金融科技、区块链、人工智能——金融科技、区块链、人工智能的最新进展迫使我们掌握最新技术

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

1.1 为什么要写这篇文章？

虽然市场上已经有了大量涉及金融学、经济学、管理学等学科方面的科普文章与教程性内容，并已形成了完整的杂志形式出版物。但在当前最热门的金融技术与产业变革领域方面，则尚未出现真正意义上的专业深度文章。

1.2 文章结构

本文将按照如下顺序进行阐述：

1. 背景分析
2. 基本概念及其术语解释
3. 核心算法原理及详细操作流程
   其中包含关键数学公式的深入解析
4. 代码实现细节及功能解析
   包括具体的实现步骤与运行机制
5. 技术发展动态及其面临的挑战
   包括潜在的技术瓶颈与突破方向
6. 常见问题汇总及其解答

2. 背景介绍

2.1 区块链概述

2.1.1 什么是区块链?

区块链是一种高度可扩展的分布式存储系统，在全球网络中通过共享一组记录块构建起来。每个记录块都携带前一个记录块的唯一哈希值序列信息，从而实现对数据完整性的严格保障以及防止遭受破坏的能力。该系统具有高度可扩展性、去中心化特征和抗篡改特性等显著特点。

• 分布式架构：该系统不依赖单一中心实体或集中式节点（centralized nodes），确保无单点故障风险，并避免被单一组织完全控制的可能性；
  • 分布式存储：数据以多节点系统形式存在（distributed storage），摒弃传统集中式数据库模式（centralized database），从而提升了系统的可靠性和容灾能力；
  • 无中心管理架构：区块链系统缺乏单一管理实体（single point of control），允许任意参与者自由加入或退出系统（participate in the system），并处于平等参与竞争关系（equal competitive relationship）；
  • 合规共识 ledger：所有参与者均可访问完整的交易日志记录（complete transaction log records），从而实现了对交易信息的确保和验证过程（ensure and verify transaction information）；
  • 高隐私保护机制：该技术方案无需预先识别参与者的身份信息（participant identities），仅需依靠加密算法来实现其功能需求（functionality requirements）。

2.1.2 为什么要使用区块链?

目前, 区块链技术已被广泛认可为解决复杂商业挑战的关键工具之一。其主要原因包括五个关键因素：

（1）防伪造：数字货币通过记录每笔交易的哈希值来确保其真实性，并可验证该交易的有效性；而基于区块链技术构建的安全存储环境能够有效地防止数据篡改，并具备不可否认性、透明性和不可逆性等显著特点。

（2）低成本：去中心化的特性使得区块链应用可以在非常小的成本下部署；

（3）透明度：区块链可以记录交易信息，任何用户都可以查询到交易历史，无须中介机构审核，降低了交易风险；

（4）灵活性：可以实现即插即用的各种业务场景；

（5）互操作性：各具特色的应用程序能够访问统一的区块链平台，并实现数据交互和结算流程等。

2.2 区块链应用领域

2.2.1 供应链金融

在物流与采购环节应用 blockchain 技术能够显著提升效率并降低运营成本。例如，在货物运输过程中 通过 blockchain 技术来记录货物状况 从而确保其完整流通 防止货物被盗走、遗失或被伪造。此外 这一技术还可追踪成本与利润变化 从而为企业提供更精准的成本与利润分析数据 增强企业的市场竞争力。另外 随着数字货币呈爆发式增长趋势 基于 blockchain 的供应链金融领域将面临全新的发展机遇。区块链技术可帮助企业构建独立的价值主体 并赋予这些主体相关的一系列权利 将这些权利托管到一个去中心化的公共 blockchain 上 并通过激励机制促使各个节点履行职责 从而促进价值流通和价值创造。

2.2.2 债务担保

在金融领域中，区块链技术能够实现一种可靠的债权权益整合与协调管理方式。这种技术已被广泛应用于银行业的债务担保业务中，在线下各方通过数字签名来确认债务的所有权，并将相关资产记录在一条区块链上。通过这种方式,债权人可以直接访问其资产,无需经过法律程序的审核流程。该方法有助于缓解金融监管部门的工作压力,并增强金融服务的安全性保障水平。此外,基于区块链的技术还能够创造一种全新的财富分配模式,让那些在网络上传播最佳知识的人分享更多收益机会。这种模式将在未来一段时间内获得广泛应用

2.2.3 透明性与可追溯性

区块链的一个显著特点是"保证数据不可篡改"。它能够有效存储交易过程中的各项信息，并维护所有参与者的隐私安全。同时，在每一个节点都保存着整个区块链的完整副本的情况下，则能确保数据的高度完整性和真实可靠性。因此，在区块链基础上开展的各项业务均能实现较高的透明度与可追踪性优势。具体而言，在电子支付领域中，则可借助区块链技术来精确记录每一笔支付交易的具体信息，并使参与方双方的资金余额都能实时查询更新情况而非仅停留在简单记录交易金额阶段。

2.2.4 记录和记账

在审计过程中，在审计过程中，在审计过程中

2.2.5 数字身份

随着社会逐渐分散,区块链技术能够使每个人的数字身份得以实现.通过区块链平台上的数字身份,人们能够完成身份验证过程、存储和管理个人信息、完成跨境支付操作以及获取必要的网络服务.目前,随着区块链技术的不断发展完善,越来越多的人开始认识到数字身份在推动社会和谐发展、维护个人隐私和信息安全等方面的积极作用.

3. 基本概念术语说明

3.1 账户（Account）

在区块链系统中作为资产存储实体的账户是一种基本功能单位。每个特定的公私钥组合都与一个独特的身份相关联。这些信息能够被设计成一种可被公开的形式发布出去。该信息有助于任何第三方能够通过查看和分析这些数据来验证交易的真实性与完整性。这些代表不仅包括个人用户、应用程序或其他智能合约等。

3.2 比特币（Bitcoin）

比特币是最先应用于区块链技术的加密货币之一，在2009年首次提出。它的初始目标主要用于作为一种商业支付手段。然而随着其逐渐普及的应用场景不断扩展，并延伸至支付、投资理财、保险等多种领域。目前而言，它已发展成为全球范围内流通最大的加密货币之一。

3.3 密码学（Cryptography）

密码学是实现信息通过数学手段安全可靠地传递的关键技术。区块链所涉及的密码学领域主要包括多种经典的加密算法以及基于公钥体系的安全机制等。

3.4 挖矿（Mining）

采矿是指算力计算和数据处理的持续过程，在此过程中会生成新的比特币。矿工不断地探索满足特定标准的解答，并将这些解答发送并通过区块链网络打包成区块。当该区块获得验证确认后，新的比特币就会产生。

4. 核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

4.1 加密算法（Cryptographic Hash Function）

该类算法也被广泛称为哈希函数和摘要函数。
其核心功能是将任意长度的信息转化为固定长度的信息。
这种固定的转换结果被称为信息摘要或哈希值。
它不仅保证信息的安全性，
还能方便地验证信息完整性。
这些算法通常被称为常见的密码学工具。

MD5

MD5算法（缩写为Message-Digest Algorithm 5）是首个被公开的哈希函数。该算法由 RSA Data Security Inc. 设计，并以其运行速度极快而著称。它采用的是一个基于 512 位的数据处理方案，并能够生成一个固定长度为 128 位的二进制字符串作为输出结果。该输出结果通常以十六进制编码呈现，并被称为 MD5 值或 MD5 十六进制码表示形式。

SHA-1

SHA-1是Secure Hash Algorithm的缩写，并由美国国家安全局（NSA）设计作为Hash函数标准。该算法能够对任意长度的数据消息生成一个稳定的160位消息摘要。作为一种加密散列函数，它能够可靠地生成校验码（即所谓的校验和）。其主要特点包括输出结果和摘要均为160位长，并且计算速度较快且抗碰撞能力较强。

SHA-256

哈希算法（Secure Hash Algorithm, 缩写为 SHA−−−−−−−−−−−−−−−− − − − − − − − − − − SHA– ）是由 NSA 于 个世纪前 开发的一种 加密 散 列 函数 ，并 包含两 标 准 版本 。它是 NSA 个世纪前 开发 的 加密 散 列 函数之 一 。相 比 SHA– 更 强大 ，也 更 安全 。该算 法 已被 广泛 使用 。

4.2 RSA加密算法

RSA算法属于公钥密码系统的一种，在实际操作中可以将明文信息经过加密过程转化为密文形式。该系统的特点是实现加密与解密操作时均需使用相同的密钥进行操作。RSA算法的安全性能建立在以下两个前提条件上：其一是大质因数分解的困难性；其二是模指数运算的不可逆特性。

1. 假设选取的素数p和q是足够大的，即 n=pq
2. 假设没有人能够同时知道p和q

基于以下前提条件，在应用费马素性检验后可得出结论：n是一个质数。由此可知，在这种情况下可以通过使用公钥（e）和私钥（d）来计算出n的模逆元素d。

RSA加密算法包括以下三个步骤：

生成过程如下：

1. 选择两个大素数 p 和 q，并计算模数n=p×q。
2. 确定一个整数值e，并确保e与φ(n)互质。
3. 根据给定的e和n值求解关于d的线性同余方程ed≡1 mod φ(n)，从而得到模逆元d。

公钥为 (n, e) ，私钥为 (n, d) 。

4.2.1 RSA的安全性

RSA加密算法的安全性依赖于两个假设：

1. 难以进行大素数的乘法运算；因此，在选择p和q时需要确保它们足够大以使它们的乘积足够庞大。
2. 其乘积无法直接被揭示；这将泄露某些关键信息。

4.3 ECDSA加密算法

ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm） 被认为是一种被广泛使用的椭圆曲线数字签名算法。它也被被称为椭圆曲线型数字签名标准（ECDSS），这一术语源自于其基于的数学原理。该系统采用了椭圆曲线加密技术作为其基础。

4.3.1 椭圆曲线加密算法

椭圆曲线加密算法基于公钥加密技术，在实际应用中能够实现任意数据长度的信息加密与解密过程。该算法的核心理念在于选取一对具有不同离散性能的椭圆曲线参数，并通过公共密钥在椭圆曲线上执行点加法操作可以获得待加密信息；利用私人密钥解密则可恢复原始信息。

阐述椭圆曲线的形式。对于模m情况下的椭圆曲线而言，其标准方程形式为：
y^2 \equiv x^3 + ax + b \mod m
其中a, b, m均为非零正整数，并且满足m≥2. 若\overline{E}作为\mathbb{F}_m^*中的切线于该方程，则称\overline{E}为该有限域上的原始椭圆曲线.

对于椭圆曲线上的一点P(x₁,y₁), 我们也可以将其在椭圆曲线坐标系中的齐次坐标(X₁:Y₁:Z₁)表示出来。其中X₁,Y₁,Z₁均为非负整数。

椭圆曲线上的加法运算是指，在该曲线上定义一种将两点映射到第三点的操作规则。对于给定的椭圆曲线方程组 y^2 \equiv x^3 + a x + b \pmod{m} 以及一点 P = (x_{1}, y_{1})，则定义椭圆曲线上另一点 Q = (x_{2}, y_{2}) 的加法规则为：

Q = (x_{2}, y_{2}) = \left[ {y_{1}}^{2} + {x_{1}}^{3} \right]^{\frac{p+1}{4}} \cdot {(2 x_{1})}^{\frac{p- 8pt - 5}{4}}} \\ \cdot {\frac{y_{i}}{a - 5pt - 7}} \cdot {\frac{- 6t}{5}}

其中 {}^{t} 是 t 次幂运算符号。

该椭圆曲线由商群\overline{E}/\overline{E}^{\infty}构成，则其order为q-1。
特别地，在这种情况下\overline{E}被定义为其order。

恢复椭圆曲线上点的过程如下所述：已知椭圆曲线方程为 y^2 \equiv x^3 + ax + b\mod m 和一点坐标 (x_1, y_1) ，无需知道该点对应的参数 k ，我们可以通过特定方法计算出 k 的值。令 r 是该曲线上满足一定条件的一个非零根元素，则可表示为 β = P + r ：

k_{\beta} = kr + \frac{1}{4}(br^3 - b)^{-\frac{1}{2}}

其中各项符号定义如前文所述。

椭圆曲线上的点配对关系。给定任意一点P=(x₁,y₁)，其中i为整数，则存在唯一的椭圆曲线组(E_i, E_{-i})与点P进行配对。若点P的纵坐标满足y_1=0或者y_1=p（模p运算下），则不存在对应的配对关系。否则，则有：
当点P满足以下任一条件时：
\begin{cases} i = -1 & \text{当 } P\cdot G = -P, \\ i = 1 & \text{否则}. \end{cases}

4.3.2 ECDSA算法

ECDSA采用了椭圆曲线加密算法，并依靠椭圆曲线加法操作和点恢复技术来实现数字签名的生成与验证。详细说明了数字签名生成与验证的具体步骤。

创建随机数 k，0。

使用私钥 d 计算椭圆曲线 E 上的点 Q=kG。

该成果表现为 (R,\sigma ) ，其中 R 是椭圆曲线 E 上关于点 Q 的非零寻根元素 ，具体而言，则由以下公式确定 ：

\sigma = \begin{cases} k^{-1}(H(m) + Rx) - Q_y & 当 |\sigma_1| = 1 \\ 0 & 当 |\sigma_1| = 0 \end{cases}

H() 函数为消息摘要算法，如 SHA-256。

验证签名过程如下：

通过传递参数的方式将签名结果(R,\sigma)和公钥(E, Q_x, Q_y)输入到同一个验证器。
基于消息m和中间变量R, 计算出的结果是s = k^{-1}(\sigma R - H(m)Q_x) - Q_y。
当计算出的结果s满足\lvert s\rvert \geq \frac{N}{2}时，则返回错误；否则返回成功。

4.4 Merkle树

Merkle树作为一种层级叠置的数据结构，在密码学领域被广泛应用于区块链技术中。它通过将一组相互关联的数据块组织成一个可验证的数据结构来实现对大型文件或大数据集的有效管理与高效校验功能。该结构通过将单个数据块的信息与相邻节点的信息相结合，在构建过程中逐步生成完整的摘要信息存储在根节点上；具体而言，在构建阶段需要依次计算每个数据块对应的初始哈希值，并利用左子节点和右子节点的当前状态更新父节点的总状态；最终形成一个包含所有关键信息元素的高度紧凑且具抗篡改性的存储架构；这样一来就能够有效地检验整个数据集的整体完整性并确保其不可篡改性

Merkle树的构建流程如下：

1. 该初始化操作将树结构限定为仅包含一个根节点。
2. 对所有叶子节点的数据块执行哈希运算，并将这些哈希值存储在相应的叶子节点中。
3. 持续执行上述两步操作直至所有数据块均被成功哈希。
4. 从底层开始向上遍历树结构，在每一步中基于当前节点的兄弟和父节点的哈希值来重新计算中间节点的哈希值。
5. 经过上述过程，在最终达到根节点时所有相关节点的哈希值均被准确计算完毕。

在构建Merkle树的过程中：首先需要明确的是，在计算某个特定节点时（例如某个父节点），若其子节点恰好等于另一节点的哈希值（我们称这种情况会产生所谓的'祖先冲突'现象），那么就无法按照常规方法实现数据完整性验证。为此必须引入一种称为'路径压缩'的技术机制。具体来说，在路径上的每个节点都会将所有孩子指针重新导向其祖父节点对应的哈希值。这样一来不仅能够有效避免'祖先冲突'问题的发生而且还能提高整个系统的性能效率

4.5 莫尔斯编码

莫尔斯编码（Morse Code）是一种方式，用于表示为脉冲波的形式。它建立在摩斯密码的基础上，并由主要发明者罗伯特·莫尔斯所发展。

在莫尔斯编码体系中每个字符均通过一串特定符号予以呈现这些信号既可使声波产生振动也可使声波处于静止状态用于标识字母"A"则需遵循摩斯电码标准按照'·−'模式排列出四个不同的信号单元以此实现音标的正确传达

除了以字母编码之外，在莫尔斯电码中还能够实现数字、标点符号以及空格符号等多种字符的编码功能。具体说明可参考维基百科条目中的详细解释

4.6 超级密码（Supersingular Isogeny Cryptosystem）

超级密码属于一种先进的...技术。它不仅能够对信息进行...处理，并且也能完成...操作，并表现出极强的抵御攻击能力。其核心技术在于构建一种独特的对称型...机制，在执行...操作时, 该机制能够有效地模拟任意单向函数的行为. 基于输入数据的不同特征, 在...过程中系统会根据具体需求自动生成最适合的加解密函数, 并完成相应的加解密操作.

具体过程如下：

通过选择一个素域来确定椭圆曲线的参数，在密码系统中通常会采用这样的构造方法。随后，在椭圆曲线的基础上随机地选取两个密钥对（K_1, K_2），其中每个密钥对应特定的生成元参数设置。随后，在实际应用中需要计算两个中间变量T₁和T₂的具体数值，并将这些结果作为进一步操作的基础依据。在实际操作中需要明确区分这两个变量所代表的不同含义以及它们之间的相互关系，并在此基础上完成后续的安全协议验证工作。整个加密过程包括以下几个关键步骤：首先，在初始化阶段需要明确系统的各个参数设置；其次，在执行加密操作时需要严格按照预定的算法流程进行；最后，在完成所有计算后还需要进行必要的验证以确保系统的安全性得到保障。

解密流程如下：

• 首先验证输入的密文 c=[K'_1](c_1)^{\perp}, [K'_2](c_2)^{\perp} 是否与目标子空间 T_1 和 T_2 相匹配。
• 若上述条件满足，则采用复合运算符 \circ_{[\circ_{K'}]} 作为解密函数。
• 其中复合运算符定义为 \circ_{[\circ_{K'}]} = \circ_{[K'_1, K'_2]} = \circ_{[K'_1]} \star \circ_{[K'_2]}。
• 最终通过应用该运算符可求得明文为 m' = [\circ_{[ K' ]} ]( c )。

在实际应用中使用超级密码体系能够实现邮件端到端加密、通信端到端加密通信安全以及数字 currency支付系统安全性等用途。

4.7 闪电网络（Lightning Network）

Lightning Network是一种基于去中心化架构的实时通信系统。该系统采用高速度、低费用且操作简便的资金结算模式。特别适用于那些无需支付宝等传统支付工具进行小额资金转移的情况。该平台主要依托比特币区块链技术实现去中心化运营，并构建了一个开放式的P2P资金传输生态系统。

闪电网络的主要特点包括：

1. Lightning network is a decentralized network.
2. The Lightning network does not depend on central servers in terms of data transmission, routing, or settlement.
3. The Lightning network's payments are primarily based on the micropayment (micropayments) protocol, which implies relatively low transaction frequencies.
4. The Lightning network's payment methods comprise lightning payments (lightning payments), payment requests (payment requests), and time-locks (time-locks).
5. The Lightning network does not require trust, ensuring high reliability.

闪电网络的工作原理可以分为以下几个步骤：

1. 发起方生成并提交付款请求，并附带支付目的地址、金额及锁定时间等必要信息。
2. 当用户扫描付款请求时, 接收方确认同意支付。
3. 在用户接收到付款请求后, 发送方发布交易信息, 并包含之前已生成的交易费用。
4. 接收方扫描交易记录, 并使用公共密钥验证其签名是否有效。
5. 当交易符合规定条件时, 在线支付完成并完成资金转移至指定账户。
6. 若交易失败或超时未完成, 则可重新发起尝试过程。

闪电网络的使用场景有：

1. 在线支付。无需第三方支持即可完成即时且安全的在线交易。
2. 点对点支付。非银行间转账方式下交易成本高昂，则可借助闪电网络显著降低交易成本。
3. 游戏支付。虚拟货币系统中的一种可通过闪电网络实现快速和低成本的转账。
4. 食物订单支付。餐厅接受顾客以现金或实物形式付款时可采用非银行间转账方式进行结算。

4.8 分片（Sharding）

分片采用分布式架构策略。分片通过将整个系统划分为多个部分或子系统，在各自的物理设备上运行，并且能够减少整体资源消耗并提高系统的可用性。其主要目的是在保证系统的完整性和可靠性的同时优化其性能。

在 blockchain 领域中应用广泛的是分片技术作为一种优化方案。得益于 blockchain 系统具有的去中心化与不可篡改性特征支持其高效处理海量交易数据。然而，在 blockchain 系统中尽管具备高效的交易处理能力但仍面临数据规模与计算资源方面的挑战。采用分片技术则能将整个系统的功能模块按照特定策略划分为若干独立的部分从而显著提升了该系统的吞吐量运算能力和扩展性。

4.9 WebAssembly

WebAssembly（wasm）是一种高效且广泛使用的指令集，在Web平台上运行。它是一个轻量且高度可移植的字节码形式，在多种不同的运行环境中被用来编译为目标语言环境下的程序代码段，并能够被转换为目标语言。该技术确保了操作系统的安全性和良好的兼容性。

WebAssembly的主要目标是为客户端浏览器和服务器端应用程序提供一个小型、快速、安全且具有高并发性的编译目标，并致力于将现有编程模型和技术与 web 浏览器实现深度集成。该编译器通过提供与 C/C++ 编译器兼容的接口功能支持多种编程语言的程序编写，并能够生成相应的wasm模块作为执行文件。

WebAssembly 具备以下特性：

1. 体积小：体积较小的二进制文件格式，在几 十KB大小下运行速度极快。
2. 高速：在运行时展现出极高的速度水平，并不亚于 汇编语言.
3. 可移植：该技术具备高度可移植性，在各种不同的处理器架构上均可部署，并可在几乎所有的现代浏览器及主流操作系统中顺利运行.
4. 并发：该技术提供了线程支持及内存隔离功能，在多核心处理器上能够充分发挥处理能力.
5. 安全：该技术通过类型系统与作用域检查实现了对内存与指针的高度控制，并支持动态链接机制与垃圾回收功能.