨了什么是区块链，现在我们有信心能够识别 DLT 和分布式数据库之间的相似性和差异。我们还通过实例观察了开放和私有区块链中不同类型的设计模式。我们列举了多个区块链项目、加密货币实现、框架和工具。

在下一章中，我们将向您介绍 AI 的当代基础知识，我们将观察 AI 的不同类型和形式，以及 AI 的更多应用。

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