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很多关于金融、经济、管理学、计算机科学、生物学、化学、地球科学等方面的科普文章、教程、杂志,但还没有一篇真正聚焦于当前最热门的金融、技术、产业变革领域的专业文章。
随着互联网的快速发展和产业的变革,我们对于传统行业的认识正在发生着巨大的变化。在这个变革的时代背景下,互联网、人工智能、区块链、云计算等新兴技术正在引起我们的关注。人们越来越多地参与到这类创新领域的讨论中,而相关的研究报告和论文却鲜少涉及这些领域。最近几年,各类学术期刊不断推出关于金融、管理、IT、人工智能、区块链、云计算等领域的前沿研究报告和论文,但多为英文,阅读困难。因此,很有必要根据中国经济特点,推动相关领域的研究人员积极开拓国内外的研究生态系统,用中文撰写相关的金融、技术、产业变革领域的专业文章。
这次就我们所熟悉的金融、技术、产业变革领域,撰写了一系列关于金融科技、区块链、人工智能的最新进展的文章。这篇文章的题目是《8. 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。》,旨在帮助读者了解全面领域的最新进展,给出切合实际的学习建议。

1.2 文章结构

本文将按照如下顺序进行阐述:

  1. 背景介绍
  2. 基本概念术语说明
  3. 核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
  4. 具体代码实例和解释说明
  5. 未来发展趋势与挑战
  6. 附录常见问题与解答

2. 背景介绍

2.1 区块链概述

2.1.1 什么是区块链?

区块链是一个分布式数据库,由一串存储在网络中的记录块组成,每个记录块都包含上个记录块的哈希值,从而保证数据不可篡改、即使被攻击也无法破坏。其特性包括:

  • 去中心化: 不依赖任何中央权威机构或单点服务器,整个网络不存在单点故障,不存在某一组织对整个网络控制的情况;
  • 分布式存储: 数据存储在网络中的不同节点上,不存在集中存储,提高了数据的可靠性;
  • 没有中央控制器: 在区块链网络中没有一个单独的控制中心,任何用户都可以自由加入或者退出网络,平等竞争;
  • 共享账本: 每个人都可以查看到整个交易信息的记录,便于信息的确认和验证;
  • 匿名机制: 所有数据无需记住身份,只需要通过加密算法即可完成相关功能。

2.1.2 为什么要使用区块链?

目前,区块链技术已经成为解决许多复杂商业问题的新型技术之一。主要原因有以下五点:

(1)防伪造:数字货币可以记录每笔交易的哈希值,并验证该交易是否有效;而基于区块链的网络则提供了一个安全的、不可篡改的数据存贮环境,具有不可否认、透明、不可逆转等特征;
(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:不同的应用可以使用相同的区块链网络,可以进行数据交换、结算等。

2.2 区块链应用领域

2.2.1 供应链金融

在物流和采购环节,区块链技术可以提高效率,降低成本。例如,货物运输过程中,冻结商品的流向,通过区块链记录货物的状况,确保货物完整流通,防止货物被盗走、遗失或伪造。同时,区块链可以记录交易的过程,记录成本和利润,并为企业提供更精准的决策支持,提升竞争力。
另外,随着数字货币的爆炸式增长,基于区块链的供应链金融将迎来蓬勃发展的时代。利用区块链技术,企业可以建立自己的价值主体,将其赋予与区块链相关的权利,将这些权利托管在区块链上,并通过激励机制激励各个节点执行任务,从而促进价值流通和价值创造。

2.2.2 债务担保

在金融行业,区块链技术能够提供一种可信赖的方式来管理和协调债权凭证。这项技术已广泛用于银行业的债务担保业务中,各方通过数字签名来证明债务的所有权,并将其资产存放在一条区块链上。通过这一方式,债权人可以直接访问其资产,并且不用经过法律程序的审核。这种方式有助于减轻金融监管部门的压力,提高金融服务的可靠性。
此外,基于区块链的债务担保还可以提供一种新的财富分配模式,让那些在网络上传播最佳知识的参与方享受更多的回报。这一模式将在短期内得到大量应用。

2.2.3 透明性与可追溯性

区块链的另一个重要特性就是“不可篡改”。它可以记录交易过程中的所有信息,并保护所有参与者的隐私。而且,由于每个节点都拥有整个网络的副本,所以可以确保数据的完整性和真实性。因此,基于区块链的业务可以获得更高的透明度,并获得更多的可追溯性。例如,电子支付平台可以使用区块链来记录所有支付交易的信息,并使支付双方的余额可以查阅,而不是简单地记录交易金额。

2.2.4 记录和记账

为了更好地审计,基于区块链的智能合约可以提供一个层次更高的可信度,并帮助监管机构进行精准的跟踪监督。例如,智能合约可以让公司管理和运营团队的人力资源服务平台记录所有人力资源操作,并生成一份详实的财务报表。这样,就可以知道哪些员工产生了费用,以及他们的薪酬水平如何,并发现未经授权的费用。

2.2.5 数字身份

随着社会越来越分散,区块链技术可以让每个人的数字身份得到强化。通过区块链上的数字身份,人们可以进行身份认证、记录个人信息、进行跨境支付、获取网络服务等。目前,随着区块链技术的发展,越来越多的人开始意识到数字身份对于促进社会和谐、保护个人信息等方面至关重要。

3. 基本概念术语说明

3.1 账户(Account)

账户是区块链上用来保存资产的实体,通常每个账户对应一个公钥/私钥对。公钥可以公开,任何人都可以通过公钥来验证事务的合法性,但是私钥只有持有者自己可以掌控。账户可以是人或者是一个应用程序,也可以是其他类似物品的东西。

3.2 比特币(Bitcoin)

比特币是第一个应用于区块链的加密货币,最初是在2009年发布的。它最初设计的目的只是作为一种商业支付工具,后来随着它的流行,它的应用范围越来越广泛,包括支付、投资、保险等众多领域。2017年,一名美国人因发明了比特币而获利1.6亿美元。目前,比特币已经成为世界上最大的加密货币。

3.3 密码学(Cryptography)

密码学是指使得信息可以通过数学方法安全的传递的能力。区块链使用的密码学包括加密技术、公钥加密、数字签名、非对称加密等。

3.4 挖矿(Mining)

挖矿是指矿工通过不断地计算和处理数据的过程,产生新的比特币。通过不停的尝试寻找符合某个规则的答案,矿工将找到的答案通过网络广播,被打包到区块里。当区块被验证之后,新的比特币才会产生。

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)

加密算法(又叫哈希函数、摘要函数、消息摘要算法)是一种将任意长度的输入数据(又称为消息)转化为固定长度的输出结果的函数。用于加密的消息数据经过处理后得到的固定长度的值(称为“摘要”),能够防止原始数据被修改、复制、冒充,且生成的摘要容易与原始数据进行比较。
常用的加密算法包括MD5、SHA1、SHA256等。

MD5

MD5 (Message-Digest Algorithm 5),是最早被公开的Hash函数之一,由RSA Data Security Inc.设计,速度快, produces a 128-bit hash value。它采用了512位的数据处理算法,其产生的结果是固定的128位二进制字符串,一般用32个十六进制表示,这也是常说的MD5值或者16进制的MD5码。

SHA-1

SHA-1 是Secure Hash Algorithm的缩写,是美国国家安全局(NSA)设计的Hash函数标准。它对任意长度的数据消息,产生一个160位的消息摘要。SHA-1是一种加密散列函数,可以产生一个校验和。它的特点是输出结果长度为160位,摘要长度为160位。计算速度快,碰撞风险较小。

SHA-256

SHA-256(Secure Hash Algorithm,缩写为SHA-2),是NSA于2001年设计的一种加密散列函数,包括两个标准的版本。SHA-256比SHA-1更强壮,并且更安全。目前已得到广泛采用。

4.2 RSA加密算法

RSA算法是一种公钥加密算法,它可以将明文(Plaintext)加密成密文(Ciphertext)。其中,加密和解密需要使用同样的密钥。RSA算法的安全性基于两个假设:

  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

假设在这些假设条件下,根据费马素性检验,n是一个质数。那么,n的模逆

d

d

d 可以用公钥 (

e

e

e) 和私钥 (

d

d

d) 来求解。

RSA加密算法包括以下三个步骤:

  1. 生成两个大素数 p 和 q,计算 n = pq
  2. 确定一个整数 e,满足 gcd(e, (p-1)*(q-1))=1
  3. 根据 e 和 n 计算 d,满足 ed ≡ 1 mod ((p-1)(q-1))

公钥为

(

n

,

e

)

(n, e)

(n,e) ,私钥为

(

n

,

d

)

(n, d)

(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. 大素数相乘很难,所以两个大素数足够大,p 和 q 的乘积足够大。
  2. 两个大素数相乘的结果不能直接暴露出来,因为这个结果会泄漏一些信息。

4.3 ECDSA加密算法

ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) 是一种椭圆曲线数字签名算法,也称作椭圆曲线DSA(Digital Signature Algorithm)。该算法基于椭圆曲线加密算法(ECC)。

4.3.1 椭圆曲线加密算法

椭圆曲线加密算法是一种公钥加密算法,它可以对任意长度的数据消息进行加密和解密。它的基本思想是,选取一对具有不同离散性能的椭圆曲线参数,然后使用公开密钥对椭圆曲线上的点做加法运算,就得到了对消息的加密结果。当使用私有密钥对加密结果进行解密时,只能恢复出与加密之前相同的原始消息。

定义椭圆曲线的形式。在模数位数为

m

m

m 时的椭圆曲线,其参数方程为:

y

2

x

3

+

a

x

+

b

m

o

d

  

m

y^2 equiv x^3 + ax + b mod m

y2x3+ax+bmodm

a

a

a,

b

b

b,

m

m

m 为严格正整数,且

m

>

1

m > 1

m>1 。若

E

overline{E}

E

F

m

mathbb{F}_m^*

Fm 中与

y

2

x

3

+

a

x

+

b

m

o

d

  

m

y^2 equiv x^3+ax+bmod m

y2x3+ax+bmodm 相切的椭圆曲线,则

E

overline{E}

E 称为

F

m

mathbb{F}_m

Fm 中的原椭圆曲线。

椭圆曲线上的一个点

(

x

1

,

y

1

)

(x_1,y_1)

(x1,y1) ,也用其在椭圆曲线坐标系中的笛卡尔坐标

(

X

1

:

Y

1

:

Z

1

)

(X_1:Y_1:Z_1)

(X1:Y1:Z1) 表示。其中,

X

1

,

Y

1

,

Z

1

X_1,Y_1,Z_1

X1,Y1,Z1 为严格的非负整数。

椭圆曲线的加法运算。给定椭圆曲线的参数方程

y

2

x

3

+

a

x

+

b

m

o

d

  

m

y^2 equiv x^3 + ax + bmod m

y2x3+ax+bmodm 和点

P

=

(

x

1

,

y

1

)

P=(x_1,y_1)

P=(x1,y1),定义椭圆曲线

E

E

E 上点

Q

=

(

x

2

,

y

2

)

Q=(x_2,y_2)

Q=(x2,y2) 的加法运算如下:

Q

=

(

x

2

,

y

2

)

=

[

y

1

2

+

x

1

3

]

(

p

+

1

)

/

4

(

2

x

1

)

(

p

1

)

/

2

y

1

x

1

3

p

4

+

y

1

x

1

Q=(x_2,y_2)=left[ {y_1}^2+{x_1}^{3} right]^{(p+1)/4}cdot {(2x_1)}^{(p-1)/2}cdot {frac{y_1}{x_1}}cdot {frac{-3p}{4}}+{frac{y_1}{x_1}}

Q=(x2,y2)=[y12+x13](p+1)/4(2x1)(p1)/2x1y143p+x1y1
其中,

p

{}^p

p

p

p

p 次幂运算符号。

椭圆曲线的阶

N

N

N。一个椭圆曲线

E

=

E

/

E

E=overline{E}/{overline{E}^{infty}}

E=E/E 有阶

N

=

q

1

N={q}-1

N=q1 。当

E

E

E 为原椭圆曲线时,

N

N

N 称为

E

overline{E}

E 的阶。

椭圆曲线点的恢复。给定椭圆曲线的参数方程

y

2

x

3

+

a

x

+

b

m

o

d

  

m

y^2 equiv x^3 + ax + bmod m

y2x3+ax+bmodm 和一个点

P

=

(

x

1

,

y

1

)

P=(x_1,y_1)

P=(x1,y1),可以在不知道

P

P

P 对应的

k

k

k 时,计算出

k

k

k 。设

r

r

r

P

P

P 在椭圆曲线

E

E

E 上的非零寻根,

β

beta

β

P

+

r

P+r

P+r ,则:

k

β

=

k

r

+

1

4

(

b

r

3

b

)

f

r

a

c

12

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

kβ=kr+41(br3b)frac12

椭圆曲线的配对。给定椭圆曲线

E

E

E ,对于任意一点

P

=

(

x

1

,

y

1

)

P=(x_1,y_1)

P=(x1,y1),设

i

i

i 为整数,则存在唯一的一条椭圆曲线

E

i

E_i

Ei 和椭圆曲线

E

i

E_{-i}

Ei

P

P

P 配对。如果

y

1

=

0

y_1=0

y1=0

y

1

=

p

y_1=p

y1=p ,则无配对曲线。否则,有:

i

=

1

(

e

x

t

i

f

P

G

=

P

)

,

i

=

1

(

e

x

t

o

t

h

e

r

w

i

s

e

)

.

i=-1 quad ( ext{if } Pcdot G=-P), \ i=1 quad ( ext{otherwise}).

i=1(extifPG=P),i=1(extotherwise).

4.3.2 ECDSA算法

ECDSA基于椭圆曲线加密算法,使用椭圆曲线的加法运算和点恢复算法,来实现数字签名的生成和验证。具体过程如下:

  1. 创建随机数

    k

    k

    k

    0

    <

    k

    N

    1

    0<kleq N-1

    0<kN1

  2. 使用私钥

    d

    d

    d 计算椭圆曲线

    E

    E

    E 上的点

    Q

    =

    k

    G

    Q=kG

    Q=kG

  3. 签名结果为

    (

    R

    ,

    σ

    )

    (R,sigma )

    (R,σ),其中

    R

    R

    R

    Q

    Q

    Q 在椭圆曲线

    E

    E

    E 上的非零寻根,

    σ

    sigma

    σ 为:

    σ

    =

    {

    k

    1

    (

    H

    (

    m

    )

    +

    R

    x

    )

    Q

    y

    (

    e

    x

    t

    i

    f

    σ

    1

    =

    ±

    1

    )

    0

    (

    e

    x

    t

    i

    f

    σ

    1

    =

    0

    )

    sigma=left{ begin{array}{} k^{-1}(H(m)+Rx)-Q_y quad( ext{if }sigma_1=pm 1)\ 0 quad ( ext{if }sigma_1=0) end{array} right.

    σ={k1(H(m)+Rx)Qy(extifσ1=±1)0(extifσ1=0)

    H() 函数为消息摘要算法,如 SHA-256。

  4. 验证签名过程如下:

    • 将签名结果

      (

      R

      ,

      σ

      )

      (R,sigma )

      (R,σ) 和公钥

      (

      E

      ,

      Q

      x

      ,

      Q

      y

      )

      (E, Q_x, Q_y)

      (E,Qx,Qy) 输入到同一个验证器。

    • 使用消息

      m

      m

      m

      R

      R

      R 计算

      s

      =

      k

      1

      (

      σ

      R

      H

      (

      m

      )

      Q

      x

      )

      Q

      y

      s=k^{-1}(sigma R-H(m)Q_x)-Q_y

      s=k1(σRH(m)Qx)Qy

    • 如果

      s

      N

      2

      |s|geq frac{N}{2}

      s2N, 返回错误,否则返回成功。

4.4 Merkle树

Merkle树是一种树形数据结构,用来维护哈希值和路径压缩。其工作原理是把一个哈希值嵌套起来,构成一个树形结构。对于数据块的内容,先计算其哈希值,再用其左右孩子的哈希值来更新父结点的哈希值,最终形成一个以根结点为顶点的完整哈希值树。这样,就能方便地验证数据完整性。

Merkle树的构建流程如下:

  1. 初始化,使树仅有一个根结点。
  2. 对树中所有的叶子结点的数据块进行哈希,并填入叶子结点。
  3. 重复上面两步,直到所有数据块都被哈希为止。
  4. 从底部往上,根据兄弟结点和父亲结点哈希值,重新计算中间结点的哈希值。
  5. 直到根结点,所有哈希值都被计算出来。

Merkle树的路径压缩过程:
在计算Merkle树的时候,如果某结点的子结点为另一个结点的哈希值,就会出现“祖先重叠”现象。这样的话,就没办法像普通的Merkle树一样来验证数据完整性。为了解决这个问题,就要引入路径压缩的概念。路径压缩过程就是把路径上的所有结点的子结点都指向其祖先的哈希值。这样的话,就不会出现祖先重叠的情况。

4.5 莫尔斯编码

莫尔斯编码(Morse Code)是一种将信息转换成脉冲波的编码方式。莫尔斯编码是基于摩斯密码的基础,其代表人物罗伯特.莫尔斯。

莫尔斯编码中的每一个字符都用一串符号来表示,这些符号可以使声音响起或闭合。为了表示字母“A”,需要按莫尔斯码中的“.-”组成四个符号,表示正脉和负脉的切换,表示“啊”的发音。

除了编码字母,莫尔斯码还可以编码数字、标点符号、空白符号等,具体可以参考维基百科词条。

4.6 超级密码(Supersingular Isogeny Cryptosystem)

超级密码是一种加密算法,它可以实现信息加密和解密,且具有很好的抗攻击性。其基本原理是构造一种特殊的对称加密算法,它可以在加密时实现任意的单向函数。在加密时,根据输入的信息,选择适当的加密函数对其加密。

具体过程如下:

  1. 用素域选定椭圆曲线

    E

    E

    E

  2. 在椭圆曲线

    E

    E

    E 上随机选择一对密钥

    K

    1

    K_1

    K1

    K

    2

    K_2

    K2

  3. 计算 KaTeX parse error: Double subscript at position 12: T_1=circ_K_̲1(m)KaTeX parse error: Double subscript at position 12: T_2=circ_K_̲2(m)
  4. 公开密钥为

    [

    K

    1

    ]

    [K_1]

    [K1]

    [

    K

    2

    ]

    [K_2]

    [K2] ,私钥为 KaTeX parse error: Double subscript at position 9: [circ_K_̲1]KaTeX parse error: Double subscript at position 9: [circ_K_̲2]

  5. 加密过程为:
    • 选择加密函数 KaTeX parse error: Double subscript at position 8: circ_K_̲i
    • 对于输入消息

      m

      m

      m,计算 KaTeX parse error: Double subscript at position 12: c=([circ_K_̲1](m), [circ_K…

  6. 解密过程为:
    • 检验输入的密文

      c

      =

      [

      K

      1

      ]

      (

      c

      1

      )

      ,

      [

      K

      2

      ]

      (

      c

      2

      )

      c=[K'_1](c_1)^{perp}, [K'_2](c_2)^{perp}

      c=[K1](c1),[K2](c2) 是否对应于

      T

      1

      T_1

      T1

      T

      2

      T_2

      T2

    • 如果对应关系正确,解密函数为

      [

      K

      ]

      circ_{[circ_{K'}]}

      [K],其中

      [

      K

      ]

      =

      K

      1

      K

      2

      [circ_{K'}]=circ_{K_1} circ_{K_2}

      [K]=K1K2

    • 计算

      m

      =

      [

      K

      ]

      (

      c

      )

      m'=[circ_{K'}](c)

      m=[K](c)

在超级密码中,素域的选取可以保护对称加密密钥不泄露。超级密码可以在实践中应用,包括电子邮件加密、电话加密、纸币加密等。

4.7 闪电网络(Lightning Network)

闪电网络(Lightning Network)是一个点对点的传输网络,它使用快速、廉价、便捷的支付方式,可以为无支付宝支付的小额支付提供网络支持。它基本上是基于比特币区块链技术开发的一个去中心化的点对点网络。

闪电网络的主要特点包括:

  1. 闪电网络是一个去中心化的网络。
  2. 闪电网络在网络传输、路由、结算等方面都不依赖中央服务器。
  3. 闪电网络的支付主要是基于微支付(micropayments)协议,也就是支付频率很低。
  4. 闪电网络的支付方式包括闪电支付(lightning payments)、付款请求(payment requests)、有限时间锁(time-locks)等。
  5. 闪电网络不需要信任,可靠性高。

闪电网络的工作原理可以分为以下几个步骤:

  1. 发起方创建付款请求,附带支付目的地址、金额、锁定时间等信息。
  2. 用户扫描请求的付款信息,接收方同意支付。
  3. 当用户收到付款请求时,发送方广播付款交易,并附带之前生成的交易费。
  4. 接收方扫描交易,通过公共密钥验证签名。
  5. 如果交易符合要求,接收方将付款给发起方,并通知发起方支付成功。
  6. 如果交易失败或超时,可以再次尝试。

闪电网络的使用场景有:

  1. 在线支付。闪电网络可以在不依赖第三方支付平台的情况下,直接在线支付。
  2. 点对点支付。在线支付,手续费昂贵,而点对点支付可以节省昂贵的费用。
  3. 游戏支付。游戏的虚拟货币,可以通过闪电网络进行支付。
  4. 食物订单支付。通过点对点支付结算餐厅的订单。

4.8 分片(Sharding)

分片是一种分布式系统设计策略,它将一个系统划分为多个部分或子系统,分别运行在不同的物理设备上,从而达到降低整体资源消耗和提升系统可用性的效果。分片的目标是在保持系统完整性的同时,提升系统性能。

在区块链领域,分片是一种存储和处理交易的优化方案。由于区块链的去中心化、不可篡改的特性,使其能够用于处理海量的交易数据,但区块链上的数据处理、存储、计算等过程仍然有瓶颈。分片技术通过将区块链系统中的数据和计算模块进行分割,并将相应的处理模块部署在不同的物理节点上,从而提升区块链系统的处理能力、吞吐量和可扩展性。

4.9 WebAssembly

WebAssembly(wasm)是一种在web上运行的低级指令集。它是一个可移植的、体积小的字节码,可以编译成目标语言,用于在 web 浏览器、Node.js 和其它 runtime 环境中运行,具有高度的安全性和移植性。

WebAssembly 的设计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、并发的编译目标,旨在将现有的编程模型和技术与 web 浏览器深度集成。WebAssembly 编译器提供了与 C / C ++ 编译器兼容的接口,因此可以编写多种编程语言的程序,然后编译成 wasm 模块。

WebAssembly 具备以下特性:

  1. 体积小:WebAssembly 是一种体积较小的二进制格式,文件大小只有几十 kilobyte,运行速度快。
  2. 高速:WebAssembly 在运行时非常快,其性能与汇编代码相当。
  3. 可移植:WebAssembly 可以在不同的体系结构上编译,可以运行在几乎所有现代浏览器和系统上。
  4. 并发:WebAssembly 支持线程和内存隔离,能充分利用多核 CPU。
  5. 安全:WebAssembly 通过类型系统和作用域检查,提供对内存和指针的严格控制,并能实现动态链接和垃圾收集。
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THE END
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