区块链技术架构共识和未来趋势概述

学术界和工业界都将加密货币视为他们最新的热门词汇。比特币的资本市场评估显示，在2016年取得了100亿美元的成功。通过专门设计的、使用区块链技术的存储结构，可以无需第三方介入即可参与比特币网络交易。区块链于2008年出现，并于2009年实施。通过区块链处理的所有交易都存储在一个维护区块链的开放账本系统中。每次将新区块添加到当前结构时，链就会扩展。

区块链技术具有四个基本属性，包括去中心化、持久性、匿名性和可审计性。这些属性的组合使得区块链能够大幅降低成本，同时提高运营效率。使用区块链的支付过程无需银行介入或任何中间人即可完成，同时支持包括数字资产、汇款和在线支付，以及智能合约、公共服务和物联网 (IoT)、声誉系统和安全服务。首先，区块链是不可篡改的。一旦区块链将其交易记录包含在内，就无法修改或更改。通过提供高可靠性和诚实性，企业可以利用区块链通过其平台吸引新客户。区块链作为一个分布式系统运行，这意味着故障是分布式的。将合同部署到区块链上将允许矿工在部署后自动执行。

区块链技术在构建未来互联网系统方面展现出巨大潜力，但目前面临着一些技术障碍。存在几个技术挑战。可扩展性是需要解决的主要问题。目前，每个比特币区块的维护限制其大小为1 MB。区块需要经过挖矿过程，并且大约每十分钟才能准备好。在比特币网络上完成的每笔交易，其最大速度为每秒七笔交易。

该系统处理高频交易操作的能力较弱。增加区块大小需要更多的系统存储空间。并且网络传播速度较慢。由于很少有用户愿意维护这个系统，网络将逐渐变得中心化。

安全问题由于区块大小要求的两难境地而成为一个重大挑战。其次，矿工通过“自私挖矿”策略成功获得了高于其应得区块奖励的利润。

区块矿工选择隐藏其挖矿数据，以便在后续期间获得更高的收入。当分支频繁形成时，很可能发生多次分支事件，这会阻碍区块链的发展。

需要开发多种解决方案来解决这个问题。分析表明，工作量证明和权益证明共识协议目前在其保持当前有效性方面遇到了严重困难。工作量证明消耗过多的电力，而“富者愈富”的局面可能会随之产生。权益证明共识过程。可以在博客、维基、论坛帖子、代码、会议论文集和期刊文章中找到多种类型的区块链相关文献。Tschorsch 等人的作者对包括比特币在内的去中心化数字货币进行了技术分析。

区块链的关键特性

1. 去中心化：传统的中心化交易系统要求所有交易都由其中心可信机构进行验证。来自中央银行等可信实体的中央批准是该系统的主要特征，这会导致服务器总部的成本和运营障碍。区块链在没有中心服务器第三方干预的情况下运行。
2. 持久性：交易验证迅速完成，而无效交易会自动被诚实挖矿参与者拒绝。区块链可以防止对已包含交易的任何合理尝试性修改或减少。网络矿工可以立即检测到包含无效交易的区块。
3. 匿名性：用户通过系统生成的地址与区块链进行交互，从而提供匿名性，因为地址隐藏了用户的真实身份。
4. 可审计性：比特币区块链内的用户余额使用未花费交易输出 (UTXO) 方法存储。区块链过程接收当前交易并记录它们，将上述未花费交易变为已花费状态。现有区块链基础设施的三种主要类别包括公有链、私有链和联盟链。公有链的记录对公众完全可见。
5. 共识：共识过程存在于广泛的公众视野中，并有充分的参与可能性。不同的是，只有一组预先选定的节点。联盟链的共识过程仅涉及选定的实体。至于私有链，只有那些通过组织的公告才能在加入之前通过共识过程。私有链的管理依赖于一个组织来维护完整的网络控制。
6. 共识确定。公有链的每个系统节点都可以参与共识验证。网络中选定的节点在联盟链中执行区块验证过程。对于私有链，只有一个组织完全控制并确定该系统中的最终共识。
7. 联盟：由多个组织创建的区块链实现具有部分去中心化特性，因为选择限制了参与共识确定以确定共识的节点。
8. 读取权限：公有链向观察者显示所有交易，但私有链取决于特定情况下的可见性访问私有链或联盟链。
9. 不可篡改性：存储记录的大量参与者使得在公有链中篡改交易行为几乎不可能。由于参与者数量有限，私有链和联盟链中的交易可能会被操纵。由于联盟链和私有链的参与者选择有限，因此干扰交易很容易实现。
10. 效率：由于公有链网络中存在大量节点，区块传播和交易确认需要较长时间。由于这个过程，高交易吞吐量和延迟成为限制。通过更少的验证者，联盟链和私有链可以更高效。
11. 中心化：去中心化是其主要区别，是三种区块链变体之间的根本区别，因为公有链在没有中心化的请款下运行。
    私有链完全中心化运行，因为单个组控制其操作，而联盟链则显示单个组的部分中心化。
12. 共识过程：全世界的所有人都有机会参与公有链的共识过程。与公有链不同，存在联盟链和私有链的许可状态。公有链的开放性使其能够吸引众多用户，从而实现高度活跃的社区管理。每天都会出现许多新的公有链。商业界有许多应用适合使用联盟链技术。

共识算法

区块链技术将拜占庭将军问题转化为不可信网络节点之间的协议过程。

一些将军决定进攻，而另一些将军则保持防御姿态。如果不是所有将军都参与围攻这座城市，那么进攻计划就不会成功。将军们需要就他们是应该进攻还是撤退达成协议。然而，在分布式环境中达成协议被证明是一项复杂的工作。区块链平台的分布会阻碍在框架内达成共识。作为其设计的一部分，区块链系统缺乏一个中央控制节点来保证所有分布式账本条目保持同步。必须实施一些协议来确保分布式账本在不同节点之间保持同步。存在各种标准程序供区块链系统在其组件之间建立协议。

共识方法

1. 比特币网络实施工作量证明 (PoW) 作为其共识机制，因为去中心化网络需要一种方法来选择交易的记录实体。确定选择的基本方法取决于随机性。选择过程容易受到攻击。
2. 希望分发区块交易的节点需要完成大量的计算任务，以证明其对网络攻击的安全性。用于验证的劳动通常涉及计算机处理。网络节点通过执行计算操作来完成区块头哈希值的计算，即区块头的哈希值。
3. 每个区块头包含一个 nonce，矿工需要频繁更改此 nonce 来验证其交易并获得不同的哈希值。通过共识进行的验证系统要求计算结果等于或低于预设阈值给定的值。达到目标值的节点会将区块传输给其他节点，其他所有节点都必须对其进行验证。
4. 网络要求所有成员验证哈希值是否匹配，而不是单个节点。在去中心化共识系统中，多个网络节点几乎同时找到合适的 nonce 并同时生成有效的区块。
5. 几乎同时找到 nonce。同时生成有效区块的过程会导致创建新分支，如图3所示。然而，不太可能
6. 在 PoW 协议运行期间，两个竞争性分叉会同时创建下一个区块，但包含最新添加的链将被接受为合法链。
7. 被判定为真实的。U4 和 B4 区块同时验证时会产生一个分叉。矿工会持续挖矿并继续创建区块，以确定最长的可用路径。在 U4 上运行的区块矿工将切换到 B4B5，因为该分支的持续时间更长。
8. 虽然 PoW 需要许多矿工执行大量计算，但这种详尽的工作会导致大量资源浪费。已开发了一些包含可行副作用的工作量证明协议，以减少资源浪费。权益证明系统 PoS 使用网络货币所有权作为证明来节省矿工的能源。
9. 此外，网络成员的货币持有量被视为防止系统受到攻击的一种预防因素。这种账户余额选择方法显示出不公平性，因为拥有最大账户余额的人将成为主导网络成员。
10. 形成下一个区块的选择过程旨在结合不同的方法，包括权益大小，这决定了哪个组将创建下一个区块。复制算法 PBFT 作为一种容忍拜占庭故障的系统，具有实际拜占庭容错能力。PBFT 共识算法作为 Hyperledger Fabric 的共识协议运行，因为它能够抵御高达三分之一的恶意拜占庭副本的攻击。新区块的选择在一个回合中进行。主节点将根据每个回合的规则进行选择。并负责对交易进行排序。

DPOS（委托权益证明）

• PoS 直接通过选民选择进行操作，而 DPOS 则将代表作为核心网络决策过程。
• DPOS 是一个代议制民主。每个利益相关者通过其选择的代表来执行区块验证和创建。通过显著
• 验证过程中节点数量少，加快了区块确认速度，保证了交易的快速确认。
• 选定的代表可以管理网络的区块大小和区块间隔设置。此外，投票机制使用户能够轻松替换不诚实的代表，而无需对此系统感到担忧。Bitshares 的运行基础来自于 DPOS。
• Ripple 通过在整体网络框架内运行的独立的可信子网络来组织其共识过程。网络节点充当加入共识进程的服务器实体或仅执行资金转移的客户端实体。唯一节点列表 (UNL) 作为系统中每个服务器的独特节点列表。服务器依赖于唯一节点列表正常运行。只有在注意到 UNL 节点提供 80% 的同意后，服务器才会处理交易，然后服务器将交易放入账本。如果其唯一节点列表中的故障节点少于所有节点的 20%，则该节点将维护正确的账本。Tendermint 作为一种旨在实现损坏系统之间共识的协议。每个回合都有指定的新区块选择过程。回合选择过程选择一个提议者来广播未确认的区块。

协议分为三个顺序阶段，从

1. 预投票阶段：各个验证者决定是否为建议的区块分发预投票。
2. 预提交阶段：节点获得超过 2/3 的先前批准后继续进行广播。然后，节点在记录了对建议区块的足够总票数后，发送对该区块的预提交。节点在收到超过 2/3 的先前响应后会进入广播重新提交，然后进入提交阶段。
3. 提交阶段：如果节点收到 2/3 的提交，它将接受该区块，并根据其验证该区块是有效的。与 PBFT 不同，他们必须锁定他们的硬币才能成为节点。一旦确定验证者不诚实，就会受到惩罚。

挑战与最新进展

然而，尽管区块链的潜力巨大，区块链也面临许多挑战，因此区块链的广泛使用尚未开放。

A. 可扩展性

• 据估计，交易数量日益增加，这使得区块链变得庞大。每个节点都必须存储所有信息，以检查当前交易的来源是否未花费，因此他们在验证交易时不会执行任何检查。
• 此外，区块原始大小的限制和建立新区块的时间限制了比特币区块链的处理能力，约为每秒七笔交易，而这并不能满足实时数百万笔交易的需求。
• 然而，区块容量非常小，小额交易可能需要很长时间才能排在前面供矿工选择，因为他们会更倾向于选择交易费用较高��的交易。

B. 隐私泄露

• 使用区块链可以通过公钥和私钥来保护一定程度的隐私。用户通过它们进行交易。然而，如前所述，区块链无法在不暴露真实身份的情况下提供私钥和公钥。
• 由于所有交易的价值以及每个公钥的余额都是公开的，这保证了交易的隐私。
• 更重要的是，这项最新研究已间接将用户的比特币交易与用户的身份信息相关联。
• 此外，Biryukov 等人展示了一种确定用户化名与IP 地址相关联的技术。即使在用户位于
• 例如，即使使用NAT 或防火墙，也可以通过客户端连接到的节点集唯一地识别每个客户端。然而，这个集合可以被学习以定位交易的来源。

C. 自私挖矿

• 自私挖矿攻击是区块链可能遭受的攻击之一。Eyal 和 Sirer 表明，尽管哈希能力中的欺骗性较低，但网络仍然容易受到攻击。在自私挖矿策略中，不会暴露危险的私有分支，并且自私矿工会保留挖到的区块而不进行广播。
• 如果满足某些要求，那么私有分支就更好，因为它比公共链更长；所有矿工都会接受它。无用的分支，即私有区块链，在公共区块链发布之前被铸造，诚实矿工会在上面浪费资源。
• 自私矿工在没有竞争对手的情况下挖自己的私有链。这种情况很普遍，自私矿工可以获得更高的收入。