DAG区块链技术 原理与实践pdf

DAG区块链技术 原理与实践 作者：曹源，张翀，丁兆云，姜新文

DAG区块链技术 原理与实践 出版社：机械工业出版社

DAG区块链技术 原理与实践 内容简介

本书由区块链4.0明星项目InterValue（也是目前技术更先进的基于DAG的区块链项目）核心团队撰写，它从底层原理和工程实践两个维度深入浅出地讲解和剖析了DAG这一新兴的区块链技术，能为基于DAG的技术研发、场景落地、链上应用和生态构建提供全方位的指导。

全书共11章，逻辑上分为三个部分：

部分（第1~6章） 技术原理篇

首先从宏观上对区块链及DAG技术做了整体性介绍，然后从微观上详细讲解了DAG区块链技术的通信机制、共识机制、智能合约、密码学技术和安全技术，这部分内容将从理论和技术的角度为读者打下坚实的基础。

第二部分（第7~9章） 工程实践篇

从原理实现和应用开发两个维度深入剖析了目前具有代表性的3个基于DAG技术的区块链项目：IOTA、ByteBall和InterValue。不仅能让读者了解这3个项目的核心技术实现细节，而且还能从中学习和借鉴DAG技术的开发方法和技巧。

第三部分（第10~11章） 展望篇

首先介绍了典型的基于DAG技术的区块链应用和DAG区块链技术的应用场景，然后对DAG技术的发展脉络进行了梳理，*后对DAG技术未来的发展趋势做了前瞻性的分析和探讨。

DAG区块链技术 原理与实践 目录

序一

序二

序三

序四

前言

第1章　区块链基础1

1.1　区块链简介1

1.1.1　基本概念1

1.1.2　分类3

1.1.3　应用与价值3

1.2　区块链相关技术简介4

1.2.1　底层通信技术4

1.2.2　共识技术6

1.2.3　智能合约6

1.2.4　加密与签名6

1.2.5　匿名保护7

1.3　DAG区块链8

1.3.1　起源8

1.3.2　DAG区块链与单链技术的对比8

1.3.3　DAG区块链的优势与价值9

1.4　本章小结10

第2章　DAG区块链通信机制11

2.1　计算机网络的基本概念和技术11

2.1.1　计算机网络体系结构11

2.1.2　P2P对等网络19

2.1.3　网络安全技术24

2.2　IOTA通信机制28

2.2.1　网络结构及特性28

2.2.2　掩码认证消息29

2.2.3　交易隐私保护34

2.3　Byteball通信机制37

2.3.1　Byteball网络结构37

2.3.2　Byteball网络节点通信协议38

2.3.3　Byteball加密通信原理与实现40

2.3.4　Byteball私有不可追踪的支付41

2.4　InterValue通信机制42

2.4.1　网络结构42

2.4.2　大规模组网方法43

2.4.3　匿名通信机制44

2.4.4　跨链通信机制46

2.5　本章小结49

第3章　DAG区块链的共识机制50

3.1　IOTA共识机制50

3.1.1　Tangle确认规则50

3.1.2　轻量化的PoW52

3.1.3　蒙特卡洛马尔可夫链52

3.1.4　双花问题54

3.2　Byteball共识机制56

3.2.1　单元确认规则56

3.2.2　主链57

3.2.3　稳定点扩展 58

3.2.4　双花问题58

3.3　Hashgraph共识机制59

3.3.1　Gossip协议59

3.3.2　witness选择60

3.3.3　投票规则62

3.3.4　双花问题64

第4章　DAG区块链的智能合约65

4.1　Byteball智能合约65

4.1.1　Smart Payments简介66

4.1.2　Smart Payments原理68

4.1.3　实战Byteball智能合约75

4.2　DAG图灵完备智能合约探索86

4.2.1　DAG图灵完备智能合约的挑战87

4.2.2　Vite项目90

4.2.3　InterValue项目92

4.3　本章小结94

第5章　DAG区块链中的密码学技术95

5.1　DAG区块链中的Hash函数95

5.1.1　Hash函数的基本模型95

5.1.2　SHA256密码算法97

5.1.3　SHA3计划胜选Hash函数99

5.1.4　中国商用密码Hash函数SM3101

5.1.5　Merkle哈希树103

5.2　DAG区块链中的非对称加密机制104

5.2.1　RSA加密算法104

5.2.2　EIGamal公钥加密算法107

5.2.3　椭圆曲线公钥加密算法108

5.3　区块链中的数字签名机制110

5.3.1　RSA数字签名110

5.3.2　DSA数字签名111

5.3.3　ECDSA数字签名112

5.3.4　EIGamal数字签名113

5.3.5　SM2数字签名114

5.3.6　Schnorr数字签名116

5.3.7　特殊数字签名117

5.3.8　零知识证明122

5.4　后量公钥密码体制124

5.4.1　基于Hash函数抗量子密码124

5.4.2　基于纠错码抗量子密码125

5.4.3　多变量密码125

5.4.4　格密码126

第6章　DAG区块链安全原理与实践130

6.1　区块链安全介绍131

6.1.1　背景131

6.1.2　威胁模型132

6.1.3　安全目标132

6.2　数据安全与防护133

6.2.1　交易匿名133

6.2.2　隐私保护133

6.3　算法安全与分析134

6.3.1　签名算法134

6.3.2　共识机制135

6.3.3　智能合约135

6.4　代码安全与缓解136

6.4.1　模糊测试137

6.4.2　符号执行137

6.4.3　自动化漏洞挖掘138

6.4.4　攻击缓解139

6.5　基础设施安全威胁与防护140

6.6　典型漏洞分析与实践141

6.6.1　重入漏洞141

6.6.2　访问控制漏洞143

6.6.3　整数溢出漏洞146

6.6.4　底层函数返回值未检查漏洞148

6.6.5　拒绝服务漏洞149

6.6.6　随机性不当漏洞150

6.6.7　提前交易漏洞151

6.6.8　时间篡改漏洞152

6.6.9　短地址漏洞153

6.7　区块链生态安全的未来155

6.8　本章小结155

第7章　IOTA详解156

7.1　IOTA原理分析156

7.1.1　IOTA简介156

7.1.2　IOTA数据结构157

7.1.3　IOTA系统稳定性分析162

7.1.4　IOTA安全性分析166

7.2　IOTA实战开发172

7.2.1　IOTA钱包安装 172

7.2.2　IOTA API176

7.2.3　IOTA私有测试链搭建180

7.2.4　第一个简单小程序184

7.2.5　IOTA应用实例186

第8章　Byteball详解189

8.1　Byteball原理分析189

8.1.1　Byteball简介189

8.1.2　Byteball区块链结构190

8.1.3　Byteball地址和脚本192

8.1.4　Byteball网络结构199

8.1.5　Byteball应用方法203

8.2　Byteball实战开发211

8.2.1　Byteball安装部署211

8.2.2　Byteball应用实例218

8.3　本章小结220

第9章　InterValue详解222

9.1　InterValue原理分析222

9.1.1　InterValue简介222

9.1.2　InterValue数据结构228

9.1.3　InterValue共识机制233

9.1.4　InterValue智能合约241

9.1.5　InterValue安全机制245

9.1.6　InterValue匿名通信技术250

9.2　InterValue生态圈251

9.2.1　InterValue跨链技术和多链融合252

9.2.2　全节点适配器多链融合253

9.2.3　InterValue跨链通信254

9.2.4　InterValue跨链资产交换255

9.2.5　InterValue跨链资产转移256

9.3　本章小结256

第10章　DAG区块链与区块链3.0生态259

10.1　DAG区块链链上应用259

10.1.1　分布式社交网络应用259

10.1.2　分歧合约应用260

10.1.3　文件存储网格应用261

10.2　DAG区块链应用场景262

10.2.1　应用场景概述262

10.2.2　实物资产交易确权264

10.2.3　去中心化旅行服务平台264

10.2.4　资产分红权利交易区块链266

第11章　DAG区块链展望269

11.1　从1.0到4.0269

11.2　未来展望270

DAG区块链技术 原理与实践 精彩文摘

互联网给整个社会带来了颠覆式的影响，是电气时代后最伟大的创新技术之一。每一轮新技术都会推动生产力的发展和社会经济的进步，并在这种进步的过程中逐渐蜕化和演进。随着互联网技术在社会各方面渗透应用的极致深化，互联网红利逐渐消失，而区块链有望带动新一轮行业革新和创新应用。达沃斯论坛创始人克劳斯施瓦布认为，区块链作为继蒸汽机、电气化、计算机之后第四次工业革命的重要成果，预计到2025年之前，全球GDP总量的10%将利用区块链技术储存。因此，区块链是继互联网之后的一项革命性的创新技术，它将改变人类社会价值的传递方式，重塑组织形态，促进资源重新整合，改变行业运行逻辑。

本章将介绍区块链的基础概念，主要包括区块链的定义与相关概念，分类、应用价值，以及相关技术简介。

1.1　区块链简介

区块链技术作为一种使数据库安全而不需要行政机构授信的解决方案首先被应用于比特币。中本聪（Satoshi Nakamoto）在2008年于《比特币白皮书》中提出“区块链”概念，并在2009年创立了比特币社会网络，开发出第一个区块。

1.1.1　基本概念

1.区块链

关于区块链的概念目前还没有一个共同的认识，维基百科给出的解释为：区块链是用于分布式数据库识别、传播和记载信息的智能化对等网络，也称为价值互联网。

从本质上讲，区块链技术是一种使用去中心化共识机制去维护一个完整的、分布式的、不可篡改的账本数据库的技术，它能够让区块链中的参与者在无需建立信任关系的前提下实现一个统一的账本系统。区块是公共账本，多点维护；链是盖上时间戳，不可伪造。

区块链本质上是一个注重安全和可信度胜过效率的一项技术。目前所有的系统背后都有一个数据库，也就是一个大账本。那么谁来记这个账本就变得很重要。现在就是谁的系统谁来记账，各个银行的账本就是各个银行在记，支付宝的账本就是阿里巴巴在记。但在区块链系统中，系统中每个人都有机会参与记账。在一定时间段内如果有新的交易数据变化，系统会评判这段时间内记账最快最好的人，将其记录的内容写到账本，并将这段时间内账本内容发给系统内的其他人进行备份。这样系统中的每个人都有一本完整的账本。因此，这些数据就会变得非常安全。篡改者需要同时修改超过半数的系统节点数据才能真正地篡改数据。这种篡改的代价极高，几乎不可能发生。例如，比特币运行已经超过9年，全球无数的黑客尝试攻击比特币，但是至今为止没有出现过交易错误，可以认为比特币区块链是一个非常安全可靠的系统。因此可以认为，区块链技术就是一个全民参与记账的方式，它将带来的是记账方式的革新。

2.哈希函数

哈希函数是可以将原始数据编码为特定长度的、由数字和字母组成的字符串。哈希函数有着很多适合存储区块链数据的优点：1）哈希函数处理过的数据是单向性的，通过处理过的输出值几乎不可能计算出原始的输入值；2）哈希函数处理不同长度的数据所耗费的时间是一致的，输出值也是定长的；3）哈希函数的输入值即使只相差一个字节，输出值的结果也会迥然不同。

3.P2P网络

P2P是英文Peer-to-Peer的缩写，称为“对等网”或“点对点”技术。IBM为P2P下了如下定义：“P2P系统由若干互联协作的计算机构成，且至少具有如下特征之一的系统依存于边缘化（非中央式服务器）设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益；系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；系统应用的用户能够意识到彼此的存在，构成一个虚拟或实际的群体。”而Intel将P2P技术定义为“通过系统间的直接交换达成计算机资源与信息的共享”。

在P2P系统中，每一个Peer都是平等的参与者，扮演着服务使用者和服务提供者两个角色。资源的所有权和控制权被分散到网络的每一个节点中。简单来说，P2P技术是一种用于不同用户之间，通过计算机网络“直接”交换数据或者共享服务的技术。它允许每个人直接连接到另外一台计算机上交换文件，而不再登录到服务器下载文件。