区块链技术的十大应用场景——从金融到供应链管理

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

区块链（Blockchain）是一个分布式数据库技术，能够确保数据存储的安全、不可篡改、可追溯并且具备高并发处理能力。随着互联网经济的快速发展，区块链技术已经成为人们认识世界的方式之一。它提供了一个去中心化的信任环境，使得不同参与者之间能够直接进行密封的数据交换，促进了经济信息化、社会治理、金融交易等领域的应用。目前，国内外已经有许多行业在探索或实践区块链技术，如支付宝集团、币安、滴滴出行、蚂蚁金服、Uber、雅虎收购香港联交所、宜信等。因此，“区块链”逐渐成为业界讨论的话题。

虽然区块链技术处于激动人心的阶段，但是如何有效地运用它实现各种各样的应用，仍然是一个值得研究的问题。而基于区块链技术，我们可以将其应用于十个典型的应用场景中。

1.电子货币与区块链钱包服务

2.数字身份与分布式存证

3.数字资产的流通与价值的存储

4.跨境支付、结算及数据交换

5.智能合约的执行与操作

6.共享经济与物联网

7.基于区块链的供应链管理

8.政务数据共享和公开透明

9.医疗健康管理系统

10.商业数据追踪、溯源与监控

本文将阐述区块链技术的基本原理、常用工具、开发流程和应用场景。希望通过本文对区块链技术以及其十大应用场景有一个全面的认识，以及如何正确使用区块链来发展创新经济。欢迎来自各界的共同建设！

2.核心概念与联系

2.1 什么是区块链？

区块链，也称分布式账本技术（Distributed Ledger Technology），一种点对点网络中的分布式数据库。用于记录所有交易的历史记录，记录上一笔交易的结果产生下一笔交易的依据。

2.2 为什么要使用区块链？

1.防篡改、公开透明

2.真实可靠

3.数字身份、数据溯源

4.防止假冒伪劣

5.降低成本

6.节省时间、降低风险

7.智能合约的执行效率提升

8.绿色无污染

9.全球性的分布式网络

2.3 分布式数据库？

分布式数据库是指把数据分散地放置在多个计算机设备上，彼此之间互不干扰，构成一个巨大的网络，这种体系结构被称为分布式网络。分布式数据库将一个庞大的网络分布在不同的地方，每个节点存储相同的数据集合的一份拷贝，这样就可以让整个网络拥有容错能力。通过这种方式，当某个节点出现故障时，其他节点仍然可以继续正常工作，保证数据的一致性。分布式数据库具有以下特征：

1. 数据复制:每个节点都拥有相同的数据拷贝，所以即使某个节点发生故障也不会影响其它节点的数据。

2. 数据分片:分布式数据库在分布式网络中的节点之间自动调配数据，数据存储在网络中相互独立，不会因为某些节点的崩溃导致数据丢失。

3. 数据安全:由于每个节点都存储相同的数据拷贝，所以即使其中某个节点被黑客攻击，其它节点的数据依然保持安全。

2.4 区块链的特点

1.去中心化

2.可追溯

3.匿名

4.加密

5.不可篡改

6.不可逆转

7.可扩展性强

8.高并发处理能力

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

3.1 比特币简介

比特币是一种分布式数字货币，它的独特性在于它的去中心化、可靠、匿名性以及全球性等特点。

3.2 比特币的创世区块

比特币的创世区块，是一条用来发布与总量控制的特殊区块，同时也是区块链的第一个区块。

创建比特币的目的是为了解决美国政府在全球范围内剥夺比特币交易的权力带来的“双重支付”问题。一方面，美国政府要控制货币交易，另一方面又要控制一切关于货币的活动，这就造成了全球货币的贬值。为了解决这个问题，美国政府想到了比特币，通过区块链技术，让大家都参与比特币的运行，但同时由大家共同制定规则。在比特币的创世区块里，给予了全世界最大的比特币奖励。

3.3 比特币的交易机制

比特币的交易过程比较复杂，具体包括UTXO（未消费的交易输出）的生成、确认、消费、激活等环节。

1. UTXO的生成 用户可以通过付款地址发送比特币至网络中的其它用户，但是首先需要创建一笔UTXO。一笔UTXO代表着一笔比特币的所有权，包含一个锁定的比特币数量、与谁的锁定、创建这笔交易的时间戳等信息。当用户发送一笔比特币时，系统会自动生成一笔新的UTXO作为收款人的收益。

2. 确认 每笔交易都会包含一笔临时证明。在一段时间后，网络中的节点才会确定这笔交易是否有效，确认这一笔交易。只有确认过的交易才能被添加到区块链中，有效地进入比特币的总量。

3. 消费 当一笔交易得到足够多的确认后，这笔交易的输入UTXO才能被消费掉，同时产生一笔新的UTXO作为新的输出。消费完成之后，一笔比特币就会转移到指定账户。

4. 激活 激活是指第一次消费的交易。比特币在第一笔交易后生成，并没有完全激活。直到有人用自己的私钥签名了一笔交易并确认后，这笔交易才会被激活，获得一定数量的比特币。

5. 隐私保护 因为比特币的发行总量是有限的，所以比特币的持有者只能接收到一定数量的比特币。但是，由于比特币的匿名性，除非用户自己私钥签名，否则无法知道哪些账户拥有多少比特币。同时，比特币的区块链技术还可以保护用户的个人隐私，因为没有任何第三方机构可以窥探到用户的个人信息。

3.4 比特币的挖矿机制

比特币的挖矿，也叫挖矿运算，是在网络中竞争的过程，以获得比特币的过程。只有成功解决一次计算难题并提交正确答案的矿工，才能获得奖励。比特币的挖矿的目标就是找到一个整数以满足SHA-256函数。求解该问题需要大量的电脑处理能力，因此需向矿工支付一定的报酬。

比特币的挖矿机制可以分为四个阶段：

1. PoW（Proof of Work）阶段：在PoW阶段，矿工们需做出艰苦的工作，找到一个整数以便完成一次哈希运算。即便是破解了这项计算，也几乎没有可能得到比特币的回报。

2. PoS（Proof of Stake）阶段：在PoS阶段，矿工们会持有币龄越长的人越有可能得到奖励。除了正常的交易手续费以外，矿工们还会获得一定的权益奖励。

3. PoA（Proof of Authority）阶段：在PoA阶段，比特币的创始人会给矿工们授权，只需质押一定数量的币并完成相应验证即可。虽然该阶段存在可疑的恶意攻击行为，但实际效果很好。

4. 侧链机制：侧链机制旨在扩充比特币的功能。通过引入其他加密货币，可以实现交易结算或资产流通。通过引入闪电网络或侧链上的侧链，可以实现资产的跨境流通。

3.5 以太坊简介

以太坊是一个开源的平台，旨在实现区块链技术。其分布式的P2P网络结构、智能合约的编程语言Solidity以及虚拟机EVM，都为开发人员提供了一种安全、可靠、高效的工具箱。以太坊支持智能合约的部署、调用、执行，并能实现可编程的Token，使得去中心化应用得以快速落地。

以太坊创始人Vitalik Buterin在2013年完成了以太坊白皮书，并在2015年推出了以太坊项目。他说：“本白皮书阐述了许多关键的概念，包括分布式P2P网络结构、以太坊虚拟机（EVM）、密码学基础、智能合约的编程语言、经济模型、去中心化应用等，并描述了这些概念如何一起工作。”

3.6 以太坊的账户模型

以太坊的账户模型是一个公私钥对的组合，用户可以使用公钥（地址）进行付款和收款。公钥和私钥之间的关系类似于身份证号码和护照号码的关系。每一个账户都有一个唯一标识的地址，它可以用来接收或发送以太币。以太坊的账户模型可以简单理解为：一方持有密钥对，另一方持有地址，就可以发送或接收以太币。

3.7 以太坊的挖矿机制

以太坊采用了工作量证明（POW）算法来进行挖矿，即矿工需要进行数学问题求解来获得比特币奖励。这项计算问题称为工作量证明，是一个十分复杂的过程。矿工们必须找到一个特定长度（通常为256位）的字符串（工作量证明），其哈希值为零，再将其与当前最高的区块的哈希值进行比较。如果工作量证明的哈希值低于当前区块的哈希值，则将其加入到区块链中，获得相应的奖励。

以太坊的挖矿机制还引入了权益证明（POS）和委托证明（DPoS）机制，用于解决区块奖励和激励的分配问题。前两种机制都使用权益证明来激励矿工，而委托证明通过引入投票机制来确保全网的利益平衡。委托证明保证了全网的利益平衡，避免了少数人单方面垄断经济命脉。

3.8 以太坊的交易机制

以太坊的交易机制非常复杂，包括四个主要步骤：

1. 创建账户：首先，需要创建一个以太坊账户。账户地址是由公钥经过哈希运算得到的，哈希运算后得到的结果，就是账户地址。

2. 转账：可以自由地在以太坊平台上进行转账。通过选择一个接收账户地址、输入金额和选择网络，就可以进行转账操作。转账需要用户拥有对应的私钥（密码），来进行签名验证，以确认交易有效性。交易完成后，用户需要等待网络中的其他节点确认。

3. 合约部署：以太坊平台允许开发者编写智能合约，并将其部署到网络上。部署成功后，合约代码会在以太坊的区块链上运行，并开始执行交易。

4. 合约调用：用户可以在以太坊的网络上调用已经部署好的合约，并执行相关操作。对于合约的调用，需要预先进行参数传递，然后调用者需要花费Gas作为手续费。调用者的交易需要在以太坊网络上广播并确认，才会被打包到区块链中。

3.9 以太坊的代币机制

以太坊支持智能合约的开发，并使用ERC20标准来定义代币。ERC20协议规定了代币的基本属性，例如名称、总量、分配规则、转账规则等。 ERC20规范是一个独立的协议，其详细定义可以参考Github上相关项目。以太坊的代币机制可以说是区别于比特币和以太坊的重要特性。

3.10 以太坊的跨链机制

以太坊支持跨链互动，实现资产的跨境流通。目前已支持的主要跨链类型有Bitcoin和EOS。以太坊的跨链机制是将主网中的资产借助跨链工具转移到另一个区块链上，或者实现两个主流区块链之间的资产交换。

4.具体代码实例和详细解释说明

4.1 比特币的区块链浏览器

为了方便学习和查看比特币的区块链，可以下载一些区块链浏览器，如MyBtcWallet，bitcoin.com，BlockChain.info，Blockchain Explorer等。这些浏览器提供接口查询区块链的相关信息，包括每个区块的哈希值、大小、数据等。比如，可以查询某个交易的详情、区块高度等。

4.2 比特币挖矿操作

如果想要挖矿比特币，需要准备一台笔记本电脑，并安装软件BitCoin Core。BitCoin Core是一个开源的比特币客户端，能够帮助用户进行挖矿操作。

1. 安装BitCoin Core 进入比特币官网https://bitcoincore.org/en/download/,根据您的操作系统下载对应版本的客户端软件。

2. 配置BitCoin Core 打开软件后，按照提示进行配置，设置节点服务器的IP地址和端口号。推荐使用公共服务器，以免本地网络连接不畅，导致同步区块失败。点击“文件”菜单，然后选择“首选项”，再选择“设置”。

3. 查看账户余额 BitCoin Core启动成功后，可以在右上角的“网络”按钮旁边看到当前网络的节点数。点击左上角“钱包”，然后选择“地址”，在可用地址列表中，选取一个可用地址。鼠标悬停在地址上，可以查看其余额和最新一笔交易情况。

4. 挖矿操作 点击左上角“文件”，然后选择“新建”，打开一个新的比特币区块。点击左上角“钱包”，然后选择“发送”，输入发送地址、数量和支付密码，即可完成转账。

4.3 以太坊的区块链浏览器

为了方便学习和查看以太坊的区块链，可以下载一些区块链浏览器，如Etherscan，Ethplorer，Etherchain等。这些浏览器提供接口查询区块链的相关信息，包括每个区块的哈希值、大小、数据等。比如，可以查询某个交易的详情、区块高度等。

4.4 以太坊代币操作

以太坊的智能合约平台Solidity是一门高级编程语言，用来编写智能合约。在本例中，将使用Solidity来定义一个代币。

1. 安装Solidity插件 在Chrome浏览器上，安装Metamask插件，开启钱包功能。然后，访问以下链接，下载Solidity编译器：http://remix.ethereum.org/.

2. 创建代币 打开Solidity编译器后，点击左上角“文件”，然后选择“新建文件”，创建一个新智能合约文件。输入以下代币代码，保存文件。

    pragma solidity ^0.4.15;

    
    contract Token {
      string public name = "My Test Token"; //代币名称
      uint8 public decimals = 18;           //代币精度
      string public symbol = "MTT";          //代币符号
    
      mapping (address => uint) balances;     //代币余额映射表
      event Transfer(address indexed _from, address indexed _to, uint _value); //事件定义
    
     function Token() public {}
    
     function issueTokens(uint tokens, address recipient) public returns (bool success){
     if (msg.sender!= owner || balanceOf(owner)<tokens){
         return false;
     }
    
     balances[recipient] += tokens;
     balances[owner]-=tokens;
     emit Transfer(owner,recipient,tokens);
    
     return true;
     }
    
    
    
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
    代码解读

    function transfer(address to, uint value) public returns (bool success){
    require(balances[msg.sender]>value);
    balances[msg.sender]-=value;
    balances[to]+=value;
    emit Transfer(msg.sender,to,value);
    
    return true;
    }
    
    function balanceOf(address who) view public returns (uint balance){
    return balances[who];
    }
    
    
     address private owner;
    
     function Token(string tokenName, string tokenSymbol, uint initialSupply) public {
     name = tokenName;
     symbol = tokenSymbol;
     owner = msg.sender;
     balances[msg.sender]=initialSupply*10**uint(decimals); //初始供应量
     }
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

}

 测试智能合约
      在右上角点击设置按钮，然后填写正确的地址、网络端口、RPC服务器地址和私钥。然后点击右下角运行按钮，编译和部署智能合约。测试通过后，点击文件，导出ABI文件。
    
     ```solidity
     pragma solidity ^0.4.15;
    
    
     contract MyTestToken is Token{
     constructor () public Token("My Test Token", "MTT", 10000000) {} 
     } 
    
     contract Owner{     
     function destructContract(Token _token) public {
         selfdestruct(_token); 
     }   
     } 
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

4. 发行代币 回到Metamask钱包，选择“账户管理”，然后在“代币”标签页上，选择“创建新代币”。填写代币的名称、符号、精度、总量。填写完成后，点击“确认”。

5. 代币交易 Metamask钱包的“交易”标签页中可以进行代币的转账、代币的销毁等操作。