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作者: imtoken官方正版安卓版
2024-03-12 18:21:56

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區(qū)塊鏈技術(shù)研究綜述：原理、進(jìn)展與應(yīng)用

主管單位：中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會

主辦單位：中國通信學(xué)會

ISSN 1000-436X ?? CN 11-2102/TN

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通信學(xué)報, 2020, 41(1): 134-151 doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

綜述

區(qū)塊鏈技術(shù)研究綜述：原理、進(jìn)展與應(yīng)用

曾詩欽1, 霍如2,3, 黃韜1,3, 劉江1,3, 汪碩1,3, 馮偉4

1 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876

2 北京工業(yè)大學(xué)北京未來網(wǎng)絡(luò)科技高精尖創(chuàng)新中心，北京 100124

3 網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211111

4 工業(yè)和信息化部信息化和軟件服務(wù)業(yè)司，北京 100846

Survey of blockchain:principle,progress and application

ZENG Shiqin1, HUO Ru2,3, HUANG Tao1,3, LIU Jiang1,3, WANG Shuo1,3, FENG Wei4

1 State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China

2 Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China

3 Purple Mountain Laboratories,Nanjing 211111,China

4 Department of Information Technology Application and Software Services,Beijing 100846,China

通訊作者: 霍如，huoru@bjut.edu.cn

修回日期:?2019-12-12??

網(wǎng)絡(luò)出版日期:?2020-01-25

基金資助:

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項(xiàng)目.??2015AA015702未來網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究基金資助項(xiàng)目.??2019-XY-5

Revised:?2019-12-12??

Online:?2020-01-25

Fund supported:

The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program).??2015AA015702The Development Strategy Research of Future Network Operating System.??2019-XY-5

作者簡介 About authors

曾詩欽（1995-），男，廣西南寧人，北京郵電大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈、標(biāo)識解析技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

。

霍如（1988-），女，黑龍江哈爾濱人，博士，北京工業(yè)大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)緩存策略與算法、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、標(biāo)識解析技術(shù)等。

。

黃韜（1980-），男，重慶人，博士，北京郵電大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)槲磥砭W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

。

劉江（1983-），男，河南鄭州人，博士，北京郵電大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)槲磥砭W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、信息中心網(wǎng)絡(luò)等。

。

汪碩（1991-），男，河南靈寶人，博士，北京郵電大學(xué)在站博士后，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度等。

。

馮偉（1980-），男，河北邯鄲人，博士，工業(yè)和信息化部副研究員，主要研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)字孿生、信息化和工業(yè)化融合發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)等

。

摘要

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本技術(shù)，依靠智能合約等邏輯控制功能演變?yōu)橥暾拇鎯ο到y(tǒng)。其分類方式、服務(wù)模式和應(yīng)用需求的變化導(dǎo)致核心技術(shù)形態(tài)的多樣性發(fā)展。為了完整地認(rèn)知區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計了一個層次化的區(qū)塊鏈技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步深入剖析區(qū)塊鏈每層結(jié)構(gòu)的基本原理、技術(shù)關(guān)聯(lián)以及研究進(jìn)展，系統(tǒng)歸納典型區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)選型和特點(diǎn)，最后給出智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等區(qū)塊鏈前沿應(yīng)用方向，提出區(qū)塊鏈技術(shù)挑戰(zhàn)與研究展望。

關(guān)鍵詞：

區(qū)塊鏈

;

加密貨幣

;

去中心化

;

層次化技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

;

技術(shù)多樣性

;

工業(yè)區(qū)塊鏈

Abstract

Blockchain is a kind of distributed ledger technology that upgrades to a complete storage system by adding logic control functions such as intelligent contracts.With the changes of its classification,service mode and application requirements,the core technology forms of Blockchain show diversified development.In order to understand the Blockchain ecosystem thoroughly,a hierarchical technology architecture of Blockchain was proposed.Furthermore,each layer of blockchain was analyzed from the perspectives of basic principle,related technologies and research progress in-depth.Moreover,the technology selections and characteristics of typical Blockchain projects were summarized systematically.Finally,some application directions of blockchain frontiers,technology challenges and research prospects including Smart Cities and Industrial Internet were given.

Keywords：

blockchain

;

cryptocurrency

;

decentralization

;

hierarchical technology architecture

;

technology diversity

;

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本文引用格式

曾詩欽, 霍如, 黃韜, 劉江, 汪碩, 馮偉. 區(qū)塊鏈技術(shù)研究綜述：原理、進(jìn)展與應(yīng)用. 通信學(xué)報[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

ZENG Shiqin. Survey of blockchain:principle,progress and application. Journal on Communications[J], 2020, 41(1): 134-151 doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020027

1 引言

2008年，中本聰提出了去中心化加密貨幣——比特幣（bitcoin）的設(shè)計構(gòu)想。2009年，比特幣系統(tǒng)開始運(yùn)行，標(biāo)志著比特幣的正式誕生。2010—2015 年，比特幣逐漸進(jìn)入大眾視野。2016—2018年，隨著各國陸續(xù)對比特幣進(jìn)行公開表態(tài)以及世界主流經(jīng)濟(jì)的不確定性增強(qiáng)，比特幣的受關(guān)注程度激增，需求量迅速擴(kuò)大。事實(shí)上，比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)最成功的應(yīng)用場景之一。伴隨著以太坊（ethereum）等開源區(qū)塊鏈平臺的誕生以及大量去中心化應(yīng)用（DApp,decentralized application）的落地，區(qū)塊鏈技術(shù)在更多的行業(yè)中得到了應(yīng)用。

由于具備過程可信和去中心化兩大特點(diǎn)，區(qū)塊鏈能夠在多利益主體參與的場景下以低成本的方式構(gòu)建信任基礎(chǔ)，旨在重塑社會信用體系。近兩年來區(qū)塊鏈發(fā)展迅速，人們開始嘗試將其應(yīng)用于金融、教育、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域。但是，資源浪費(fèi)、運(yùn)行低效等問題制約著區(qū)塊鏈的發(fā)展，這些因素造成區(qū)塊鏈分類方式、服務(wù)模式和應(yīng)用需求發(fā)生快速變化，進(jìn)一步導(dǎo)致核心技術(shù)朝多樣化方向發(fā)展，因此有必要采取通用的結(jié)構(gòu)分析區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)路線和特點(diǎn)，以梳理和明確區(qū)塊鏈的研究方向。

區(qū)塊鏈涵蓋多種技術(shù)，相關(guān)概念易混淆，且應(yīng)用場景繁多，為此，已有相關(guān)綜述主要從技術(shù)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)用場景等角度來梳理區(qū)塊鏈的最新進(jìn)展、技術(shù)差異和聯(lián)系，總結(jié)技術(shù)形態(tài)和應(yīng)用價值。袁勇等[1]給出了區(qū)塊鏈基本模型，以比特幣為例將非許可鏈分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層；邵奇峰等[2]結(jié)合開源項(xiàng)目細(xì)節(jié)，對比了多種企業(yè)級區(qū)塊鏈（許可鏈）的技術(shù)特點(diǎn)；Yang等[3]總結(jié)了基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)的特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢；韓璇等[4]系統(tǒng)性歸納了區(qū)塊鏈安全問題的研究現(xiàn)狀；Ali等[5]總結(jié)了區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展、趨勢。上述文獻(xiàn)雖然歸納得較為完整，但是都沒有從許可鏈與非許可鏈共性技術(shù)的角度進(jìn)行通用的層次結(jié)構(gòu)分析，沒有體現(xiàn)出區(qū)塊鏈技術(shù)與組網(wǎng)路由、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制等已有技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，且缺少對區(qū)塊鏈項(xiàng)目的差異分析。本文則對有關(guān)概念進(jìn)行區(qū)分，探討了通用的層次化技術(shù)結(jié)構(gòu)及其與已有技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，并針對該結(jié)構(gòu)橫向分析相關(guān)學(xué)術(shù)研究進(jìn)展；根據(jù)分層結(jié)構(gòu)對比部分區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)選型；最后以智慧城市場景、邊緣計算和人工智能技術(shù)為代表介紹區(qū)塊鏈應(yīng)用研究現(xiàn)狀，給出區(qū)塊鏈技術(shù)挑戰(zhàn)與研究展望。

2 相關(guān)概念

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的深入研究，不斷衍生出了很多相關(guān)的術(shù)語，例如“中心化”“去中心化”“公鏈”“聯(lián)盟鏈”等。為了全面地了解區(qū)塊鏈技術(shù)，并對區(qū)塊鏈技術(shù)涉及的關(guān)鍵術(shù)語有系統(tǒng)的認(rèn)知，本節(jié)將給出區(qū)塊鏈及其相關(guān)概念的定義，以及它們的聯(lián)系，更好地區(qū)分易使人混淆的術(shù)語。

2.1 中心化與去中心化

中心化（centralization）與去中心化（decentralization）最早用來描述社會治理權(quán)力的分布特征。從區(qū)塊鏈應(yīng)用角度出發(fā)，中心化是指以單個組織為樞紐構(gòu)建信任關(guān)系的場景特點(diǎn)。例如，電子支付場景下用戶必須通過銀行的信息系統(tǒng)完成身份驗(yàn)證、信用審查和交易追溯等；電子商務(wù)場景下對端身份的驗(yàn)證必須依靠權(quán)威機(jī)構(gòu)下發(fā)的數(shù)字證書完成。相反，去中心化是指不依靠單一組織進(jìn)行信任構(gòu)建的場景特點(diǎn)，該場景下每個組織的重要性基本相同。

2.2 加密貨幣

加密貨幣（cryptocurrency）是一類數(shù)字貨幣（digital currency）技術(shù)，它利用多種密碼學(xué)方法處理貨幣數(shù)據(jù)，保證用戶的匿名性、價值的有效性；利用可信設(shè)施發(fā)放和核對貨幣數(shù)據(jù)，保證貨幣數(shù)量的可控性、資產(chǎn)記錄的可審核性，從而使貨幣數(shù)據(jù)成為具備流通屬性的價值交換媒介，同時保護(hù)使用者的隱私。

加密貨幣的概念起源于一種基于盲簽名（blind signature）的匿名交易技術(shù)[6]，最早的加密貨幣交易模型“electronic cash”[7]如圖1所示。

圖1

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圖1??

“electronic cash”交易模型

交易開始前，付款者使用銀行賬戶兌換加密貨幣，然后將貨幣數(shù)據(jù)發(fā)送給領(lǐng)款者，領(lǐng)款者向銀行發(fā)起核對請求，若該數(shù)據(jù)為銀行簽發(fā)的合法貨幣數(shù)據(jù)，那么銀行將向領(lǐng)款者賬戶記入等額數(shù)值。通過盲簽名技術(shù)，銀行完成對貨幣數(shù)據(jù)的認(rèn)證，而無法獲得發(fā)放貨幣與接收貨幣之間的關(guān)聯(lián)，從而保證了價值的有效性、用戶的匿名性；銀行天然具有發(fā)放幣種、賬戶記錄的能力，因此保證了貨幣數(shù)量的可控性與資產(chǎn)記錄的可審核性。

最早的加密貨幣構(gòu)想將銀行作為構(gòu)建信任的基礎(chǔ)，呈現(xiàn)中心化特點(diǎn)。此后，加密貨幣朝著去中心化方向發(fā)展，并試圖用工作量證明（PoW,poof of work）[8]或其改進(jìn)方法定義價值。比特幣在此基礎(chǔ)上，采用新型分布式賬本技術(shù)保證被所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)不可篡改，從而成功構(gòu)建信任基礎(chǔ)，成為真正意義上的去中心化加密貨幣。區(qū)塊鏈從去中心化加密貨幣發(fā)展而來，隨著區(qū)塊鏈的進(jìn)一步發(fā)展，去中心化加密貨幣已經(jīng)成為區(qū)塊鏈的主要應(yīng)用之一。

2.3 區(qū)塊鏈及工作流程

一般認(rèn)為，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N融合多種現(xiàn)有技術(shù)的新型分布式計算和存儲范式。它利用分布式共識算法生成和更新數(shù)據(jù)，并利用對等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合密碼學(xué)原理和時間戳等技術(shù)的分布式賬本保證存儲數(shù)據(jù)的不可篡改，利用自動化腳本代碼或智能合約實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用邏輯。如果說傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單方維護(hù)，那么區(qū)塊鏈則實(shí)現(xiàn)多方維護(hù)相同數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全性和業(yè)務(wù)的公平性。區(qū)塊鏈的工作流程主要包含生成區(qū)塊、共識驗(yàn)證、賬本維護(hù)3個步驟。

1) 生成區(qū)塊。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)收集廣播在網(wǎng)絡(luò)中的交易——需要記錄的數(shù)據(jù)條目，然后將這些交易打包成區(qū)塊——具有特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集。

2) 共識驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)將區(qū)塊廣播至網(wǎng)絡(luò)中，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收大量區(qū)塊后進(jìn)行順序的共識和內(nèi)容的驗(yàn)證，形成賬本——具有特定結(jié)構(gòu)的區(qū)塊集。

3) 賬本維護(hù)。節(jié)點(diǎn)長期存儲驗(yàn)證通過的賬本數(shù)據(jù)并提供回溯檢驗(yàn)等功能，為上層應(yīng)用提供賬本訪問接口。

2.4 區(qū)塊鏈類型

根據(jù)不同場景下的信任構(gòu)建方式，可將區(qū)塊鏈分為2類：非許可鏈（permissionless blockchain）和許可鏈（permissioned blockchain）。

非許可鏈也稱為公鏈（public blockchain），是一種完全開放的區(qū)塊鏈，即任何人都可以加入網(wǎng)絡(luò)并參與完整的共識記賬過程，彼此之間不需要信任。公鏈以消耗算力等方式建立全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信任關(guān)系，具備完全去中心化特點(diǎn)的同時也帶來資源浪費(fèi)、效率低下等問題。公鏈多應(yīng)用于比特幣等去監(jiān)管、匿名化、自由的加密貨幣場景。

許可鏈?zhǔn)且环N半開放式的區(qū)塊鏈，只有指定的成員可以加入網(wǎng)絡(luò)，且每個成員的參與權(quán)各有不同。許可鏈往往通過頒發(fā)身份證書的方式事先建立信任關(guān)系，具備部分去中心化特點(diǎn)，相比于非許可鏈擁有更高的效率。進(jìn)一步，許可鏈分為聯(lián)盟鏈（consortium blockchain）和私鏈（fully private blockchain）。聯(lián)盟鏈由多個機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟構(gòu)建，賬本的生成、共識、維護(hù)分別由聯(lián)盟指定的成員參與完成。在結(jié)合區(qū)塊鏈與其他技術(shù)進(jìn)行場景創(chuàng)新時，公鏈的完全開放與去中心化特性并非必需，其低效率更無法滿足需求，因此聯(lián)盟鏈在某些場景中成為實(shí)適用性更強(qiáng)的區(qū)塊鏈選型。私鏈相較聯(lián)盟鏈而言中心化程度更高，其數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、共識、維護(hù)過程完全由單個組織掌握，被該組織指定的成員僅具有賬本的讀取權(quán)限。

3 區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)區(qū)塊鏈發(fā)展現(xiàn)狀，本節(jié)將歸納區(qū)塊鏈的通用層次技術(shù)結(jié)構(gòu)、基本原理和研究進(jìn)展。

現(xiàn)有項(xiàng)目的技術(shù)選型多數(shù)由比特幣演變而來，所以區(qū)塊鏈主要基于對等網(wǎng)絡(luò)通信，擁有新型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共識實(shí)現(xiàn)公共賬本數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。但是區(qū)塊鏈也存在效率低、功耗大和可擴(kuò)展性差等問題，因此人們進(jìn)一步以共識算法、處理模型、交易模式創(chuàng)新為切入點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)方案改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上豐富了邏輯控制功能和區(qū)塊鏈應(yīng)用功能，使其成為一種新型計算模式。本文給出如圖2 所示的區(qū)塊鏈通用層次化技術(shù)結(jié)構(gòu)，自下而上分別為網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、共識層、控制層和應(yīng)用層。其中，網(wǎng)絡(luò)層是區(qū)塊鏈信息交互的基礎(chǔ)，承載節(jié)點(diǎn)間的共識過程和數(shù)據(jù)傳輸，主要包括建立在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之上的對等網(wǎng)絡(luò)及其安全機(jī)制；數(shù)據(jù)層包括區(qū)塊鏈基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其原理；共識層保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性，封裝各類共識算法和驅(qū)動節(jié)點(diǎn)共識行為的獎懲機(jī)制；控制層包括沙盒環(huán)境、自動化腳本、智能合約和權(quán)限管理等，提供區(qū)塊鏈可編程特性，實(shí)現(xiàn)對區(qū)塊數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、組織結(jié)構(gòu)的控制；應(yīng)用層包括區(qū)塊鏈的相關(guān)應(yīng)用場景和實(shí)踐案例，通過調(diào)用控制合約提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由于該層次不涉及區(qū)塊鏈原理，因此在第 5節(jié)中單獨(dú)介紹。

3.1 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層關(guān)注區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信方式——對等（P2P,peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)。對等網(wǎng)絡(luò)是區(qū)別于“客戶端/服務(wù)器”服務(wù)模式的計算機(jī)通信與存儲架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)的提供者也是數(shù)據(jù)的使用者，節(jié)點(diǎn)間通過直接交換實(shí)現(xiàn)計算機(jī)資源與信息的共享，因此每個節(jié)點(diǎn)地位均等。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層由組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、通信機(jī)制、安全機(jī)制組成。其中組網(wǎng)結(jié)構(gòu)描述節(jié)點(diǎn)間的路由和拓?fù)潢P(guān)系，通信機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息交互，安全機(jī)制涵蓋對端安全和傳輸安全。

圖2

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圖2??

區(qū)塊鏈層次化技術(shù)結(jié)構(gòu)

1) 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

對等網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)可分為無結(jié)構(gòu)對等網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)化對等網(wǎng)絡(luò)和混合式對等網(wǎng)絡(luò)[9]，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的邏輯拓?fù)潢P(guān)系，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也可以劃分為上述3種，如圖3所示。

圖3

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圖3??

區(qū)塊鏈組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無結(jié)構(gòu)對等網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中不存在特殊中繼節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)路由表的生成無確定規(guī)律、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)隨機(jī)圖狀的一類對等網(wǎng)絡(luò)。該類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松散，設(shè)計簡潔，具有良好的容錯性和匿名性，但由于采用洪泛機(jī)制作為信息傳播方式，其可擴(kuò)展性較差。典型的協(xié)議有Gnutella等。

結(jié)構(gòu)化對等網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中不存在特殊中繼節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)間根據(jù)特定算法生成路由表、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袊?yán)格規(guī)律的一類對等網(wǎng)絡(luò)。該類網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜但可擴(kuò)展性良好，通過結(jié)構(gòu)化尋址可以精確定位節(jié)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)多樣化功能。常見的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)以DHT （distributed hash table）網(wǎng)絡(luò)為主，典型的算法有Chord、Kademlia等。

混合式對等網(wǎng)絡(luò)是指節(jié)點(diǎn)通過分布式中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)消息路由的一類對等網(wǎng)絡(luò)。每個中繼節(jié)點(diǎn)維護(hù)部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址、文件索引等工作，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼的功能。典型的協(xié)議有Kazza等。

2) 通信機(jī)制

通信機(jī)制是指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的對等通信協(xié)議，建立在 TCP/UDP 之上，位于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的應(yīng)用層，如圖4所示。該機(jī)制承載對等網(wǎng)絡(luò)的具體交互邏輯，例如節(jié)點(diǎn)握手、心跳檢測、交易和區(qū)塊傳播等。由于包含的協(xié)議功能不同（例如基礎(chǔ)鏈接與擴(kuò)展交互），本文將通信機(jī)制細(xì)分為3個層次：傳播層、連接層和交互邏輯層。

傳播層實(shí)現(xiàn)對等節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的基本傳輸，包括2 種數(shù)據(jù)傳播方式：單點(diǎn)傳播和多點(diǎn)傳播。單點(diǎn)傳播是指數(shù)據(jù)在2個已知節(jié)點(diǎn)間直接進(jìn)行傳輸而不經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的傳播方式；多點(diǎn)傳播是指接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過廣播向鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的傳播方式，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)普遍基于Gossip協(xié)議[10]實(shí)現(xiàn)洪泛傳播。連接層用于獲取節(jié)點(diǎn)信息，監(jiān)測和改變節(jié)點(diǎn)間連通狀態(tài)，確保節(jié)點(diǎn)間鏈路的可用性（availability）。具體而言，連接層協(xié)議幫助新加入節(jié)點(diǎn)獲取路由表數(shù)據(jù)，通過定時心跳監(jiān)測為節(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定連接，在鄰居節(jié)點(diǎn)失效等情況下為節(jié)點(diǎn)關(guān)閉連接等。交互邏輯層是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的核心，從主要流程上看，該層協(xié)議承載對等節(jié)點(diǎn)間賬本數(shù)據(jù)的同步、交易和區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果的反饋等信息交互邏輯，除此之外，還為節(jié)點(diǎn)選舉、共識算法實(shí)施等復(fù)雜操作和擴(kuò)展應(yīng)用提供消息通路。

圖4

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圖4??

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

3) 安全機(jī)制

安全是每個系統(tǒng)必須具備的要素，以比特幣為代表的非許可鏈利用其數(shù)據(jù)層和共識層的機(jī)制，依靠消耗算力的方式保證數(shù)據(jù)的一致性和有效性，沒有考慮數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性，反而將其建立在不可信的透明P2P網(wǎng)絡(luò)上。隨著隱私保護(hù)需求的提出，非許可鏈也采用了一些網(wǎng)絡(luò)匿名通信方法，例如匿名網(wǎng)絡(luò)Tor（the onion router）通過沿路徑的層層數(shù)據(jù)加密機(jī)制來保護(hù)對端身份。許可鏈對成員的可信程度有更高的要求，在網(wǎng)絡(luò)層面采取適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制，主要包括身份安全和傳輸安全兩方面。身份安全是許可鏈的主要安全需求，保證端到端的可信，一般采用數(shù)字簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對節(jié)點(diǎn)的全生命周期（例如節(jié)點(diǎn)交互、投票、同步等）進(jìn)行簽名，從而實(shí)現(xiàn)許可鏈的準(zhǔn)入許可。傳輸安全防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中遭到篡改或監(jiān)聽，常采用基于TLS的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸和基于Hash算法的數(shù)據(jù)驗(yàn)證技術(shù)。

4) 研究現(xiàn)狀

目前，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層研究主要集中在3個方向：測量優(yōu)化、匿名分析與隱私保護(hù)、安全防護(hù)。

隨著近年來區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的爆炸式發(fā)展以及開源特點(diǎn)，學(xué)術(shù)界開始關(guān)注大型公有鏈項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)狀況，監(jiān)測并研究它們的特點(diǎn)，研究對象主要為比特幣網(wǎng)絡(luò)。Decker等[11]設(shè)計和實(shí)現(xiàn)測量工具，分析傳播時延數(shù)據(jù)、協(xié)議數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)，建模分析影響比特幣網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)層因素，基于此提出各自的優(yōu)化方法。Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特幣網(wǎng)絡(luò)仿真模型，利用真實(shí)測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的有效性，最后提出優(yōu)化機(jī)制 BCBSN，旨在設(shè)立超級節(jié)點(diǎn)降低網(wǎng)絡(luò)波動。Kaneko 等[13]將區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)分為共識節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，其中共識節(jié)點(diǎn)采用無結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)采用結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)方式，利用不同組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡。

匿名性是加密貨幣的重要特性之一，但從網(wǎng)絡(luò)層視角看，區(qū)塊鏈的匿名性并不能有效保證，因?yàn)楣粽呖梢岳帽O(jiān)聽并追蹤 IP 地址的方式推測出交易之間、交易與公鑰地址之間的關(guān)系，通過匿名隱私研究可以主動發(fā)掘安全隱患，規(guī)避潛在危害。Koshy 等[16,17]從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳播層協(xié)議和作惡模型3個方面對比特幣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了比特幣網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在樹形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下僅具備弱匿名性，在此基礎(chǔ)上提出 Dandelion 網(wǎng)絡(luò)策略以較低的網(wǎng)絡(luò)開銷優(yōu)化匿名性，隨后又提出 Dandelion++原理，以最優(yōu)信息理論保證來抵抗大規(guī)模去匿名攻擊。

區(qū)塊鏈重點(diǎn)關(guān)注其數(shù)據(jù)層和共識層面機(jī)制，并基于普通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開放的互聯(lián)環(huán)境，該方式極易遭受攻擊。為提高區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性，學(xué)術(shù)界展開研究并給出了相應(yīng)的解決方案。Heilman 等[18]對比特幣和以太坊網(wǎng)絡(luò)實(shí)施日蝕攻擊（eclipse attack）——通過屏蔽正確節(jié)點(diǎn)從而完全控制特定節(jié)點(diǎn)的信息來源，證實(shí)了該攻擊的可行性。Apostolaki等[19]提出針對比特幣網(wǎng)絡(luò)的 BGP（border gateway protocal）劫持攻擊，通過操縱自治域間路由或攔截域間流量來制造節(jié)點(diǎn)通信阻塞，表明針對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的沿路攻擊可以大大降低區(qū)塊傳播性能。

3.2 數(shù)據(jù)層

區(qū)塊鏈中的“塊”和“鏈”都是用來描述其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的詞匯，可見數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈技術(shù)體系的核心。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層定義了各節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的聯(lián)系和組織方式，利用多種算法和機(jī)制保證數(shù)據(jù)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和驗(yàn)證的高效性，從而使區(qū)塊鏈具備實(shí)用的數(shù)據(jù)防篡改特性。除此之外，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)存儲完整數(shù)據(jù)的行為增加了信息泄露的風(fēng)險，隱私保護(hù)便成為迫切需求，而數(shù)據(jù)層通過非對稱加密等密碼學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了承載應(yīng)用信息的匿名保護(hù)，促進(jìn)區(qū)塊鏈應(yīng)用普及和生態(tài)構(gòu)建。因此，從不同應(yīng)用信息的承載方式出發(fā)，考慮數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性、驗(yàn)證高效性和信息匿名性需求，可將數(shù)據(jù)層關(guān)鍵技術(shù)分為信息模型、關(guān)聯(lián)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和加密機(jī)制3類。

1) 信息模型

區(qū)塊鏈承載了不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)（例如支付記錄、審計數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈信息等），而信息模型則是指節(jié)點(diǎn)記錄應(yīng)用信息的邏輯結(jié)構(gòu)，主要包括UTXO （unspent transaction output）、基于賬戶和鍵值對模型3種。需要說明的是，在大部分區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，每個用戶均被分配了交易地址，該地址由一對公私鑰生成，使用地址標(biāo)識用戶并通過數(shù)字簽名的方式檢驗(yàn)交易的有效性。

UTXO是比特幣交易中的核心概念，逐漸演變?yōu)閰^(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域應(yīng)用的主要信息模型，如圖5所示。每筆交易（Tx）由輸入數(shù)據(jù)（Input）和輸出數(shù)據(jù)（Output）組成，輸出數(shù)據(jù)為交易金額（Num）和用戶公鑰地址（Adr），而輸入數(shù)據(jù)為上一筆交易輸出數(shù)據(jù)的指針（Pointer），直到該比特幣的初始交易由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)向節(jié)點(diǎn)發(fā)放。

圖5

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圖5??

UTXO信息模型

基于賬戶的信息模型以鍵值對的形式存儲數(shù)據(jù)，維護(hù)著賬戶當(dāng)前的有效余額，通過執(zhí)行交易來不斷更新賬戶數(shù)據(jù)。相比于UTXO，基于賬戶的信息模型與銀行的儲蓄賬戶類似，更直觀和高效。

不管是UTXO還是基于賬戶的信息模型，都建立在更為通用的鍵值對模型上，因此為了適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景，鍵值對模型可直接用于存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為表單或集合形式。該模型利于數(shù)據(jù)的存取并支持更復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，但是也存在復(fù)雜度高的問題。

2) 關(guān)聯(lián)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈之所以具備防篡改特性，得益于鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。該結(jié)構(gòu)確定了數(shù)據(jù)之間的綁定關(guān)系，當(dāng)某個數(shù)據(jù)被篡改時，該關(guān)系將會遭到破壞。由于偽造這種關(guān)系的代價是極高的，相反檢驗(yàn)該關(guān)系的工作量很小，因此篡改成功率被降至極低。鏈狀結(jié)構(gòu)的基本數(shù)據(jù)單位是“區(qū)塊（block）”，基本內(nèi)容如圖6所示。

圖6

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圖6??

基本區(qū)塊結(jié)構(gòu)

區(qū)塊由區(qū)塊頭（Header）和區(qū)塊體（Body）兩部分組成，區(qū)塊體包含一定數(shù)量的交易集合；區(qū)塊頭通過前繼散列（PrevHash）維持與上一區(qū)塊的關(guān)聯(lián)從而形成鏈狀結(jié)構(gòu)，通過MKT（MerkleTree）生成的根散列（RootHash）快速驗(yàn)證區(qū)塊體交易集合的完整性。因此散列算法和 MKT 是關(guān)聯(lián)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，以下將對此展開介紹。

散列（Hash）算法也稱為散列函數(shù)，它實(shí)現(xiàn)了明文到密文的不可逆映射；同時，散列算法可以將任意長度的輸入經(jīng)過變化得到固定長度的輸出；最后，即使元數(shù)據(jù)有細(xì)微差距，變化后的輸出也會產(chǎn)生顯著不同。利用散列算法的單向、定長和差異放大的特征，節(jié)點(diǎn)通過比對當(dāng)前區(qū)塊頭的前繼散列即可確定上一區(qū)塊內(nèi)容的正確性，使區(qū)塊的鏈狀結(jié)構(gòu)得以維系。區(qū)塊鏈中常用的散列算法包括SHA256等。

MKT包括根散列、散列分支和交易數(shù)據(jù)。MKT首先對交易進(jìn)行散列運(yùn)算，再對這些散列值進(jìn)行分組散列，最后逐級遞歸直至根散列。MKT 帶來諸多好處：一方面，對根散列的完整性確定即間接地實(shí)現(xiàn)交易的完整性確認(rèn)，提升高效性；另一方面，根據(jù)交易的散列路徑（例如 Tx1：Hash2、Hash34）可降低驗(yàn)證某交易存在性的復(fù)雜度，若交易總數(shù)為N，那么MKT可將復(fù)雜度由N降為lbN。除此之外，還有其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與其配合使用，例如以太坊通過MPT（Merkle Patricia tree）——PatriciaTrie 和MerkleTree混合結(jié)構(gòu)，高效驗(yàn)證其基于賬戶的信息模型數(shù)據(jù)。

此外，區(qū)塊頭中還可根據(jù)不同項(xiàng)目需求靈活添加其他信息，例如添加時間戳為區(qū)塊鏈加入時間維度，形成時序記錄；添加記賬節(jié)點(diǎn)標(biāo)識，以維護(hù)成塊節(jié)點(diǎn)的權(quán)益；添加交易數(shù)量，進(jìn)一步提高區(qū)塊體數(shù)據(jù)的安全性。

3) 加密機(jī)制

由上述加密貨幣原理可知，經(jīng)比特幣演變的區(qū)塊鏈技術(shù)具備與生俱來的匿名性，通過非對稱加密等技術(shù)既保證了用戶的隱私又檢驗(yàn)了用戶身份。非對稱加密技術(shù)是指加密者和解密者利用2個不同秘鑰完成加解密，且秘鑰之間不能相互推導(dǎo)的加密機(jī)制。常用的非對稱加密算法包括 RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法）等。對應(yīng)圖5，Alice 向 Bob 發(fā)起交易 Tx2，Alice使用Bob的公鑰對交易簽名，僅當(dāng)Bob使用私鑰驗(yàn)證該數(shù)字簽名時，才有權(quán)利創(chuàng)建另一筆交易，使自身擁有的幣生效。該機(jī)制將公鑰作為基礎(chǔ)標(biāo)識用戶，使用戶身份不可讀，一定程度上保護(hù)了隱私。

4) 研究現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)層面的研究方向集中在高效驗(yàn)證、匿名分析、隱私保護(hù)3個方面。

高效驗(yàn)證的學(xué)術(shù)問題源于驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（ADS,authenticated data structure），即利用特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，實(shí)際上 MKT 也是其中的一種。為了適應(yīng)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的動態(tài)性（dynamical）并保持良好性能，學(xué)術(shù)界展開了研究。Reyzin等[20]基于AVL樹形結(jié)構(gòu)提出AVL+，并通過平衡驗(yàn)證路徑、缺省堆棧交易集等機(jī)制，簡化輕量級節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊頭驗(yàn)證過程。Zhang等[21]提出GEM2-tree結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行優(yōu)化提出 GEM2?-tree 結(jié)構(gòu)，通過分解單樹結(jié)構(gòu)、動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)計算速度、擴(kuò)展數(shù)據(jù)索引等機(jī)制降低以太坊節(jié)點(diǎn)計算開銷。

區(qū)塊數(shù)據(jù)直接承載業(yè)務(wù)信息，因此區(qū)塊數(shù)據(jù)的匿名關(guān)聯(lián)性分析更為直接。Reid等[22]將區(qū)塊數(shù)據(jù)建模為事務(wù)網(wǎng)絡(luò)和用戶網(wǎng)絡(luò)，利用多交易數(shù)據(jù)的用戶指向性分析成功降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。Meiklejohn等[23]利用啟發(fā)式聚類方法分析交易數(shù)據(jù)的流動特性并對用戶進(jìn)行分組，通過與這些服務(wù)的互動來識別主要機(jī)構(gòu)的比特幣地址。Awan 等[24]使用優(yōu)勢集（dominant set）方法對區(qū)塊鏈交易進(jìn)行自動分類，從而提高分析準(zhǔn)確率。

隱私保護(hù)方面，Saxena等[25]提出復(fù)合簽名技術(shù)削弱數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，基于雙線性映射中的Diffie-Hellman假設(shè)保證計算困難性，從而保護(hù)用戶隱私。Miers 等[26]和 Sasson 等[27]提出 Zerocoin 和Zerocash，在不添加可信方的情況下斷開交易間的聯(lián)系，最早利用零知識證明（zero-knowledge proof）技術(shù)隱藏交易的輸入、輸出和金額信息，提高比特幣的匿名性。非對稱加密是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全的核心，但在量子計算面前卻顯得“捉襟見肘”，為此Yin等[28]利用盆景樹模型（bonsai tree）改進(jìn)晶格簽名技術(shù)（lattice-based signature），以保證公私鑰的隨機(jī)性和安全性，使反量子加密技術(shù)適用于區(qū)塊鏈用戶地址的生成。

3.3 共識層

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)完全相同的賬本數(shù)據(jù)，然而各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時間不同、獲取數(shù)據(jù)的來源未知，存在節(jié)點(diǎn)故意廣播錯誤數(shù)據(jù)的可能性，這將導(dǎo)致女巫攻擊[29]、雙花攻擊[30]等安全風(fēng)險；除此之外，節(jié)點(diǎn)故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的數(shù)據(jù)異常也無法預(yù)測。因此，如何在不可信的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)賬本數(shù)據(jù)的全網(wǎng)統(tǒng)一是共識層解決的關(guān)鍵問題。實(shí)際上，上述錯誤是拜占庭將軍問題（the Byzantine generals problem）[31]在區(qū)塊鏈中的具體表現(xiàn)，即拜占庭錯誤——相互獨(dú)立的組件可以做出任意或惡意的行為，并可能與其他錯誤組件產(chǎn)生協(xié)作，此類錯誤在可信分布式計算領(lǐng)域被廣泛研究。

狀態(tài)機(jī)復(fù)制（state-machine replication）是解決分布式系統(tǒng)容錯問題的常用理論。其基本思想為：任何計算都表示為狀態(tài)機(jī)，通過接收消息來更改其狀態(tài)。假設(shè)一組副本以相同的初始狀態(tài)開始，并且能夠就一組公共消息的順序達(dá)成一致，那么它們可以獨(dú)立進(jìn)行狀態(tài)的演化計算，從而正確維護(hù)各自副本之間的一致性。同樣，區(qū)塊鏈也使用狀態(tài)機(jī)復(fù)制理論解決拜占庭容錯問題，如果把每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)視為賬本數(shù)據(jù)的副本，那么節(jié)點(diǎn)接收到的交易、區(qū)塊即為引起副本狀態(tài)變化的消息。狀態(tài)機(jī)復(fù)制理論實(shí)現(xiàn)和維持副本的一致性主要包含2個要素：正確執(zhí)行計算邏輯的確定性狀態(tài)機(jī)和傳播相同序列消息的共識協(xié)議。其中，共識協(xié)議是影響容錯效果、吞吐量和復(fù)雜度的關(guān)鍵，不同安全性、可擴(kuò)展性要求的系統(tǒng)需要的共識協(xié)議各有不同。學(xué)術(shù)界普遍根據(jù)通信模型和容錯類型對共識協(xié)議進(jìn)行區(qū)分[32]，因此嚴(yán)格地說，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫墓沧R協(xié)議需要解決的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容錯問題。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）類基礎(chǔ)共識協(xié)議。PoX 類協(xié)議是以 PoW （proof of work）為代表的基于獎懲機(jī)制驅(qū)動的新型共識協(xié)議，為了適應(yīng)數(shù)據(jù)吞吐量、資源利用率和安全性的需求，人們又提出PoS（proof of stake）、PoST （proof of space-time）等改進(jìn)協(xié)議。它們的基本特點(diǎn)在于設(shè)計證明依據(jù)，使誠實(shí)節(jié)點(diǎn)可以證明其合法性，從而實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯。BFT類協(xié)議是指解決拜占庭容錯問題的傳統(tǒng)共識協(xié)議及其改良協(xié)議，包括PBFT、BFT-SMaRt、Tendermint等。CFT類協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)崩潰容錯，通過身份證明等手段規(guī)避節(jié)點(diǎn)作惡的情況，僅考慮節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)的崩潰（crash）故障，主要包括Raft、Paxos、Kafka等協(xié)議。

非許可鏈和許可鏈的開放程度和容錯需求存在差異，共識層面技術(shù)在兩者之間產(chǎn)生了較大區(qū)別。具體而言，非許可鏈完全開放，需要抵御嚴(yán)重的拜占庭風(fēng)險，多采用PoX、BFT類協(xié)議并配合獎懲機(jī)制實(shí)現(xiàn)共識。許可鏈擁有準(zhǔn)入機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)身份可知，一定程度降低了拜占庭風(fēng)險，因此可采用BFT類協(xié)議、CFT類協(xié)議構(gòu)建相同的信任模型[35]。

限于篇幅原因，本節(jié)僅以 PoW、PBFT、Raft為切入進(jìn)行3類協(xié)議的分析。

1) PoX類協(xié)議

PoW也稱為Nakamoto協(xié)議，是比特幣及其衍生項(xiàng)目使用的核心共識協(xié)議，如圖7所示。

圖7

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圖7??

PoW協(xié)議示意

該協(xié)議在區(qū)塊鏈頭結(jié)構(gòu)中加入隨機(jī)數(shù)Nonce，并設(shè)計證明依據(jù)：為生成新區(qū)塊，節(jié)點(diǎn)必須計算出合適的 Nonce 值，使新生成的區(qū)塊頭經(jīng)過雙重SHA256 運(yùn)算后小于特定閾值。該協(xié)議的整體流程為：全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分別計算證明依據(jù)，成功求解的節(jié)點(diǎn)確定合法區(qū)塊并廣播，其余節(jié)點(diǎn)對合法區(qū)塊頭進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證無誤則與本地區(qū)塊形成鏈狀結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)發(fā)，最終達(dá)到全網(wǎng)共識。PoW是隨機(jī)性協(xié)議，任何節(jié)點(diǎn)都有可能求出依據(jù)，合法區(qū)塊的不唯一將導(dǎo)致生成分支鏈，此時節(jié)點(diǎn)根據(jù)“最長鏈原則”選擇一定時間內(nèi)生成的最長鏈作為主鏈而拋棄其余分支鏈，從而使各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最終收斂。

PoW協(xié)議采用隨機(jī)性算力選舉機(jī)制，實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯的關(guān)鍵在于記賬權(quán)的爭奪，目前尋找證明依據(jù)的方法只有暴力搜索，其速度完全取決于計算芯片的性能，因此當(dāng)誠實(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過半，即“誠實(shí)算力”過半時，PoW便能使合法分支鏈保持最快的增長速度，也即保證主鏈一直是合法的。PoW是一種依靠飽和算力競爭糾正拜占庭錯誤的共識協(xié)議，關(guān)注區(qū)塊產(chǎn)生、傳播過程中的拜占庭容錯，在保證防止雙花攻擊的同時也存在資源浪費(fèi)、可擴(kuò)展性差等問題。

2) BFT類協(xié)議

PBFT是 BFT經(jīng)典共識協(xié)議，其主要流程如圖8 所示。PBFT將節(jié)點(diǎn)分為主節(jié)點(diǎn)和副節(jié)點(diǎn)，其中主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將交易打包成區(qū)塊，副節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證和轉(zhuǎn)發(fā)，假設(shè)作惡節(jié)點(diǎn)數(shù)量為f。PBFT共識主要分為預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備和接受3個階段，主節(jié)點(diǎn)首先收集交易后排序并提出合法區(qū)塊提案；其余節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)證提案的合法性，然后根據(jù)區(qū)塊內(nèi)交易順序依次執(zhí)行并將結(jié)果摘要組播；各節(jié)點(diǎn)收到2f個與自身相同的摘要后便組播接受投票；當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到超過2f+1個投票時便存儲區(qū)塊及其產(chǎn)生的新狀態(tài)[36]。

圖8

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圖8??

PBFT協(xié)議示意

PBFT 協(xié)議解決消息傳播過程的拜占庭容錯，由于算法復(fù)雜度為 O(n2)且存在確定性的主節(jié)點(diǎn)選舉規(guī)則，PBFT 僅適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的小型許可鏈系統(tǒng)。

3) CFT類協(xié)議

Raft[37]是典型的崩潰容錯共識協(xié)議，以可用性強(qiáng)著稱。Raft將節(jié)點(diǎn)分為跟隨節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將交易打包成區(qū)塊，追隨節(jié)點(diǎn)響應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的同步指令，候選節(jié)點(diǎn)完成領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的選舉工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定時，只存在領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和追隨節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)向追隨節(jié)點(diǎn)推送區(qū)塊數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)同步。節(jié)點(diǎn)均設(shè)置生存時間決定角色變化周期，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的心跳信息不斷重置追隨節(jié)點(diǎn)的生存時間，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)發(fā)生崩潰時，追隨節(jié)點(diǎn)自動轉(zhuǎn)化為候選節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入選舉流程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)。

Raft協(xié)議實(shí)現(xiàn)崩潰容錯的關(guān)鍵在于領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的自選舉機(jī)制，部分許可鏈選擇降低可信需求，將拜占庭容錯轉(zhuǎn)換為崩潰容錯，從而提升共識速度。

4) 獎懲機(jī)制

獎懲機(jī)制包括激勵機(jī)制與懲罰策略，其中激勵機(jī)制是為了彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)算力消耗、平衡協(xié)議運(yùn)行收益比的措施，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能夠在共識過程中獲得收益時才會進(jìn)行記賬權(quán)的爭奪，因此激勵機(jī)制利用經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動各共識協(xié)議可持續(xù)運(yùn)行。激勵機(jī)制一般基于價值均衡理論設(shè)計，具有代表性的機(jī)制包括PPLNS、PPS等。為了實(shí)現(xiàn)收益最大化，節(jié)點(diǎn)可能采用不誠實(shí)的運(yùn)行策略（如扣塊攻擊、自私挖礦等），損害了誠實(shí)節(jié)點(diǎn)的利益，懲罰策略基于博弈論等理論對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行懲罰，從而糾正不端節(jié)點(diǎn)的行為，維護(hù)共識可持續(xù)性。

5) 研究現(xiàn)狀

隨著可擴(kuò)展性和性能需求的多樣化發(fā)展，除了傳統(tǒng)的BFT、CFT協(xié)議和PoX協(xié)議衍生研究，還產(chǎn)生了混合型協(xié)議（Hybrid）——主要為 PoX類協(xié)議混合以及PoX-BFT協(xié)議混合。因此本節(jié)從PoX類、BFT類以及Hybrid類協(xié)議歸納共識層研究進(jìn)展。

如前文所述，PoX類協(xié)議的基本特點(diǎn)在于設(shè)計證明依據(jù)，使誠實(shí)節(jié)點(diǎn)可以證明其合法性，從而實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯。uPoW[38]通過計算有意義的正交向量問題證明節(jié)點(diǎn)合法性，使算力不被浪費(fèi)。PoI （proof-of-importance）[39]利用圖論原理為每個節(jié)點(diǎn)賦予重要性權(quán)重，權(quán)重越高的節(jié)點(diǎn)將越有可能算出區(qū)塊。PoS（poof-of-stake）為節(jié)點(diǎn)定義“幣齡”，擁有更高幣齡的節(jié)點(diǎn)將被分配更多的股份（stake），而股份被作為證明依據(jù)用于成塊節(jié)點(diǎn)的選舉。Ouroboros[40]通過引入多方擲幣協(xié)議增大了選舉隨機(jī)性，引入近乎納什均衡的激勵機(jī)制進(jìn)一步提高PoS 的安全性。PoRep（proof-of-replication）[41]應(yīng)用于去中心化存儲網(wǎng)絡(luò)，利用證明依據(jù)作為貢獻(xiàn)存儲空間的獎勵，促進(jìn)存儲資源再利用。

BFT協(xié)議有較長的發(fā)展史，在區(qū)塊鏈研究中被賦予了新的活力。SCP[42]和Ripple[43]基于聯(lián)邦拜占庭共識[44]——存在交集的多池（確定規(guī)模的聯(lián)邦）共識，分別允許節(jié)點(diǎn)自主選擇或與指定的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成共識聯(lián)邦，通過聯(lián)邦交集達(dá)成全網(wǎng)共識。Tendermint[45]使用Gossip通信協(xié)議基本實(shí)現(xiàn)異步拜占庭共識，不僅簡化了流程而且提高了可用性。HotStuff[46]將BFT與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相結(jié)合，使主節(jié)點(diǎn)能夠以實(shí)際網(wǎng)絡(luò)時延及 O(n)通信復(fù)雜度推動協(xié)議達(dá)成一致。LibraBFT[47]在HotStuff的基礎(chǔ)上加入獎懲機(jī)制及節(jié)點(diǎn)替換機(jī)制，從而優(yōu)化了性能。

Hybrid 類協(xié)議是研究趨勢之一。PoA[48]利用PoW產(chǎn)生空區(qū)塊頭，利用PoS決定由哪些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記賬和背書，其獎勵由背書節(jié)點(diǎn)和出塊節(jié)點(diǎn)共享。PeerCensus[49]由節(jié)點(diǎn)團(tuán)體進(jìn)行拜占庭協(xié)議實(shí)現(xiàn)共識，而節(jié)點(diǎn)必須基于比特幣網(wǎng)絡(luò)，通過 PoW 產(chǎn)出區(qū)塊后才能獲得投票權(quán)力。ByzCoin[50]利用PoW的算力特性構(gòu)建動態(tài)成員關(guān)系，并引入聯(lián)合簽名方案來減小PBFT的輪次通信開銷，提高交易吞吐量，降低確認(rèn)時延。Casper[51]則通過PoS的股份決定節(jié)點(diǎn)構(gòu)成團(tuán)體并進(jìn)行BFT共識，且節(jié)點(diǎn)可投票數(shù)取決于股份。

3.4 控制層

區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)基于對等通信網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)塊交互，通過共識協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致，從而形成了全網(wǎng)統(tǒng)一的賬本?？刂茖邮歉黝悜?yīng)用與賬本產(chǎn)生交互的中樞，如果將賬本比作數(shù)據(jù)庫，那么控制層提供了數(shù)據(jù)庫模型，以及相應(yīng)封裝、操作的方法。具體而言，控制層由處理模型、控制合約和執(zhí)行環(huán)境組成。處理模型從區(qū)塊鏈系統(tǒng)的角度分析和描述業(yè)務(wù)/交易處理方式的差異?？刂坪霞s將業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)化為交易、區(qū)塊、賬本的具體操作。執(zhí)行環(huán)境為節(jié)點(diǎn)封裝通用的運(yùn)行資源，使區(qū)塊鏈具備穩(wěn)定的可移植性。

1) 處理模型

賬本用于存儲全部或部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，那么依據(jù)該數(shù)據(jù)的分布特征可將處理模型分為鏈上（on-chain）和鏈下（off-chain）2種。

鏈上模型是指業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)完全存儲在賬本中，業(yè)務(wù)邏輯通過賬本的直接存取實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該模型的信任基礎(chǔ)建立在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的賬本結(jié)構(gòu)中，不僅實(shí)現(xiàn)防篡改而且簡化了上層控制邏輯，但是過量的資源消耗與龐大的數(shù)據(jù)增長使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性達(dá)到瓶頸，因此該模型適用于數(shù)據(jù)量小、安全性強(qiáng)、去中心化和透明程度高的業(yè)務(wù)。

鏈下模型是指業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)部分或完全存儲在賬本之外，只在賬本中存儲指針以及其他證明業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存在性、真實(shí)性和有效性的數(shù)據(jù)。該模型以“最小化信任成本”為準(zhǔn)則，將信任基礎(chǔ)建立在賬本與鏈下數(shù)據(jù)的證明機(jī)制中，降低賬本構(gòu)建成本。由于與公開的賬本解耦，該模型具有良好的隱私性和可拓展性，適用于去中心化程度低、隱私性強(qiáng)、吞吐量大的業(yè)務(wù)。

2) 控制合約

區(qū)塊鏈中控制合約經(jīng)歷了2個發(fā)展階段，首先是以比特幣為代表的非圖靈完備的自動化腳本，用于鎖定和解鎖基于UTXO信息模型的交易，與強(qiáng)關(guān)聯(lián)賬本共同克服了雙花等問題，使交易數(shù)據(jù)具備流通價值。其次是以以太坊為代表的圖靈完備的智能合約，智能合約是一種基于賬本數(shù)據(jù)自動執(zhí)行的數(shù)字化合同，由開發(fā)者根據(jù)需求預(yù)先定義，是上層應(yīng)用將業(yè)務(wù)邏輯編譯為節(jié)點(diǎn)和賬本操作集合的關(guān)鍵。智能合約通過允許相互不信任的參與者在沒有可信第三方的情況下就復(fù)雜合同的執(zhí)行結(jié)果達(dá)成協(xié)議，使合約具備可編程性，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的靈活定義并擴(kuò)展區(qū)塊鏈的使用。

3) 執(zhí)行環(huán)境

執(zhí)行環(huán)境是指執(zhí)行控制合約所需要的條件，主要分為原生環(huán)境和沙盒環(huán)境。原生環(huán)境是指合約與節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)緊耦合，經(jīng)過源碼編譯后直接執(zhí)行，該方式下合約能經(jīng)歷完善的靜態(tài)分析，提高安全性。沙盒環(huán)境為節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供必要的虛擬環(huán)境，包括網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲以及圖靈完備的計算/控制環(huán)境等，在虛擬機(jī)中運(yùn)行的合約更新方便、靈活性強(qiáng)，其產(chǎn)生的漏洞也可能造成損失。

4) 研究現(xiàn)狀

控制層的研究方向主要集中在可擴(kuò)展性優(yōu)化與安全防護(hù)2個方面。

側(cè)鏈（side-chain）在比特幣主鏈外構(gòu)建新的分類資產(chǎn)鏈，并使比特幣和其他分類資產(chǎn)在多個區(qū)塊鏈之間轉(zhuǎn)移，從而分散了單一鏈的負(fù)荷。Tschorsch等[52]利用Two-way Peg機(jī)制實(shí)現(xiàn)交互式跨鏈資產(chǎn)轉(zhuǎn)換，防止該過程中出現(xiàn)雙花。Kiayias 等[53]利用NIPoPoW機(jī)制實(shí)現(xiàn)非交互式的跨鏈工作證明，并降低了跨鏈帶來的區(qū)塊冗余。分片（sharding）是指不同節(jié)點(diǎn)子集處理區(qū)塊鏈的不同部分，從而減少每個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。ELASTICO[54]將交易集劃分為不同分片，每個分片由不同的節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行并行驗(yàn)證。OmniLedger[55]在前者的基礎(chǔ)上優(yōu)化節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇及跨切片事務(wù)提交協(xié)議，從而提高了切片共識的安全性與正確性。區(qū)別于 OmniLedger，PolyShard[56]利用拉格朗日多項(xiàng)式編碼分片為分片交互過程加入計算冗余，同時實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性優(yōu)化與安全保障。上述研究可視為鏈上處理模型在加密貨幣場景下的可擴(kuò)展性優(yōu)化方案。實(shí)際上，鏈下處理模型本身就是一種擴(kuò)展性優(yōu)化思路，閃電網(wǎng)絡(luò)[57]通過狀態(tài)通道對交易最終結(jié)果進(jìn)行鏈上確認(rèn)，從而在交易過程中實(shí)現(xiàn)高頻次的鏈外支付。Plasma[58]在鏈下對區(qū)塊鏈進(jìn)行樹形分支拓展，樹形分支中的父節(jié)點(diǎn)完成子節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的確認(rèn)，直到根節(jié)點(diǎn)與區(qū)塊鏈進(jìn)行最終確認(rèn)。

一方面，沙盒環(huán)境承載了區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)運(yùn)行條件，針對虛擬機(jī)展開的攻擊更為直接；另一方面，智能合約直接對賬本進(jìn)行操作，其漏洞更易影響業(yè)務(wù)運(yùn)行，因此控制層的安全防護(hù)研究成為熱點(diǎn)。Luu等[59]分析了運(yùn)行于EVM中的智能合約安全性，指出底層平臺的分布式語義差異帶來的安全問題。Brent 等[60]提出智能合約安全分析框架 Vandal，將EVM 字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為語義邏輯關(guān)，為分析合約安全漏洞提供便利。Jiang 等[61]預(yù)先定義用于安全漏洞的特征，然后模擬執(zhí)行大規(guī)模交易，通過分析日志中的合約行為實(shí)現(xiàn)漏洞檢測。

4 技術(shù)選型分析

區(qū)別于其他技術(shù)，區(qū)塊鏈發(fā)展過程中最顯著的特點(diǎn)是與產(chǎn)業(yè)界緊密結(jié)合，伴隨著加密貨幣和分布式應(yīng)用的興起，業(yè)界出現(xiàn)了許多區(qū)塊鏈項(xiàng)目。這些項(xiàng)目是區(qū)塊鏈技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，既有相似之處又各具特點(diǎn)，本節(jié)將根據(jù)前文所述層次化結(jié)構(gòu)對比特幣、以太坊和超級賬本Fabric項(xiàng)目進(jìn)行分析，然后簡要介紹其他代表性項(xiàng)目并歸納和對比各項(xiàng)目的技術(shù)選型及特點(diǎn)。

4.1 比特幣

比特幣是目前規(guī)模最大、影響范圍最廣的非許可鏈開源項(xiàng)目。圖9為比特幣項(xiàng)目以賬本為核心的運(yùn)行模式，也是所有非許可鏈項(xiàng)目的雛形。比特幣網(wǎng)絡(luò)為用戶提供兌換和轉(zhuǎn)賬業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)的價值流通媒介由賬本確定的交易數(shù)據(jù)——比特幣支撐。為了保持賬本的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的權(quán)威性，業(yè)務(wù)制定獎勵機(jī)制，即賬本為節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新的比特幣或用戶支付比特幣，以此驅(qū)動節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)賬本。

圖9

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圖9??

比特幣運(yùn)行模式

比特幣網(wǎng)絡(luò)主要由2種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)。全節(jié)點(diǎn)是功能完備的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，而輕節(jié)點(diǎn)不存儲完整的賬本數(shù)據(jù)，僅具備驗(yàn)證與轉(zhuǎn)發(fā)功能。全節(jié)點(diǎn)也稱為礦工節(jié)點(diǎn)，計算證明依據(jù)的過程被稱為“挖礦”，目前全球擁有近 1 萬個全節(jié)點(diǎn)；礦池則是依靠獎勵分配策略將算力匯集起來的礦工群；除此之外，還有用于存儲私鑰和地址信息、發(fā)起交易的客戶端（錢包）。

1) 網(wǎng)絡(luò)層

比特幣在網(wǎng)絡(luò)層采用非結(jié)構(gòu)化方式組網(wǎng)，路由表呈現(xiàn)隨機(jī)性。節(jié)點(diǎn)間則采用多點(diǎn)傳播方式傳遞數(shù)據(jù)，曾基于Gossip協(xié)議實(shí)現(xiàn)，為提高網(wǎng)絡(luò)的抗匿名分析能力改為基于Diffusion協(xié)議實(shí)現(xiàn)[33]。節(jié)點(diǎn)利用一系列控制協(xié)議確保鏈路的可用性，包括版本獲?。╒etsion/Verack）、地址獲?。ˋddr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等。新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時，首先向硬編碼 DNS 節(jié)點(diǎn)（種子節(jié)點(diǎn)）請求初始節(jié)點(diǎn)列表；然后向初始節(jié)點(diǎn)隨機(jī)請求它們路由表中的節(jié)點(diǎn)信息，以此生成自己的路由表；最后節(jié)點(diǎn)通過控制協(xié)議與這些節(jié)點(diǎn)建立連接，并根據(jù)信息交互的頻率更新路由表中節(jié)點(diǎn)時間戳，從而保證路由表中的節(jié)點(diǎn)都是活動的。交互邏輯層為建立共識交互通道，提供了區(qū)塊獲?。℅etBlock）、交易驗(yàn)證（MerkleBlock）、主鏈選擇（CmpctBlock）等協(xié)議；輕節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行簡單的區(qū)塊頭驗(yàn)證，因此通過頭驗(yàn)證（GetHeader/Header）協(xié)議和連接層中的過濾設(shè)置協(xié)議指定需要驗(yàn)證的區(qū)塊頭即可建立簡單驗(yàn)證通路。在安全機(jī)制方面，比特幣網(wǎng)絡(luò)可選擇利用匿名通信網(wǎng)絡(luò)Tor作為數(shù)據(jù)傳輸承載，通過沿路徑的層層數(shù)據(jù)加密機(jī)制來保護(hù)對端身份。

2) 數(shù)據(jù)層

比特幣數(shù)據(jù)層面的技術(shù)選型已經(jīng)被廣泛研究，使用UTXO信息模型記錄交易數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所有權(quán)的簡單、有效證明，利用 MKT、散列函數(shù)和時間戳實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的高效驗(yàn)證并產(chǎn)生強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。在加密機(jī)制方面，比特幣采用參數(shù)為Secp256k1的橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA,elliptic curve digital signature algorithm）生成用戶的公私鑰，錢包地址則由公鑰經(jīng)過雙重散列、Base58Check 編碼等步驟生成，提高了可讀性。

3) 共識層

比特幣采用 PoW 算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)共識，該算法證明依據(jù)中的閾值設(shè)定可以改變計算難度。計算難度由每小時生成區(qū)塊的平均塊數(shù)決定，如果生成得太快，難度就會增加。該機(jī)制是為了應(yīng)對硬件升級或關(guān)注提升引起的算力變化，保持證明依據(jù)始終有效。目前該閾值被設(shè)定為10 min產(chǎn)出一個區(qū)塊。除此之外，比特幣利用獎懲機(jī)制保證共識的可持續(xù)運(yùn)行，主要包括轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)、挖礦獎勵和礦池分配策略等。

4) 控制層

比特幣最初采用鏈上處理模型，并將控制語句直接記錄在交易中，使用自動化鎖定/解鎖腳本驗(yàn)證UTXO模型中的比特幣所有權(quán)。由于可擴(kuò)展性和確認(rèn)時延的限制，比特幣產(chǎn)生多個側(cè)鏈項(xiàng)目如Liquid、RSK、Drivechain等，以及鏈下處理項(xiàng)目Lightning Network等，從而優(yōu)化交易速度。

4.2 以太坊

以太坊是第一個以智能合約為基礎(chǔ)的可編程非許可鏈開源平臺項(xiàng)目，支持使用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式應(yīng)用，包括金融、音樂、游戲等類型；當(dāng)滿足某些條件時，這些應(yīng)用將觸發(fā)智能合約與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生交互，以此實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)和存儲功能，更重要的是衍生出更多場景應(yīng)用和價值產(chǎn)物，例如以太貓，利用唯一標(biāo)識為虛擬貓賦予價值；GitCoin，眾籌軟件開發(fā)平臺等。

1) 網(wǎng)絡(luò)層

以太坊底層對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇稱為DEVP2P，除了滿足區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)功能外，還滿足與以太坊相關(guān)聯(lián)的任何聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的需求。DEVP2P將節(jié)點(diǎn)公鑰作為標(biāo)識，采用 Kademlia 算法計算節(jié)點(diǎn)的異或距離，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)。DEVP2P主要由3種協(xié)議組成：節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議RLPx、基礎(chǔ)通信協(xié)議Wire和擴(kuò)展協(xié)議Wire-Sub。節(jié)點(diǎn)間基于Gossip實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳播；新節(jié)點(diǎn)加入時首先向硬編碼引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)（bootstrap node）發(fā)送入網(wǎng)請求；然后引導(dǎo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)Kademlia 算法計算與新節(jié)點(diǎn)邏輯距離最近的節(jié)點(diǎn)列表并返回；最后新節(jié)點(diǎn)向列表中節(jié)點(diǎn)發(fā)出握手請求，包括網(wǎng)絡(luò)版本號、節(jié)點(diǎn)ID、監(jiān)聽端口等，與這些節(jié)點(diǎn)建立連接后則使用Ping/Pong機(jī)制保持連接。Wire子協(xié)議構(gòu)建了交易獲取、區(qū)塊同步、共識交互等邏輯通路，與比特幣類似，以太坊也為輕量級錢包客戶端設(shè)計了簡易以太坊協(xié)議（LES,light ethereum subprotocol）及其變體PIP。安全方面，節(jié)點(diǎn)在RLPx協(xié)議建立連接的過程中采用橢圓曲線集成加密方案（ECIES）生成公私鑰，用于傳輸共享對稱密鑰，之后節(jié)點(diǎn)通過共享密鑰加密承載數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)。

2) 數(shù)據(jù)層

以太坊通過散列函數(shù)維持區(qū)塊的關(guān)聯(lián)性，采用MPT實(shí)現(xiàn)賬戶狀態(tài)的高效驗(yàn)證?；谫~戶的信息模型記錄了用戶的余額及其他 ERC 標(biāo)準(zhǔn)信息，其賬戶類型主要分為2類：外部賬戶和合約賬戶；外部賬戶用于發(fā)起交易和創(chuàng)建合約，合約賬戶用于在合約執(zhí)行過程中創(chuàng)建交易。用戶公私鑰的生成與比特幣相同，但是公鑰經(jīng)過散列算法Keccak-256計算后取20 B作為外部賬戶地址。

3) 共識層

以太坊采用 PoW 共識，將閾值設(shè)定為 15 s產(chǎn)出一個區(qū)塊，計劃在未來采用PoS或Casper共識協(xié)議。較低的計算難度將導(dǎo)致頻繁產(chǎn)生分支鏈，因此以太坊采用獨(dú)有的獎懲機(jī)制——GHOST 協(xié)議，以提高礦工的共識積極性。具體而言，區(qū)塊中的散列值被分為父塊散列和叔塊散列，父塊散列指向前繼區(qū)塊，叔塊散列則指向父塊的前繼。新區(qū)塊產(chǎn)生時，GHOST 根據(jù)前 7 代區(qū)塊的父/叔散列值計算礦工獎勵，一定程度彌補(bǔ)了分支鏈被拋棄時浪費(fèi)的算力。

4) 控制層

每個以太坊節(jié)點(diǎn)都擁有沙盒環(huán)境 EVM，用于執(zhí)行Solidity語言編寫的智能合約；Solidity語言是圖靈完備的，允許用戶方便地定義自己的業(yè)務(wù)邏輯，這也是眾多分布式應(yīng)用得以開發(fā)的前提。為優(yōu)化可擴(kuò)展性，以太坊擁有側(cè)鏈項(xiàng)目 Loom、鏈下計算項(xiàng)目Plasma，而分片技術(shù)已于2018年加入以太坊源碼。

4.3 超級賬本Fabric

超級賬本是Linux基金會旗下的開源區(qū)塊鏈項(xiàng)目，旨在提供跨行業(yè)區(qū)塊鏈解決方案。Fabric 是超級賬本子項(xiàng)目之一，也是影響最廣的企業(yè)級可編程許可鏈項(xiàng)目；在已知的解決方案中，F(xiàn)abric 被應(yīng)用于供應(yīng)鏈、醫(yī)療和金融服務(wù)等多種場景。

1) 網(wǎng)絡(luò)層

Fabric 網(wǎng)絡(luò)以組織為單位構(gòu)建節(jié)點(diǎn)集群，采用混合式對等網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)；每個組織中包括普通節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)（anchor peer），普通節(jié)點(diǎn)完成組織內(nèi)的消息路由，錨節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)跨組織的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與消息路由。Fabric網(wǎng)絡(luò)傳播層基于Gossip實(shí)現(xiàn)，需要使用配置文件初始化網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)生成后各節(jié)點(diǎn)將定期廣播存活信息，其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)該信息更新路由表以保持連接。交互邏輯層采用多通道機(jī)制，即相同通道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行狀態(tài)信息交互和區(qū)塊同步。Fabric 為許可鏈，因此在網(wǎng)絡(luò)層采取嚴(yán)苛的安全機(jī)制：節(jié)點(diǎn)被頒發(fā)證書及密鑰對，產(chǎn)生PKI-ID進(jìn)行身份驗(yàn)證；可選用 TLS 雙向加密通信；基于多通道的業(yè)務(wù)隔離；可定義策略指定通道內(nèi)的某些節(jié)點(diǎn)對等傳輸私有數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)層

Fabric的區(qū)塊中記錄讀寫集（read-write set）描述交易執(zhí)行時的讀寫過程。該讀寫集用于更新狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，而狀態(tài)數(shù)據(jù)庫記錄了鍵、版本和值組成的鍵值對，因此屬于鍵值對信息模型。一方面，散列函數(shù)和 MerkleTree 被用作高效關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；另一方面，節(jié)點(diǎn)還需根據(jù)鍵值驗(yàn)證狀態(tài)數(shù)據(jù)庫與讀寫集中的最新版本是否一致。許可鏈場景對匿名性的要求較低，但對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隱私性要求較高，因此Fabric 1.2版本開始提供私有數(shù)據(jù)集（PDC,private data collection）功能。

3) 共識層

Fabric在0.6版本前采用PBFT 共識協(xié)議，但是為了提高交易吞吐量，F(xiàn)abric 1.0 選擇降低安全性，將共識過程分解為排序和驗(yàn)證2種服務(wù)，排序服務(wù)采用CFT類協(xié)議Kafka、Raft（v1.4之后）完成，而驗(yàn)證服務(wù)進(jìn)一步分解為讀寫集驗(yàn)證與多簽名驗(yàn)證，最大程度提高了共識速度。由于Fabric針對許可鏈場景，參與方往往身份可知且具有相同的合作意圖，因此規(guī)避了節(jié)點(diǎn)怠工與作惡的假設(shè)，不需要獎懲機(jī)制調(diào)節(jié)。

4) 控制層

Fabric 對于擴(kuò)展性優(yōu)化需求較少，主要得益于共識層的優(yōu)化與許可鏈本身參與節(jié)點(diǎn)較少的前提，因此主要采用鏈上處理模型，方便業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存??；而 PDC 中僅將私有數(shù)據(jù)散列值上鏈的方式則屬于鏈下處理模型，智能合約可以在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。Fabric 節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計，基于 Docker構(gòu)建模塊執(zhí)行環(huán)境；智能合約在Fabric中被稱為鏈碼，使用GO、Javascript和Java語言編寫，也是圖靈完備的。

4.4 其他項(xiàng)目

除了上述3種區(qū)塊鏈基礎(chǔ)項(xiàng)目外，產(chǎn)業(yè)界還有許多具有代表性的項(xiàng)目，如表1所示。

5 區(qū)塊鏈應(yīng)用研究

區(qū)塊鏈技術(shù)有助于降低金融機(jī)構(gòu)間的審計成本，顯著提高支付業(yè)務(wù)的處理速度及效率，可應(yīng)用于跨境支付等金融場景。除此之外，區(qū)塊鏈還應(yīng)用于產(chǎn)權(quán)保護(hù)、信用體系建設(shè)、教育生態(tài)優(yōu)化、食品安全監(jiān)管、網(wǎng)絡(luò)安全保障等非金融場景。

根據(jù)這些場景的應(yīng)用方式以及區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)，可將區(qū)塊鏈特性概括為如下幾點(diǎn)。1) 去中心化。節(jié)點(diǎn)基于對等網(wǎng)絡(luò)建立通信和信任背書，單一節(jié)點(diǎn)的破壞不會對全局產(chǎn)生影響。2) 不可篡改。賬本由全體節(jié)點(diǎn)維護(hù)，群體協(xié)作的共識過程和強(qiáng)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致且基本無法被篡改，進(jìn)一步使數(shù)據(jù)可驗(yàn)證和追溯。3) 公開透明。除私有數(shù)據(jù)外，鏈上數(shù)據(jù)對每個節(jié)點(diǎn)公開，便于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的存在性和真實(shí)性。4) 匿名性。多種隱私保護(hù)機(jī)制使用戶身份得以隱匿，即便如此也能建立信任基礎(chǔ)。5) 合約自治。預(yù)先定義的業(yè)務(wù)邏輯使節(jié)點(diǎn)可以基于高可信的賬本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自治，在人-人、人-機(jī)、機(jī)-機(jī)交互間自動化執(zhí)行業(yè)務(wù)。

鑒于上述領(lǐng)域的應(yīng)用在以往研究中均有詳細(xì)描述，本文將主要介紹區(qū)塊鏈在智慧城市、邊緣計算和人工智能領(lǐng)域的前沿應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

表1

表1??

代表性區(qū)塊鏈項(xiàng)目

技術(shù)選型CordaQuorumLibraBlockstackFilecoinZcash控制合約Kotlin,JavaGOMoveClarity非圖靈完備非圖靈完備非圖靈完備執(zhí)行環(huán)境JVMEVMMVM源碼編譯源碼編譯源碼編譯處理模型鏈上鏈上/鏈下（私有數(shù)據(jù)）鏈上鏈下（虛擬鏈）鏈下（IPFS）鏈上獎懲機(jī)制——Libra coinsStacks tokenFilecoinZcash/Turnstiles共識算法Notary 機(jī)制/RAFT,BFT-SMaRtQuorum-Chain,RAFTLibraBFTTunable Proofs,proof-of-burnPoRep,PoETPoW信息模型UTXO基于賬戶基于賬戶基于賬戶基于賬戶UTXO關(guān)聯(lián)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)散列算法MKT散列算法MPT散列算法MKT散列算法Merklized Adaptive Radix Forest (MARF)散列算法MKT散列算法MKT加密機(jī)制Tear-offs機(jī)制、混合密鑰基于EnclaveSHA3-256/EdDSA基于Gaia/Blockstack AuthSECP256K1/BLSzk-SNARK組網(wǎng)方式混合型結(jié)構(gòu)化混合型無結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)化/無結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)通信機(jī)制AMQP1.0/單點(diǎn)傳播Wire/GossipNoise-ProtocolFramework/GossipAtlas/GossipLibp2p/GossipBitcoin-Core/Gossip安全機(jī)制Corda加密套件/TLS證書/HTTPSDiffie-HellmanSecure BackboneTLSTor區(qū)塊鏈類型許可鏈許可鏈許可鏈非許可鏈非許可鏈非許可鏈特點(diǎn)只允許對實(shí)際參與給定交易的各方進(jìn)行信息訪問和驗(yàn)證功能基于以太坊網(wǎng)絡(luò)提供公共交易和私有交易2種交互渠道穩(wěn)定、快速的交易網(wǎng)絡(luò)剔除中心服務(wù)商的、可擴(kuò)展的分布式數(shù)據(jù)存儲設(shè)施，旨在保護(hù)隱私數(shù)據(jù)激勵機(jī)制驅(qū)動的存儲資源共享生態(tài)基于比特幣網(wǎng)絡(luò)提供零知識證明的隱私保護(hù)應(yīng)用場景金融業(yè)務(wù)平臺分布式應(yīng)用加密貨幣互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施文件存儲與共享加密貨幣

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5.1 智慧城市

智慧城市是指利用 ICT 優(yōu)化公共資源利用效果、提高居民生活質(zhì)量、豐富設(shè)施信息化能力的研究領(lǐng)域，該領(lǐng)域包括個人信息管理、智慧醫(yī)療、智慧交通、供應(yīng)鏈管理等具體場景。智慧城市強(qiáng)調(diào)居民、設(shè)施等各類數(shù)據(jù)的采集、分析與使能，數(shù)據(jù)可靠性、管理透明化、共享可激勵等需求為智慧城市帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈去中心化的交互方式避免了單點(diǎn)故障、提升管理公平性，公開透明的賬本保證數(shù)據(jù)可靠及可追溯性，多種匿名機(jī)制利于居民隱私的保護(hù)，因此區(qū)塊鏈有利于問題的解決。Hashemi等[62]將區(qū)塊鏈用于權(quán)限數(shù)據(jù)存儲，構(gòu)建去中心化的個人數(shù)據(jù)接入控制模型；Bao等[63]利用區(qū)塊鏈高效認(rèn)證和管理用戶標(biāo)識，保護(hù)車主的身份、位置、車輛信息等個人數(shù)據(jù)。

5.2 邊緣計算

邊緣計算是一種將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源從云平臺遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式信息服務(wù)架構(gòu)，試圖將傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，減少業(yè)務(wù)交付的端到端時延，提升用戶體驗(yàn)。安全問題是邊緣計算面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)，一方面，邊緣計算的層次結(jié)構(gòu)中利用大量異構(gòu)終端設(shè)備提供用戶服務(wù)，這些設(shè)備可能產(chǎn)生惡意行為；另一方面，服務(wù)遷移過程中的數(shù)據(jù)完整性和真實(shí)性需要得到保障。區(qū)塊鏈在這種復(fù)雜的工作環(huán)境和開放的服務(wù)架構(gòu)中能起到較大作用。首先，區(qū)塊鏈能夠在邊緣計算底層松散的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建不可篡改的賬本，提供設(shè)備身份和服務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的依據(jù)。其次，設(shè)備能在智能合約的幫助下實(shí)現(xiàn)高度自治，為邊緣計算提供設(shè)備可信互操作基礎(chǔ)。Samaniego等[64]提出了一種基于區(qū)塊鏈的虛擬物聯(lián)網(wǎng)資源遷移架構(gòu)，通過區(qū)塊鏈共享資源數(shù)據(jù)從而保障安全性。Stanciu[65]結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、霧計算和區(qū)塊鏈技術(shù)提出分布式安全云架構(gòu)，解決霧節(jié)點(diǎn)中SDN控制器流表策略的安全分發(fā)問題。Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出霧計算場景下的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展應(yīng)用方案，提升霧計算網(wǎng)關(guān)的安全性。

5.3 人工智能

人工智能是一類智能代理的研究，使機(jī)器感知環(huán)境/信息，然后進(jìn)行正確的行為決策，正確是指達(dá)成人類預(yù)定的某些目標(biāo)。人工智能的關(guān)鍵在于算法，而大部分機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法建立于體積龐大的數(shù)據(jù)集和中心化的訓(xùn)練模型之上，該方式易受攻擊或惡意操作使數(shù)據(jù)遭到篡改，其后果為模型的不可信與算力的浪費(fèi)。此外，數(shù)據(jù)采集過程中無法確保下游設(shè)備的安全性，無法保證數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性與完整性，其后果將在自動駕駛等場景中被放大。區(qū)塊鏈不可篡改的特性可以實(shí)現(xiàn)感知和訓(xùn)練過程的可信。另外，去中心化和合約自治特性為人工智能訓(xùn)練工作的分解和下放奠定了基礎(chǔ)，保障安全的基礎(chǔ)上提高計算效率。Kim等[67]利用區(qū)塊鏈驗(yàn)證聯(lián)合學(xué)習(xí)框架下的分發(fā)模型的完整性，并根據(jù)計算成本提供相應(yīng)的激勵，優(yōu)化整體學(xué)習(xí)效果。Bravo-Marquez 等[68]提出共識機(jī)制“學(xué)習(xí)證明”以減輕PoX類共識的計算浪費(fèi)，構(gòu)建公共可驗(yàn)證的學(xué)習(xí)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

6 技術(shù)挑戰(zhàn)與研究展望

6.1 層次優(yōu)化與深度融合

區(qū)塊鏈存在“三元悖論”——安全性、擴(kuò)展性和去中心化三者不可兼得，只能依靠犧牲一方的效果來滿足另外兩方的需求。以比特幣為代表的公鏈具有較高的安全性和完全去中心化的特點(diǎn)，但是資源浪費(fèi)等問題成為拓展性優(yōu)化的瓶頸。盡管先后出現(xiàn)了PoS、BFT等共識協(xié)議優(yōu)化方案，或側(cè)鏈、分片等鏈上處理模型，或Plasma、閃電網(wǎng)絡(luò)等鏈下擴(kuò)展方案，皆是以部分安全性或去中心化為代價的。因此，如何將區(qū)塊鏈更好地推向?qū)嶋H應(yīng)用很大程度取決于三元悖論的解決，其中主要有2種思路。

1) 層次優(yōu)化

區(qū)塊鏈層次化結(jié)構(gòu)中每層都不同程度地影響上述3種特性，例如網(wǎng)絡(luò)時延、并行讀寫效率、共識速度和效果、鏈上/鏈下模型交互機(jī)制的安全性等，對區(qū)塊鏈的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)從整體考慮，而不是單一層次。

網(wǎng)絡(luò)層主要缺陷在于安全性，可拓展性則有待優(yōu)化。如何防御以 BGP 劫持為代表的網(wǎng)絡(luò)攻擊將成為區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)的安全研究方向[19]。信息中心網(wǎng)絡(luò)將重塑區(qū)塊鏈基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過請求聚合和數(shù)據(jù)緩存減少網(wǎng)內(nèi)冗余流量并加速通信傳輸[69]。相比于數(shù)據(jù)層和共識層，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注度較低，但卻是影響安全性、可拓展性的基本因素。

數(shù)據(jù)層的優(yōu)化空間在于高效性，主要為設(shè)計新的數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)與算法。該方向可以借鑒計算機(jī)研究領(lǐng)域的多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論與復(fù)雜度優(yōu)化方法，尋找適合區(qū)塊鏈計算方式的結(jié)構(gòu)，甚至設(shè)計新的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上相當(dāng)一部分項(xiàng)目借鑒鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的思想開辟新的道路，例如壓縮區(qū)塊空間的隔離見證、有向無環(huán)圖（DAG）中并行關(guān)聯(lián)的糾纏結(jié)構(gòu)（Tangle），或者Libra項(xiàng)目采用的狀態(tài)樹。

共識機(jī)制是目前研究的熱點(diǎn)，也是同時影響三元特性的最難均衡的層次。PoW犧牲可拓展性獲得完全去中心化和安全性，PoS高效的出塊方式具備可擴(kuò)展性但產(chǎn)生了分叉問題，POA結(jié)合兩者做到了3種特性的均衡。以此為切入的Hybrid類共識配合獎懲機(jī)制的機(jī)動調(diào)節(jié)取得了較好效果，成為共識研究的過渡手段，但是如何做到三元悖論的真正突破還有待研究。

控制層面是目前可擴(kuò)展性研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)勢在于不需要改變底層的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，能夠在短期內(nèi)應(yīng)用，集中在產(chǎn)業(yè)界的區(qū)塊鏈項(xiàng)目中。側(cè)鏈具有較好的靈活性但操作復(fù)雜度高，分片改進(jìn)了賬本結(jié)構(gòu)但跨分片交互的安全問題始終存在，而鏈下處理模型在安全方面缺少理論分析的支撐。因此，三元悖論的解決在控制層面具有廣泛的研究前景。

2) 深度融合

如果將層次優(yōu)化稱為橫向優(yōu)化，那么深度融合即為根據(jù)場景需求而進(jìn)行的縱向優(yōu)化。一方面，不同場景的三元需求并不相同，例如接入控制不要求完全去中心化，可擴(kuò)展性也未遇到瓶頸，因此可采用BFT類算法在小范圍構(gòu)建聯(lián)盟鏈。另一方面，區(qū)塊鏈應(yīng)用研究從簡單的數(shù)據(jù)上鏈轉(zhuǎn)變?yōu)殒溝麓鎯?、鏈上?yàn)證，共識算法從 PoW 轉(zhuǎn)變?yōu)閳鼍敖Y(jié)合的服務(wù)證明和學(xué)習(xí)證明，此外，結(jié)合 5G 和邊緣計算可將網(wǎng)絡(luò)和計算功能移至網(wǎng)絡(luò)邊緣，節(jié)約終端資源。這意味著在嚴(yán)格的場景建模下，區(qū)塊鏈的層次技術(shù)選型將與場景特點(diǎn)交叉創(chuàng)新、深度融合，具有較為廣闊的研究前景。

6.2 隱私保護(hù)

加密貨幣以匿名性著稱，但是區(qū)塊鏈以非對稱加密為基礎(chǔ)的匿名體系不斷受到挑戰(zhàn)。反匿名攻擊從身份的解密轉(zhuǎn)變?yōu)樾袨榈木垲惙治?，不僅包括網(wǎng)絡(luò)流量的IP聚類，還包括交易數(shù)據(jù)的地址聚類、交易行為的啟發(fā)式模型學(xué)習(xí)，因此大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展使區(qū)塊鏈隱私保護(hù)思路發(fā)生轉(zhuǎn)變。已有Tor網(wǎng)絡(luò)、混幣技術(shù)、零知識證明、同態(tài)加密以及各類復(fù)雜度更高的非對稱加密算法被提出，但是各方法仍有局限，未來將需要更為高效的方法。此外，隨著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可編程化發(fā)展，內(nèi)部復(fù)雜性將越來越高，特別是智能合約需要更嚴(yán)格、有效的代碼檢測方法，例如匿名性檢測、隱私威脅預(yù)警等。

6.3 工業(yè)區(qū)塊鏈

工業(yè)區(qū)塊鏈?zhǔn)侵咐脜^(qū)塊鏈夯實(shí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的流通和管控基礎(chǔ)、促進(jìn)價值轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景，具有較大的研究前景。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的重要基礎(chǔ)設(shè)施?！肮I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，通過全面感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的邏輯閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面貫通，培育新的模式和業(yè)態(tài)。

可以看到，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)等場景應(yīng)用存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，例如泛在連接、數(shù)據(jù)共享和分析、電子商務(wù)等，那么其學(xué)術(shù)問題與技術(shù)實(shí)現(xiàn)必然存在關(guān)聯(lián)性。區(qū)塊鏈解決了物聯(lián)網(wǎng)中心管控架構(gòu)的單點(diǎn)故障問題，克服泛在感知設(shè)備數(shù)據(jù)的安全性和隱私性挑戰(zhàn)，為智慧城市場景的數(shù)據(jù)共享、接入控制等問題提供解決方法，為激勵資源共享構(gòu)建了新型互聯(lián)網(wǎng)價值生態(tài)。盡管工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新型的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其技術(shù)體系更復(fù)雜、內(nèi)涵更豐富，但是不難想象，區(qū)塊鏈同樣有利于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

“平臺+區(qū)塊鏈”能夠通過分布式數(shù)據(jù)管理模式，降低數(shù)據(jù)存儲、處理、使用的管理成本，為工業(yè)用戶在工業(yè) APP 選擇和使用方面搭建起更加可信的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證及操作行為追溯、數(shù)據(jù)安全存儲與可靠傳遞。能夠通過產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)、質(zhì)量檢測結(jié)果、訂單信息等數(shù)據(jù)“上鏈”，實(shí)現(xiàn)有效的供應(yīng)鏈全要素追溯與協(xié)同服務(wù)。能夠促進(jìn)平臺間數(shù)據(jù)交易與業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)跨平臺交易結(jié)算，帶動平臺間的數(shù)據(jù)共享與知識復(fù)用，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺間互聯(lián)互通。

當(dāng)然，工業(yè)是關(guān)乎國計民生的產(chǎn)業(yè)，將區(qū)塊鏈去中心化、匿名化等特性直接用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是不可取的，因此需要研究工業(yè)區(qū)塊鏈管理框架，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的可管可控，在一定范圍內(nèi)發(fā)揮其安全優(yōu)勢，并對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供正向激勵。

7 結(jié)束語

區(qū)塊鏈基于多類技術(shù)研究的成果，以低成本解決了多組織參與的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中的信任構(gòu)建和隱私保護(hù)等問題，在金融、教育、娛樂、版權(quán)保護(hù)等場景得到了較多應(yīng)用，成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。比特幣的出現(xiàn)重塑了人們對價值的定義，伴隨著產(chǎn)業(yè)界的呼聲，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了快速發(fā)展，而遵循區(qū)塊鏈層次化分析方法，能夠直觀地區(qū)別各項(xiàng)目的技術(shù)路線和特點(diǎn)，為優(yōu)化區(qū)塊鏈技術(shù)提供不同觀察視角，并為場景應(yīng)用的深度融合創(chuàng)造條件，促進(jìn)后續(xù)研究。未來的發(fā)展中，區(qū)塊鏈將成為更為基礎(chǔ)的信任支撐技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等更廣闊的領(lǐng)域健康、有序地發(fā)展。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已聲明無競爭性利益關(guān)系。

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區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2016

... 區(qū)塊鏈涵蓋多種技術(shù)，相關(guān)概念易混淆，且應(yīng)用場景繁多，為此，已有相關(guān)綜述主要從技術(shù)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)用場景等角度來梳理區(qū)塊鏈的最新進(jìn)展、技術(shù)差異和聯(lián)系，總結(jié)技術(shù)形態(tài)和應(yīng)用價值.袁勇等[1]給出了區(qū)塊鏈基本模型，以比特幣為例將非許可鏈分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層；邵奇峰等[2]結(jié)合開源項(xiàng)目細(xì)節(jié)，對比了多種企業(yè)級區(qū)塊鏈（許可鏈）的技術(shù)特點(diǎn)；Yang等[3]總結(jié)了基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)的特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢；韓璇等[4]系統(tǒng)性歸納了區(qū)塊鏈安全問題的研究現(xiàn)狀；Ali等[5]總結(jié)了區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展、趨勢.上述文獻(xiàn)雖然歸納得較為完整，但是都沒有從許可鏈與非許可鏈共性技術(shù)的角度進(jìn)行通用的層次結(jié)構(gòu)分析，沒有體現(xiàn)出區(qū)塊鏈技術(shù)與組網(wǎng)路由、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制等已有技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，且缺少對區(qū)塊鏈項(xiàng)目的差異分析.本文則對有關(guān)概念進(jìn)行區(qū)分，探討了通用的層次化技術(shù)結(jié)構(gòu)及其與已有技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，并針對該結(jié)構(gòu)橫向分析相關(guān)學(xué)術(shù)研究進(jìn)展；根據(jù)分層結(jié)構(gòu)對比部分區(qū)塊鏈項(xiàng)目的技術(shù)選型；最后以智慧城市場景、邊緣計算和人工智能技術(shù)為代表介紹區(qū)塊鏈應(yīng)用研究現(xiàn)狀，給出區(qū)塊鏈技術(shù)挑戰(zhàn)與研究展望. ...

區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2016

企業(yè)級區(qū)塊鏈技術(shù)綜述

2019

企業(yè)級區(qū)塊鏈技術(shù)綜述

2019

A survey on blockchain-based internet service architecture:requirements,challenges,trends,and future

2019

區(qū)塊鏈安全問題:研究現(xiàn)狀與展望

2016

區(qū)塊鏈安全問題:研究現(xiàn)狀與展望

2016

Applications of blockchains in the Internet of things:a comprehensive survey

2019

Blind signature system

1984

... 加密貨幣的概念起源于一種基于盲簽名（blind signature）的匿名交易技術(shù)[6]，最早的加密貨幣交易模型“electronic cash”[7]如圖1所示. ...

How to make a mint:the cryptography of anonymous electronic cash

1997

... 加密貨幣的概念起源于一種基于盲簽名（blind signature）的匿名交易技術(shù)[6]，最早的加密貨幣交易模型“electronic cash”[7]如圖1所示. ...

Proofs of work and bread pudding protocols

1999

... 最早的加密貨幣構(gòu)想將銀行作為構(gòu)建信任的基礎(chǔ)，呈現(xiàn)中心化特點(diǎn).此后，加密貨幣朝著去中心化方向發(fā)展，并試圖用工作量證明（PoW,poof of work）[8]或其改進(jìn)方法定義價值.比特幣在此基礎(chǔ)上，采用新型分布式賬本技術(shù)保證被所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)不可篡改，從而成功構(gòu)建信任基礎(chǔ)，成為真正意義上的去中心化加密貨幣.區(qū)塊鏈從去中心化加密貨幣發(fā)展而來，隨著區(qū)塊鏈的進(jìn)一步發(fā)展，去中心化加密貨幣已經(jīng)成為區(qū)塊鏈的主要應(yīng)用之一. ...

P2P 關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

2010

... 對等網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)可分為無結(jié)構(gòu)對等網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)化對等網(wǎng)絡(luò)和混合式對等網(wǎng)絡(luò)[9]，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的邏輯拓?fù)潢P(guān)系，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也可以劃分為上述3種，如圖3所示. ...

P2P 關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

2010

Epidemic algorithms for replicated database maintenance

1988

... 傳播層實(shí)現(xiàn)對等節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的基本傳輸，包括2 種數(shù)據(jù)傳播方式：單點(diǎn)傳播和多點(diǎn)傳播.單點(diǎn)傳播是指數(shù)據(jù)在2個已知節(jié)點(diǎn)間直接進(jìn)行傳輸而不經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的傳播方式；多點(diǎn)傳播是指接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過廣播向鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的傳播方式，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)普遍基于Gossip協(xié)議[10]實(shí)現(xiàn)洪泛傳播.連接層用于獲取節(jié)點(diǎn)信息，監(jiān)測和改變節(jié)點(diǎn)間連通狀態(tài)，確保節(jié)點(diǎn)間鏈路的可用性（availability）.具體而言，連接層協(xié)議幫助新加入節(jié)點(diǎn)獲取路由表數(shù)據(jù)，通過定時心跳監(jiān)測為節(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定連接，在鄰居節(jié)點(diǎn)失效等情況下為節(jié)點(diǎn)關(guān)閉連接等.交互邏輯層是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的核心，從主要流程上看，該層協(xié)議承載對等節(jié)點(diǎn)間賬本數(shù)據(jù)的同步、交易和區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果的反饋等信息交互邏輯，除此之外，還為節(jié)點(diǎn)選舉、共識算法實(shí)施等復(fù)雜操作和擴(kuò)展應(yīng)用提供消息通路. ...

Information propagation in the bitcoin network

2013

... 隨著近年來區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的爆炸式發(fā)展以及開源特點(diǎn)，學(xué)術(shù)界開始關(guān)注大型公有鏈項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)狀況，監(jiān)測并研究它們的特點(diǎn)，研究對象主要為比特幣網(wǎng)絡(luò).Decker等[11]設(shè)計和實(shí)現(xiàn)測量工具，分析傳播時延數(shù)據(jù)、協(xié)議數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)，建模分析影響比特幣網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)層因素，基于此提出各自的優(yōu)化方法.Fadhil等[12]提出基于事件仿真的比特幣網(wǎng)絡(luò)仿真模型，利用真實(shí)測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的有效性，最后提出優(yōu)化機(jī)制 BCBSN，旨在設(shè)立超級節(jié)點(diǎn)降低網(wǎng)絡(luò)波動.Kaneko 等[13]將區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)分為共識節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，其中共識節(jié)點(diǎn)采用無結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)采用結(jié)構(gòu)化組網(wǎng)方式，利用不同組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡. ...

Locality based approach to improve propagation delay on the bitcoin peer-to-peer network

2017

DHT clustering for load balancing considering blockchain data size

2018

An analysis of anonymity in bitcoin using P2P network traffic

2014

Deanonymisation of clients in bitcoin P2P network

2014

Dandelion:redesigning the bitcoin network for anonymity

2017

... 匿名性是加密貨幣的重要特性之一，但從網(wǎng)絡(luò)層視角看，區(qū)塊鏈的匿名性并不能有效保證，因?yàn)楣粽呖梢岳帽O(jiān)聽并追蹤 IP 地址的方式推測出交易之間、交易與公鑰地址之間的關(guān)系，通過匿名隱私研究可以主動發(fā)掘安全隱患，規(guī)避潛在危害.Koshy 等[16,17]從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳播層協(xié)議和作惡模型3個方面對比特幣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了比特幣網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在樹形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下僅具備弱匿名性，在此基礎(chǔ)上提出 Dandelion 網(wǎng)絡(luò)策略以較低的網(wǎng)絡(luò)開銷優(yōu)化匿名性，隨后又提出 Dandelion++原理，以最優(yōu)信息理論保證來抵抗大規(guī)模去匿名攻擊. ...

Dandelion++:lightweight cryptocurrency networking with formal anonymity guarantees

2018

Eclipse attacks on Bitcoin’s peer-to-peer network

2015

... 區(qū)塊鏈重點(diǎn)關(guān)注其數(shù)據(jù)層和共識層面機(jī)制，并基于普通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開放的互聯(lián)環(huán)境，該方式極易遭受攻擊.為提高區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性，學(xué)術(shù)界展開研究并給出了相應(yīng)的解決方案.Heilman 等[18]對比特幣和以太坊網(wǎng)絡(luò)實(shí)施日蝕攻擊（eclipse attack）——通過屏蔽正確節(jié)點(diǎn)從而完全控制特定節(jié)點(diǎn)的信息來源，證實(shí)了該攻擊的可行性.Apostolaki等[19]提出針對比特幣網(wǎng)絡(luò)的 BGP（border gateway protocal）劫持攻擊，通過操縱自治域間路由或攔截域間流量來制造節(jié)點(diǎn)通信阻塞，表明針對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的沿路攻擊可以大大降低區(qū)塊傳播性能. ...

Hijacking bitcoin:routing attacks on cryptocurrencies

2017

... 網(wǎng)絡(luò)層主要缺陷在于安全性，可拓展性則有待優(yōu)化.如何防御以 BGP 劫持為代表的網(wǎng)絡(luò)攻擊將成為區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)的安全研究方向[19].信息中心網(wǎng)絡(luò)將重塑區(qū)塊鏈基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過請求聚合和數(shù)據(jù)緩存減少網(wǎng)內(nèi)冗余流量并加速通信傳輸[69].相比于數(shù)據(jù)層和共識層，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注度較低，但卻是影響安全性、可拓展性的基本因素. ...

Improving authenticated dynamic dictionaries,with applications to cryptocurrencies

2017

... 高效驗(yàn)證的學(xué)術(shù)問題源于驗(yàn)證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（ADS,authenticated data structure），即利用特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，實(shí)際上 MKT 也是其中的一種.為了適應(yīng)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的動態(tài)性（dynamical）并保持良好性能，學(xué)術(shù)界展開了研究.Reyzin等[20]基于AVL樹形結(jié)構(gòu)提出AVL+，并通過平衡驗(yàn)證路徑、缺省堆棧交易集等機(jī)制，簡化輕量級節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊頭驗(yàn)證過程.Zhang等[21]提出GEM2-tree結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行優(yōu)化提出 GEM2?-tree 結(jié)構(gòu)，通過分解單樹結(jié)構(gòu)、動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)計算速度、擴(kuò)展數(shù)據(jù)索引等機(jī)制降低以太坊節(jié)點(diǎn)計算開銷. ...

GEM^2-tree:a gas-efficient structure for authenticated range queries in blockchain

2019

An analysis of anonymity in the bitcoin system

2011

... 區(qū)塊數(shù)據(jù)直接承載業(yè)務(wù)信息，因此區(qū)塊數(shù)據(jù)的匿名關(guān)聯(lián)性分析更為直接.Reid等[22]將區(qū)塊數(shù)據(jù)建模為事務(wù)網(wǎng)絡(luò)和用戶網(wǎng)絡(luò)，利用多交易數(shù)據(jù)的用戶指向性分析成功降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度.Meiklejohn等[23]利用啟發(fā)式聚類方法分析交易數(shù)據(jù)的流動特性并對用戶進(jìn)行分組，通過與這些服務(wù)的互動來識別主要機(jī)構(gòu)的比特幣地址.Awan 等[24]使用優(yōu)勢集（dominant set）方法對區(qū)塊鏈交易進(jìn)行自動分類，從而提高分析準(zhǔn)確率. ...

A fistful of bitcoins:characterizing payments among men with no names

2013

Blockchain transaction analysis using dominant sets

2017

Increasing anonymity in bitcoin

2014

... 隱私保護(hù)方面，Saxena等[25]提出復(fù)合簽名技術(shù)削弱數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，基于雙線性映射中的Diffie-Hellman假設(shè)保證計算困難性，從而保護(hù)用戶隱私.Miers 等[26]和 Sasson 等[27]提出 Zerocoin 和Zerocash，在不添加可信方的情況下斷開交易間的聯(lián)系，最早利用零知識證明（zero-knowledge proof）技術(shù)隱藏交易的輸入、輸出和金額信息，提高比特幣的匿名性.非對稱加密是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全的核心，但在量子計算面前卻顯得“捉襟見肘”，為此Yin等[28]利用盆景樹模型（bonsai tree）改進(jìn)晶格簽名技術(shù)（lattice-based signature），以保證公私鑰的隨機(jī)性和安全性，使反量子加密技術(shù)適用于區(qū)塊鏈用戶地址的生成. ...

Zerocoin:anonymous distributed e-cash from bitcoin

2013

Zerocash:decentralized anonymous payments from bitcoin

2014

A anti-quantum transaction authentication approach in blockchain

2018

The sybil attack

2002

... 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)完全相同的賬本數(shù)據(jù)，然而各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時間不同、獲取數(shù)據(jù)的來源未知，存在節(jié)點(diǎn)故意廣播錯誤數(shù)據(jù)的可能性，這將導(dǎo)致女巫攻擊[29]、雙花攻擊[30]等安全風(fēng)險；除此之外，節(jié)點(diǎn)故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的數(shù)據(jù)異常也無法預(yù)測.因此，如何在不可信的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)賬本數(shù)據(jù)的全網(wǎng)統(tǒng)一是共識層解決的關(guān)鍵問題.實(shí)際上，上述錯誤是拜占庭將軍問題（the Byzantine generals problem）[31]在區(qū)塊鏈中的具體表現(xiàn)，即拜占庭錯誤——相互獨(dú)立的組件可以做出任意或惡意的行為，并可能與其他錯誤組件產(chǎn)生協(xié)作，此類錯誤在可信分布式計算領(lǐng)域被廣泛研究. ...

Double-spending fast payments in bitcoin

2012

The byzantine generals problem

1982

Consensus in the age of blockchains

... 狀態(tài)機(jī)復(fù)制（state-machine replication）是解決分布式系統(tǒng)容錯問題的常用理論.其基本思想為：任何計算都表示為狀態(tài)機(jī)，通過接收消息來更改其狀態(tài).假設(shè)一組副本以相同的初始狀態(tài)開始，并且能夠就一組公共消息的順序達(dá)成一致，那么它們可以獨(dú)立進(jìn)行狀態(tài)的演化計算，從而正確維護(hù)各自副本之間的一致性.同樣，區(qū)塊鏈也使用狀態(tài)機(jī)復(fù)制理論解決拜占庭容錯問題，如果把每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)視為賬本數(shù)據(jù)的副本，那么節(jié)點(diǎn)接收到的交易、區(qū)塊即為引起副本狀態(tài)變化的消息.狀態(tài)機(jī)復(fù)制理論實(shí)現(xiàn)和維持副本的一致性主要包含2個要素：正確執(zhí)行計算邏輯的確定性狀態(tài)機(jī)和傳播相同序列消息的共識協(xié)議.其中，共識協(xié)議是影響容錯效果、吞吐量和復(fù)雜度的關(guān)鍵，不同安全性、可擴(kuò)展性要求的系統(tǒng)需要的共識協(xié)議各有不同.學(xué)術(shù)界普遍根據(jù)通信模型和容錯類型對共識協(xié)議進(jìn)行區(qū)分[32]，因此嚴(yán)格地說，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫墓沧R協(xié)議需要解決的是部分同步（partial synchrony）模型[33]下的拜占庭容錯問題. ...

Consensus in the presence of partial synchrony

1988

... 比特幣在網(wǎng)絡(luò)層采用非結(jié)構(gòu)化方式組網(wǎng)，路由表呈現(xiàn)隨機(jī)性.節(jié)點(diǎn)間則采用多點(diǎn)傳播方式傳遞數(shù)據(jù)，曾基于Gossip協(xié)議實(shí)現(xiàn)，為提高網(wǎng)絡(luò)的抗匿名分析能力改為基于Diffusion協(xié)議實(shí)現(xiàn)[33].節(jié)點(diǎn)利用一系列控制協(xié)議確保鏈路的可用性，包括版本獲取（Vetsion/Verack）、地址獲取（Addr/GetAddr）、心跳信息（PING/PONG）等.新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時，首先向硬編碼 DNS 節(jié)點(diǎn)（種子節(jié)點(diǎn)）請求初始節(jié)點(diǎn)列表；然后向初始節(jié)點(diǎn)隨機(jī)請求它們路由表中的節(jié)點(diǎn)信息，以此生成自己的路由表；最后節(jié)點(diǎn)通過控制協(xié)議與這些節(jié)點(diǎn)建立連接，并根據(jù)信息交互的頻率更新路由表中節(jié)點(diǎn)時間戳，從而保證路由表中的節(jié)點(diǎn)都是活動的.交互邏輯層為建立共識交互通道，提供了區(qū)塊獲取（GetBlock）、交易驗(yàn)證（MerkleBlock）、主鏈選擇（CmpctBlock）等協(xié)議；輕節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行簡單的區(qū)塊頭驗(yàn)證，因此通過頭驗(yàn)證（GetHeader/Header）協(xié)議和連接層中的過濾設(shè)置協(xié)議指定需要驗(yàn)證的區(qū)塊頭即可建立簡單驗(yàn)證通路.在安全機(jī)制方面，比特幣網(wǎng)絡(luò)可選擇利用匿名通信網(wǎng)絡(luò)Tor作為數(shù)據(jù)傳輸承載，通過沿路徑的層層數(shù)據(jù)加密機(jī)制來保護(hù)對端身份. ...

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中主要包含PoX（poof of X）[34]、BFT（byzantine-fault tolerant）和 CFT（crash-fault tolerant）類基礎(chǔ)共識協(xié)議.PoX 類協(xié)議是以 PoW （proof of work）為代表的基于獎懲機(jī)制驅(qū)動的新型共識協(xié)議，為了適應(yīng)數(shù)據(jù)吞吐量、資源利用率和安全性的需求，人們又提出PoS（proof of stake）、PoST （proof of space-time）等改進(jìn)協(xié)議.它們的基本特點(diǎn)在于設(shè)計證明依據(jù)，使誠實(shí)節(jié)點(diǎn)可以證明其合法性，從而實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯.BFT類協(xié)議是指解決拜占庭容錯問題的傳統(tǒng)共識協(xié)議及其改良協(xié)議，包括PBFT、BFT-SMaRt、Tendermint等.CFT類協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)崩潰容錯，通過身份證明等手段規(guī)避節(jié)點(diǎn)作惡的情況，僅考慮節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)的崩潰（crash）故障，主要包括Raft、Paxos、Kafka等協(xié)議. ...

Blockchains consensus protocols in the wild

2017

... 非許可鏈和許可鏈的開放程度和容錯需求存在差異，共識層面技術(shù)在兩者之間產(chǎn)生了較大區(qū)別.具體而言，非許可鏈完全開放，需要抵御嚴(yán)重的拜占庭風(fēng)險，多采用PoX、BFT類協(xié)議并配合獎懲機(jī)制實(shí)現(xiàn)共識.許可鏈擁有準(zhǔn)入機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)身份可知，一定程度降低了拜占庭風(fēng)險，因此可采用BFT類協(xié)議、CFT類協(xié)議構(gòu)建相同的信任模型[35]. ...

Practical byzantine fault tolerance and proactive recovery

2002

... PBFT是 BFT經(jīng)典共識協(xié)議，其主要流程如圖8 所示.PBFT將節(jié)點(diǎn)分為主節(jié)點(diǎn)和副節(jié)點(diǎn)，其中主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將交易打包成區(qū)塊，副節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證和轉(zhuǎn)發(fā)，假設(shè)作惡節(jié)點(diǎn)數(shù)量為f.PBFT共識主要分為預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備和接受3個階段，主節(jié)點(diǎn)首先收集交易后排序并提出合法區(qū)塊提案；其余節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)證提案的合法性，然后根據(jù)區(qū)塊內(nèi)交易順序依次執(zhí)行并將結(jié)果摘要組播；各節(jié)點(diǎn)收到2f個與自身相同的摘要后便組播接受投票；當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到超過2f+1個投票時便存儲區(qū)塊及其產(chǎn)生的新狀態(tài)[36]. ...

In search of an understandable consensus algorithm

2015

... Raft[37]是典型的崩潰容錯共識協(xié)議，以可用性強(qiáng)著稱.Raft將節(jié)點(diǎn)分為跟隨節(jié)點(diǎn)、候選節(jié)點(diǎn)和領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將交易打包成區(qū)塊，追隨節(jié)點(diǎn)響應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的同步指令，候選節(jié)點(diǎn)完成領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的選舉工作.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定時，只存在領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和追隨節(jié)點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)向追隨節(jié)點(diǎn)推送區(qū)塊數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)同步.節(jié)點(diǎn)均設(shè)置生存時間決定角色變化周期，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的心跳信息不斷重置追隨節(jié)點(diǎn)的生存時間，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)發(fā)生崩潰時，追隨節(jié)點(diǎn)自動轉(zhuǎn)化為候選節(jié)點(diǎn)并進(jìn)入選舉流程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù). ...

Proofs of useful work

2017

... 如前文所述，PoX類協(xié)議的基本特點(diǎn)在于設(shè)計證明依據(jù)，使誠實(shí)節(jié)點(diǎn)可以證明其合法性，從而實(shí)現(xiàn)拜占庭容錯.uPoW[38]通過計算有意義的正交向量問題證明節(jié)點(diǎn)合法性，使算力不被浪費(fèi).PoI （proof-of-importance）[39]利用圖論原理為每個節(jié)點(diǎn)賦予重要性權(quán)重，權(quán)重越高的節(jié)點(diǎn)將越有可能算出區(qū)塊.PoS（poof-of-stake）為節(jié)點(diǎn)定義“幣齡”，擁有更高幣齡的節(jié)點(diǎn)將被分配更多的股份（stake），而股份被作為證明依據(jù)用于成塊節(jié)點(diǎn)的選舉.Ouroboros[40]通過引入多方擲幣協(xié)議增大了選舉隨機(jī)性，引入近乎納什均衡的激勵機(jī)制進(jìn)一步提高PoS 的安全性.PoRep（proof-of-replication）[41]應(yīng)用于去中心化存儲網(wǎng)絡(luò)，利用證明依據(jù)作為貢獻(xiàn)存儲空間的獎勵，促進(jìn)存儲資源再利用. ...

Comparative analysis of blockchain consensus algorithms

2018

Ouroboros:a provably secure proof-of-stake blockchain protocol

2017

Tight proofs of space and replication

A vademecum on blockchain technologies:when,which,and how

2019

... BFT協(xié)議有較長的發(fā)展史，在區(qū)塊鏈研究中被賦予了新的活力.SCP[42]和Ripple[43]基于聯(lián)邦拜占庭共識[44]——存在交集的多池（確定規(guī)模的聯(lián)邦）共識，分別允許節(jié)點(diǎn)自主選擇或與指定的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成共識聯(lián)邦，通過聯(lián)邦交集達(dá)成全網(wǎng)共識.Tendermint[45]使用Gossip通信協(xié)議基本實(shí)現(xiàn)異步拜占庭共識，不僅簡化了流程而且提高了可用性.HotStuff[46]將BFT與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相結(jié)合，使主節(jié)點(diǎn)能夠以實(shí)際網(wǎng)絡(luò)時延及 O(n)通信復(fù)雜度推動協(xié)議達(dá)成一致.LibraBFT[47]在HotStuff的基礎(chǔ)上加入獎懲機(jī)制及節(jié)點(diǎn)替換機(jī)制，從而優(yōu)化了性能. ...

A survey on consensus mechanisms and mining strategy management in blockchain networks

2019

Formal modeling and verification of a federated byzantine agreement algorithm for blockchain platforms

2019

An overview of blockchain technology:architecture,consensus,and future trends

2017

HotStuff:BFT consensus in the lens of blockchain

2019

Libra critique towards global decentralized financial system

2019

Proof of activity:extending bitcoin’s proof of work via proof of stake

... Hybrid 類協(xié)議是研究趨勢之一.PoA[48]利用PoW產(chǎn)生空區(qū)塊頭，利用PoS決定由哪些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記賬和背書，其獎勵由背書節(jié)點(diǎn)和出塊節(jié)點(diǎn)共享.PeerCensus[49]由節(jié)點(diǎn)團(tuán)體進(jìn)行拜占庭協(xié)議實(shí)現(xiàn)共識，而節(jié)點(diǎn)必須基于比特幣網(wǎng)絡(luò)，通過 PoW 產(chǎn)出區(qū)塊后才能獲得投票權(quán)力.ByzCoin[50]利用PoW的算力特性構(gòu)建動態(tài)成員關(guān)系，并引入聯(lián)合簽名方案來減小PBFT的輪次通信開銷，提高交易吞吐量，降低確認(rèn)時延.Casper[51]則通過PoS的股份決定節(jié)點(diǎn)構(gòu)成團(tuán)體并進(jìn)行BFT共識，且節(jié)點(diǎn)可投票數(shù)取決于股份. ...

Bitcoin meets strong consistency

Enhancing bitcoin security and performance with strong consistency via collective signing

2016

Casper the friendly finality gadget

Bitcoin and beyond:a technical survey on decentralized digital currencies

2016

... 側(cè)鏈（side-chain）在比特幣主鏈外構(gòu)建新的分類資產(chǎn)鏈，并使比特幣和其他分類資產(chǎn)在多個區(qū)塊鏈之間轉(zhuǎn)移，從而分散了單一鏈的負(fù)荷.Tschorsch等[52]利用Two-way Peg機(jī)制實(shí)現(xiàn)交互式跨鏈資產(chǎn)轉(zhuǎn)換，防止該過程中出現(xiàn)雙花.Kiayias 等[53]利用NIPoPoW機(jī)制實(shí)現(xiàn)非交互式的跨鏈工作證明，并降低了跨鏈帶來的區(qū)塊冗余.分片（sharding）是指不同節(jié)點(diǎn)子集處理區(qū)塊鏈的不同部分，從而減少每個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載.ELASTICO[54]將交易集劃分為不同分片，每個分片由不同的節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行并行驗(yàn)證.OmniLedger[55]在前者的基礎(chǔ)上優(yōu)化節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇及跨切片事務(wù)提交協(xié)議，從而提高了切片共識的安全性與正確性.區(qū)別于 OmniLedger，PolyShard[56]利用拉格朗日多項(xiàng)式編碼分片為分片交互過程加入計算冗余，同時實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性優(yōu)化與安全保障.上述研究可視為鏈上處理模型在加密貨幣場景下的可擴(kuò)展性優(yōu)化方案.實(shí)際上，鏈下處理模型本身就是一種擴(kuò)展性優(yōu)化思路，閃電網(wǎng)絡(luò)[57]通過狀態(tài)通道對交易最終結(jié)果進(jìn)行鏈上確認(rèn)，從而在交易過程中實(shí)現(xiàn)高頻次的鏈外支付.Plasma[58]在鏈下對區(qū)塊鏈進(jìn)行樹形分支拓展，樹形分支中的父節(jié)點(diǎn)完成子節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的確認(rèn)，直到根節(jié)點(diǎn)與區(qū)塊鏈進(jìn)行最終確認(rèn). ...

Non-interactive proofs of proof-of-work

A secure sharding protocol for open blockchains

2016

OmniLedger:a secure,scale-out,decentralized ledger via sharding

2018

PolyShard:coded sharding achieves linearly scaling efficiency and security simultaneously

A survey on the scalability of blockchain systems

2019

Scalable funding of bitcoin micropayment channel networks

2017

Making smart contracts smarter

2016

... 一方面，沙盒環(huán)境承載了區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)運(yùn)行條件，針對虛擬機(jī)展開的攻擊更為直接；另一方面，智能合約直接對賬本進(jìn)行操作，其漏洞更易影響業(yè)務(wù)運(yùn)行，因此控制層的安全防護(hù)研究成為熱點(diǎn).Luu等[59]分析了運(yùn)行于EVM中的智能合約安全性，指出底層平臺的分布式語義差異帶來的安全問題.Brent 等[60]提出智能合約安全分析框架 Vandal，將EVM 字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為語義邏輯關(guān)，為分析合約安全漏洞提供便利.Jiang 等[61]預(yù)先定義用于安全漏洞的特征，然后模擬執(zhí)行大規(guī)模交易，通過分析日志中的合約行為實(shí)現(xiàn)漏洞檢測. ...

Vandal:a scalable security analysis framework for smart contracts

2018

ContractFuzzer:fuzzing smart contracts for vulnerability detection

2018

Decentralized user-centric access control using pubsub over blockchain

2017

... 智慧城市是指利用 ICT 優(yōu)化公共資源利用效果、提高居民生活質(zhì)量、豐富設(shè)施信息化能力的研究領(lǐng)域，該領(lǐng)域包括個人信息管理、智慧醫(yī)療、智慧交通、供應(yīng)鏈管理等具體場景.智慧城市強(qiáng)調(diào)居民、設(shè)施等各類數(shù)據(jù)的采集、分析與使能，數(shù)據(jù)可靠性、管理透明化、共享可激勵等需求為智慧城市帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn).區(qū)塊鏈去中心化的交互方式避免了單點(diǎn)故障、提升管理公平性，公開透明的賬本保證數(shù)據(jù)可靠及可追溯性，多種匿名機(jī)制利于居民隱私的保護(hù)，因此區(qū)塊鏈有利于問題的解決.Hashemi等[62]將區(qū)塊鏈用于權(quán)限數(shù)據(jù)存儲，構(gòu)建去中心化的個人數(shù)據(jù)接入控制模型；Bao等[63]利用區(qū)塊鏈高效認(rèn)證和管理用戶標(biāo)識，保護(hù)車主的身份、位置、車輛信息等個人數(shù)據(jù). ...

Pseudonym management through blockchain:cost-efficient privacy preservation on intelligent transportation systems

2019

Hosting virtual IoT resources on edge-hosts with blockchain

2016

... 邊緣計算是一種將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源從云平臺遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式信息服務(wù)架構(gòu)，試圖將傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，減少業(yè)務(wù)交付的端到端時延，提升用戶體驗(yàn).安全問題是邊緣計算面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)，一方面，邊緣計算的層次結(jié)構(gòu)中利用大量異構(gòu)終端設(shè)備提供用戶服務(wù)，這些設(shè)備可能產(chǎn)生惡意行為；另一方面，服務(wù)遷移過程中的數(shù)據(jù)完整性和真實(shí)性需要得到保障.區(qū)塊鏈在這種復(fù)雜的工作環(huán)境和開放的服務(wù)架構(gòu)中能起到較大作用.首先，區(qū)塊鏈能夠在邊緣計算底層松散的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建不可篡改的賬本，提供設(shè)備身份和服務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的依據(jù).其次，設(shè)備能在智能合約的幫助下實(shí)現(xiàn)高度自治，為邊緣計算提供設(shè)備可信互操作基礎(chǔ).Samaniego等[64]提出了一種基于區(qū)塊鏈的虛擬物聯(lián)網(wǎng)資源遷移架構(gòu)，通過區(qū)塊鏈共享資源數(shù)據(jù)從而保障安全性.Stanciu[65]結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、霧計算和區(qū)塊鏈技術(shù)提出分布式安全云架構(gòu)，解決霧節(jié)點(diǎn)中SDN控制器流表策略的安全分發(fā)問題.Ziegler等[66]基于 Plasma 框架提出霧計算場景下的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展應(yīng)用方案，提升霧計算網(wǎng)關(guān)的安全性. ...

Blockchain based distributed control system for edge computing

2017

Integration of fog computing and blockchain technology using the plasma framework

2019

Blockchained on-device federated learning

2018

... 人工智能是一類智能代理的研究，使機(jī)器感知環(huán)境/信息，然后進(jìn)行正確的行為決策，正確是指達(dá)成人類預(yù)定的某些目標(biāo).人工智能的關(guān)鍵在于算法，而大部分機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法建立于體積龐大的數(shù)據(jù)集和中心化的訓(xùn)練模型之上，該方式易受攻擊或惡意操作使數(shù)據(jù)遭到篡改，其后果為模型的不可信與算力的浪費(fèi).此外，數(shù)據(jù)采集過程中無法確保下游設(shè)備的安全性，無法保證數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性與完整性，其后果將在自動駕駛等場景中被放大.區(qū)塊鏈不可篡改的特性可以實(shí)現(xiàn)感知和訓(xùn)練過程的可信.另外，去中心化和合約自治特性為人工智能訓(xùn)練工作的分解和下放奠定了基礎(chǔ)，保障安全的基礎(chǔ)上提高計算效率.Kim等[67]利用區(qū)塊鏈驗(yàn)證聯(lián)合學(xué)習(xí)框架下的分發(fā)模型的完整性，并根據(jù)計算成本提供相應(yīng)的激勵，優(yōu)化整體學(xué)習(xí)效果.Bravo-Marquez 等[68]提出共識機(jī)制“學(xué)習(xí)證明”以減輕PoX類共識的計算浪費(fèi)，構(gòu)建公共可驗(yàn)證的學(xué)習(xí)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫. ...

Proof-of- learning:a blockchain consensus mechanism based on machine learning competitions

2019

基于命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈信息傳輸機(jī)制

2018

基于命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈信息傳輸機(jī)制

2018

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比特幣(BTC) 幣價，圖表，市值以及其他指標(biāo) | CoinMarketCap

BTC) 幣價，圖表，市值以及其他指標(biāo) | CoinMarketCap加密貨幣:?2.2M+交易所:?724市值:?$2.7T0.04%24小時交易量:?$149.67B8.05%占有率:?比特幣: 52.3%?以太幣: 17.8%?ETH Gas費(fèi):?50 Gwei?Fear & Greed:?92/100加密貨幣加密貨幣排名分類全球走勢圖歷史記錄Bitcoin ETFsLeaderboards熱門最近添加領(lǐng)漲和領(lǐng)跌訪問最多NFTNFT 總體統(tǒng)計數(shù)據(jù)熱門收藏品即將進(jìn)行的銷售活動On Chain DataDEX 交易對Chain Ranking熱門 DEX 交易對交易所現(xiàn)貨衍生品DEX社區(qū)動態(tài)TopicsLives文章產(chǎn)品PRODUCTS轉(zhuǎn)換器CMC LabsTelegram Bot廣告Crypto API網(wǎng)站小組件CAMPAIGNSAirdrops鉆石獎勵學(xué)習(xí)和賺取CALENDARSICO日歷活動日歷學(xué)習(xí)新聞AcademyResearch視頻詞匯表減半倒計時：35天自選列表投資組合搜索/Bitcoin 價格?BTC￥515,114.95??0.07%?(1天)Bitcoin兌換為CNY的圖表Loading Data請耐心等待，我們正在加載圖表數(shù)據(jù) 加入自選列表 Bitcoin統(tǒng)計數(shù)據(jù)市值?0.07%￥10,123,103,419,716#1交易量（24小時）?14.43%￥395,451,863,180#2交易量/市值（24小時）?3.91%流通供應(yīng)量?19,652,125 BTC93.58%總供應(yīng)量?19,652,125 BTC最大供應(yīng)量?21,000,000 BTC完全稀釋的市值?￥10,817,413,985,207官方鏈接網(wǎng)站白皮書GitHub社交媒體Reddit評分??·??基于2家機(jī)構(gòu)的評分4.9???網(wǎng)絡(luò)信息區(qū)塊鏈瀏覽器支持的錢包UCID1??BTC兌換為CNY的轉(zhuǎn)換器BTCCNY價格表現(xiàn)24小時?最低價￥511,817.08最高價￥522,660.16歷史高點(diǎn)Mar 11, 2024 (15 hours ago)￥522,660.16-1.44%歷史低點(diǎn)Jul 14, 2010 (14 years ago)￥0.349+147593189.73%查看歷史數(shù)據(jù)熱門程度加入自選列表的次數(shù)4,657,630x27th / 9.0K標(biāo)簽MineablePoWSHA-256顯示全部更多信息您是該項(xiàng)目的所有者嗎？?更新代幣信息 Loading Data請耐心等待，我們正在加載圖表數(shù)據(jù) Bitcoin community??????????Bitcoin markets全部CEXDEX現(xiàn)貨永續(xù)合約期貨所有交易對Loading data...Show full width免責(zé)聲明：本頁面可能包含聯(lián)署營銷鏈接。如果您訪問任何此類聯(lián)署營銷鏈接，并且在這些聯(lián)署營銷平臺上進(jìn)行如注冊或交易等操作，CoinMarketCap 將可獲得報酬。請參閱《聯(lián)署營銷信息披露》。Bitcoin新聞????????????????????關(guān)于Bitcoin什么是比特幣（BTC）？比特幣是一種去中心化的加密貨幣。在2008年發(fā)布的白皮書中，由某個人或某個群體化名為中本聰（Satoshi Nakamoto），首度探討了比特幣的機(jī)制。2009年1月，比特幣正式問世。比特幣是一種基于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的貨幣，所有交易都是在平等獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)參與者之間直接進(jìn)行，而無需任何中間方的許可或促成。用中本聰自己的話來說，創(chuàng)造比特幣就是為了讓“一方無需通過金融機(jī)構(gòu)就能直接對另一方在線付款”。在比特幣出現(xiàn)之前，出現(xiàn)過一些類似的去中心化電子貨幣概念，但比特幣的獨(dú)特之處在于，它是有史以來首個被應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的加密貨幣。誰創(chuàng)造了比特幣？目前，大家公認(rèn)的比特幣創(chuàng)始人是一個化名為中本聰（Satoshi Nakamoto）的人。到今天為止，這個化名背后的人或組織的真實(shí)身份仍不得而知。2008年10月31日，中本聰發(fā)布了比特幣白皮書，其中詳細(xì)說明了如何使用這種點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)貨幣。他們/他提議使用一種分布式交易賬本，將它們分批打包（稱為“區(qū)塊”），并通過加密算法進(jìn)行保護(hù)——此后，整個系統(tǒng)被稱為“區(qū)塊鏈”。僅在2個月之后，也就是2009年1月3日，中本聰挖出了比特幣網(wǎng)絡(luò)上的第一個區(qū)塊，也就是創(chuàng)世區(qū)塊，由此誕生了世界第一個加密貨幣。不過，雖說中本聰是比特幣的創(chuàng)始人，也是首個實(shí)現(xiàn)比特幣應(yīng)用的人，但是多年來，很多人都為加密貨幣的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，包括不斷修補(bǔ)其缺陷和增加新功能。在 GitHub 上比特幣的源代碼庫中就列出了超過750名貢獻(xiàn)者，其中包括一些關(guān)鍵人物，如Wladimir J. van der Laan，Marco Falke，Pieter Wuille，Gavin Andresen，Jonas Schnelli等。是什么造就了比特幣的獨(dú)特性？比特幣最獨(dú)特的優(yōu)勢是，它是市場上出現(xiàn)的第一種加密貨幣。它成功創(chuàng)造了一個全球社區(qū)，促成了一個全新行業(yè)的誕生，讓數(shù)百萬比特幣狂熱愛好者在他們的日常生活中創(chuàng)造、投資、交易和使用比特幣以及其他加密貨幣。比特幣的出現(xiàn)奠定了概念和技術(shù)的基礎(chǔ)，激發(fā)了成千上萬的競爭性項(xiàng)目百舸爭流?，F(xiàn)在，整個加密貨幣市場的市值已超過3千億，而這正是基于比特幣所實(shí)現(xiàn)的理想化概念——在這個世界任何地方的任何人都可以付款或收錢，而無需依賴任何銀行或金融服務(wù)公司等可信賴的中間機(jī)構(gòu)。得益于它的開拓性，比特幣在其推出后十多年來始終處于這個活躍市場的頭部地位。即使比特幣失去了無法撼動的主導(dǎo)地位，但由于其交易平臺的獨(dú)特性（即提供了很多比特幣的使用功能，如錢包、交易、支付服務(wù)、在線游戲等），它仍然是市值最高的加密貨幣，其2020年的市值在1-2千億之間。流通中的比特幣數(shù)量有多少？比特幣的總供應(yīng)量受限于其軟件的特性，總量不會超過21,000,000枚。新的比特幣可以通過“挖礦”產(chǎn)生：由于交易在全網(wǎng)進(jìn)行，礦工可以找到它們，以區(qū)塊的形式打包，并經(jīng)由復(fù)雜的加密算法進(jìn)行保護(hù)。作為對其花費(fèi)計算資源的補(bǔ)償，礦工成功將區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈即可獲得報酬。在比特幣剛推出時，每新增一個區(qū)塊的獎勵是50枚比特幣：每挖出21萬個新區(qū)塊后，獎勵就會減半，這個過程耗時大概四年左右。到2020年，區(qū)塊獎勵已減半三次，降至6.25個比特幣。比特幣并不能預(yù)先開采，即比特幣在公開發(fā)行前，不存在創(chuàng)始人挖礦及分配的情況。然而，在比特幣推出后的最初幾年，礦工之間的競爭相對較小，使得比特幣網(wǎng)絡(luò)的一批早期參與者通過常規(guī)挖礦聚集了大量的比特幣：據(jù)說，中本聰自己就擁有超過一百萬枚比特幣。比特幣網(wǎng)絡(luò)安全性如何保障？比特幣是通過SHA-256算法來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。這種SHA-256算法屬于哈希算法中SHA-2家族的一種，從比特幣分叉出來的比特幣現(xiàn)金（BCH）和其他幾種加密貨幣也都使用這種算法。在哪里購買[比特幣]([BTC])？從各方面來看，比特幣幾乎是加密貨幣的代名詞，您幾乎可以在任何加密貨幣交易所使用法幣和其他加密貨幣購買或出售比特幣。以下是一些交易比特幣的主流市場：幣安網(wǎng)（Binance）Coinbase 交易所（Coinbase Pro）歐易交易所（OKEx）Kraken火幣全球站（Huobi Global）巴比特（Bitfinex）如果您是加密貨幣方面的新手，則可以參考CoinMarketCap上的簡易操作指南購買比特幣。相關(guān)信息：您比特幣的交易市場和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)嗎？請訪問我們的區(qū)塊資源管理器。您想購買比特幣嗎？請查閱CoinMarketCap指南。??????????Bitcoin分析加載中…最常瀏覽的加密貨幣ArtradeATR￥0.08072123.72%CatgirlCATGIRL￥0.00000000523228.08%EggdogEGG￥0.0547515.97%RichQUACK.comQUACK￥0.0000000093112.71%Baby ElonBABYELON￥0.00000000011314.00%OpSecOPSEC￥13.3113.89%neversolNEVER￥0.00177729.82%TABOO TOKENTABOO￥0.0242922.52%Bonk 2.0BONK2.0￥0.000000449624.83%BitcoinBTC￥515,114.950.38%DechatDECHAT￥28.4428.63%MinuMINU￥0.0000054355.53%Script NetworkSCPT￥0.27769.32%Okratech TokenORT￥0.133734.18%ArtyfactARTY￥13.8013.16%Shiba InuSHIB￥0.00023544.79%XRPXRP￥4.989.97%EthereumETH￥28,712.811.20%SolanaSOL￥1,084.221.48%WavesWAVES￥24.812.76%全球價格BTC/USDUnited States Dollar$71,799.03BTC/CNYChinese Yuan￥515,114.95大家還在看Ethereum$4,002.120.76%yearn.finance$10,350.220.61%Band Protocol$2.554.03%Gather$0.00371817.84%1irstcoin$0.000.00%GoldMint$0.034293.97%Uniswap$13.972.80%Firo$2.233.28%Chainlink$20.494.42%Oasis Network$0.17414.36%熱門Pepe$0.0000082488.51%Okratech Token$0.0185734.35%FLOKI$0.00027332.38%DEVAI$6.9657.22%Gala$0.069611.11%Bitcoin實(shí)時行情Bitcoin 今日價格為￥515,115 CNY，其 24 小時的交易量為￥395,451,863,180 CNY。我們會實(shí)時更新BTC兌換為CNY的價格。 Bitcoin 在過去 24 小時內(nèi)增長了 0.07。目前的 CoinMarketCap 排名為第 #1 位，其市值為￥10,123,103,419,716 CNY。其流通供給量為 19,652,125 BTC 個貨幣此外，供給量上限為21,000,000 BTC 個貨幣。目前 Bitcoin 交易量最大的平臺為 Binance, OKX, UEEx, Bybit, 和。您可以在我們的查找其他上市資產(chǎn)。加密貨幣貨幣Bitcoin產(chǎn)品CMC LabsChatGPT PluginCrypto API加密貨幣指數(shù)網(wǎng)站涂鴉站點(diǎn)地圖廣告公司關(guān)于我們服務(wù)協(xié)議隱私政策Cookie preferencesCookie 政策社區(qū)規(guī)則免責(zé)聲明方法論加入我們招聘中!支持申請表聯(lián)系我們常見問題解答詞匯表社交媒體X (Twitter)社區(qū)TelegramInstagramFacebookRedditTelegram? 2024 CoinMarketCap. 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Roman? 簡體中文加密貨幣:12,059 市場:34,590 市值:$2,729,797,096,387 24小時交易量:$247,809,471,806 比特幣優(yōu)勢:51.7% 歷史價格概述/價格交易所 / 交易貨幣比特幣 (Bitcoin) 歷史價格 BTC 歷史價格 / 歷史數(shù)據(jù) 比特幣比特幣 (BTC) $71,811USD (+0.16%) +$115.42 買入賭贏 Sponsored Tags:可開采的 Defi硬幣SHA256 網(wǎng)址 Explorer 1 Explorer 2 Twitter (Aug 18, 2011) Reddit (Sep 9, 2010) 源代碼 Whitepaper 首次價格 2013 四月 ($134.40) 最低價格 2013 七月 ($70.15) 最高價格2024 三月 ($70,953) 最佳年份 2017 最差年份 2018 最佳月份二月最差月份九月歷史價格比特幣表格比特幣歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù) 年份價格最高價格最低價格 Close 平均市值平均交易量最高交易量供應(yīng)量波動率 2013$255.40$1,156$65.53$754.01$3 十億$564.5 千$46.9 百萬11.6 百萬106% 2014$527.58$1,017$289.30$320.19$6.8 十億$25.1 百萬$126.3 百萬13 百萬76% 2015$272.39$495.56$171.51$430.57$3.9 十億$33.9 百萬$263.9 百萬14.3 百萬72% 2016$567.60$979.40$354.91$963.74$8.9 十億$85.9 百萬$363.3 百萬15.6 百萬49% 2017$3,983$20,089$755.76$14,156$65.9 十億$2.4 十億$22.2 十億16.3 百萬94% 2018$7,575$17,712$3,163$3,746$129.4 十億$6 十億$23.8 十億17.1 百萬83% 2019$7,376$13,971$3,375$7,201$131.6 十億$14.9 十億$47.7 十億17.8 百萬69% 2020$11,126$29,276$3,870$28,977$205.7 十億$29 十億$357.5 十億18.4 百萬94% 2021$47,436$68,743$28,768$46,266$889.3 十億$48 十億$218.9 十億18.7 百萬80% 2022$28,175$48,127$15,549$16,536$535.7 十億$25.8 十億$304.4 十億19.1 百萬66% 2023$28,840$44,632$16,560$42,233$560.6 十億$18.5 十億$258.5 十億19.4 百萬43% 2024$48,969$69,858$38,607$68,949$963.9 十億$31.4 十億$89.6 十億19.6 百萬23% 比特幣年度回報年份開始結(jié)束回報 % 2013$135.30$754.01 2014$754.97$320.19 135.79% 2015$320.43$430.57 -25.58% 2016$430.72$963.74 -55.31% 2017$963.66$14,156 -93.19% 2018$14,112$3,746 276.77% 2019$3,815$7,201 -47.03% 2020$7,200$28,977 -75.15% 2021$29,310$46,266 -36.65% 2022$47,663$16,536 188.24% 2023$16,615$42,233 -60.66% 2024$44,169$68,949 -35.94% 比特幣每月年份 1 月 2 月 3 月 4 月五月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 2013 2.73% O:$135.30 C:$139 -7.19% O:$139 C:$129 -25.00% O:$128.82 C:$96.61 8.80% O:$97.51 C:$106.09 27.44% O:$106.21 C:$135.35 -1.58% O:$135.14 C:$133 53.75% O:$132.68 C:$204 453.91% O:$203.90 C:$1,129.43 -33.21% O:$1,128.92 C:$754.01 2014 9.93% O:$754.97 C:$829.92 -33.71% O:$828.61 C:$549.26 -16.90% 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C:$1,071.79 25.77% O:$1,071.71 C:$1,347.89 69.58% O:$1,348.30 C:$2,286.41 8.41% O:$2,288.33 C:$2,480.84 15.36% O:$2,492.60 C:$2,875.34 63.81% O:$2,871.30 C:$4,703.39 -7.72% O:$4,701.76 C:$4,338.71 49.01% O:$4,341.05 C:$6,468.40 58.88% O:$6,440.97 C:$10,233.60 38.81% O:$10,198.60 C:$14,156.40 2018 -27.57% O:$14,112.20 C:$10,221.10 1.57% O:$10,237.30 C:$10,397.90 -32.85% O:$10,385 C:$6,973.53 31.95% O:$7,003.06 C:$9,240.55 -18.99% O:$9,251.47 C:$7,494.17 -14.62% O:$7,500.70 C:$6,404 21.35% O:$6,411.68 C:$7,780.44 -9.64% O:$7,769.04 C:$7,020.43 -5.64% O:$7,016.49 C:$6,620.57 -3.93% O:$6,619.08 C:$6,359.21 -36.70% O:$6,359.47 C:$4,025.61 -7.02% O:$4,028.48 C:$3,745.62 2019 -8.01% O:$3,745.11 C:$3,445.09 12.08% O:$3,446.13 C:$3,862.59 5.97% O:$3,863.57 C:$4,094.25 29.89% O:$4,092.27 C:$5,315.61 60.67% O:$5,326.06 C:$8,557.38 26.30% O:$8,555.27 C:$10,805.10 -6.92% O:$10,834.30 C:$10,084.28 -3.28% O:$10,080.32 C:$9,749.40 -14.20% O:$9,748.64 C:$8,364.08 9.20% O:$8,380.28 C:$9,151.00 -17.50% 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$1.3 萬億 03/07/2024 $66,046 $67,867 $65,703 $66,857 $44.1 十億 659,694 $1.3 萬億 03/06/2024 $63,792 $67,497 $62,905 $66,099 $61.6 十億 935,578 $1.3 萬億 03/05/2024 $68,183 $68,829 $60,910 $63,840 $89.6 十億 1,353,487 $1.3 萬億 03/04/2024 $63,120 $68,349 $63,008 $68,224 $66 十億 1,010,606 $1.3 萬億 03/03/2024 $61,989 $63,204 $61,508 $63,096 $26.2 十億 421,796 $1.2 萬億 03/02/2024 $62,378 $62,382 $61,643 $62,000 $24 十億 387,676 $1.2 萬億 03/01/2024 $61,179 $62,830 $60,819 $62,446 $38.5 十億 621,611 $1.2 萬億 02/29/2024 $62,367 $63,474 $60,557 $61,274 $59.7 十億 961,367 $1.2 萬億 02/28/2024 $57,056 $63,613 $56,713 $62,479 $77.9 十億 1,314,035 $1.2 萬億 02/27/2024 $54,520 $57,489 $54,462 $57,025 $46.6 十億 825,755 $1.1 萬億 02/26/2024 $51,734 $54,836 $50,956 $54,468 $34.1 十億 651,942 $1 萬億 02/25/2024 $51,594 $51,937 $51,338 $51,746 $15.9 十億 308,244 $1 萬億 02/24/2024 $50,745 $51,653 $50,608 $51,588 $14.2 十億 277,210 $1 萬億 02/23/2024 $51,305 $51,500 $50,643 $50,773 $21.6 十億 423,583 $1 萬億 02/22/2024 $51,823 $52,001 $51,018 $51,329 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