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区块链和分布式账本技术

2020-02-14 ·1297次阅读 ·读完需要27分钟

中本聪(Satoshi Nakamoto)于2008  年出版了  《  比特币白皮书》。第一个比特币区块于2009年被开采。由于比特币协议是开源的,因此任何人都可以使用该协议,对其进行分叉(修改代码)并启动自己的P2P货币版本。


比特币区块链的这种开源质量促成了这样一个事实,多年来,比特币协议已被修改了数百次,以创建更快或更匿名的替代比特币版本,例如“ Zcash”和“ Litecoin” 。在某个时候,很明显,底层的区块链协议提供了一个操作系统,该操作系统允许一群彼此不认识或不信任的人围绕特定目标组织自己,不仅是没有银行的钱。


因此,许多项目试图将区块链技术用于其他类型的P2P值转移,例如在没有Sia网络的情况下没有Amazon Web Services的分散文件存储,或没有Facebook,Twitter等的社交网络,如“ Steemit ” 的情况。这个想法出现了,它摆脱了只有一个智能合约的单用途区块链,而是创建了一个协议,在该协议中您可以在同一区块链上构建任何类型的P2P交易。一些最有趣的早期项目是“ 有色硬币 ”和“ 万事达币 ””。他们的想法是将比特币用作任何类型的经济交易或法律合同的交易代币。参与了这些项目一段时间的Vitalik Buterin意识到,对比特币区块链的这些改编是可能的,但不够高效和灵活。随后,他介绍了将智能合约功能与区块链功能分离的想法,并启动了以太坊项目。


因此,以太坊网络提供了比比特币区块链和派生专用区块链更灵活的开发环境。它是一个P2P网络,可以处理任何类型的智能合约,只需几行代码即可轻松创建它,而无需创建自己的专用区块链基础架构。与以单一智能合约为单一功能(P2P汇款)设计的比特币不同,以太坊区块链被设计为去中心化的计算机网络,可以在其上编程任何种类的智能合约,从而实现任何形式的价值直接交换。


与比特币和其他单用途区块链相反,以太坊将这个智能合约层解耦,该层现在在底层的以太坊区块链之上运行,使得仅需几行代码即可轻松创建智能合约。以太坊的出现启发了许多新的区块链项目来开发类似的智能合约网络。此类项目的示例包括:“ Cardano ”,“ Neo ”,“ EOS ”,“ Hyperledger Fabric”“, 还有很多。评估其可行性将涉及许多因素-技术,经济和法律因素。尚不清楚哪种以太坊替代解决方案将变得流行,是否将有一个“赢家通吃”的场景,或者我们是否将有多种标准需要工作。


就目前而言,以太坊似乎具有最大的吸引力,并且是许多开发人员的先发优势,但这可以很快改变。此外,出现了具有完全不同类型的共识机制的替代分布式账本技术,例如有向无环图(DAG),它们不再需要创建区块链,而是使用替代的加密经济机制达成共识。像“ IOTA ”,“ Byteball ”或“ Nano”这样的项目“, 例如。另一方面,诸如银行,保险公司以及许多供应链重工业等私营机构意识到,通过分布式分类帐进行集体数据存储和管理的概念作为一种行业协作工具可能非常有用。与公共和无许可的区块链相反,行业开始设计许可的区块链,其中所有验证者都是财团的成员,或者至少是同一组织的独立法人实体。


但是,在许可分类账和私人分类账的背景下,“区块链”一词备受争议和争议。批评者质疑,是否应该将一个经授权的分类帐(该分类帐完全视为一个区块链),即您在这里拥有权威的信任。支持或私有区块链的支持者认为,术语“区块链”可以应用于将数据批处理为哈希交易区块的任何数据结构。虽然公共分类帐通过数学方式建立信任,但通过一种激励个人行为以达成集体目标的共识机制,允许分类帐集中管理,而不使用“数学上的信任”。他们使用“默认情况下的合法合同信任”或“信誉信誉”。但是,无论是公共的还是私有的,最小公分母是分布式数据存储和数据验证的原理。这就是为什么术语“分布式分类帐技术”(DLT)出现来作为描述来自比特币区块链的技术的更笼统的术语的原因。它们可能被许可,或者例如在IOTA的情况下,根本不使用区块链。


PoW的替代共识机制

比特币的“工作量证明”是突破性的,因为它解决了“拜占庭将军问题”,但这是有代价的。虽然它可以保证不受信任的网络的安全性,但它速度慢,耗能大,并且偏爱那些拥有更多经济资源的人。这就是为什么许多研究人员和开发人员开始在这种突破性的“工作量证明”概念的基础上探索替代共识机制的原因,同时试图应对比特币的一些主要挑战。


需要解决的研究问题是:


我们如何就大多数人接受的一种历史版本达成共识?合作的经济动机是什么?确保所有人保持系统完整的收益机制(经济激励措施)是什么?

如何将稀缺的自然资源(如电力和CPU)与网络资源对齐,以防止恶意行为者以不良行为向系统发送垃圾邮件?

安全性从何而来?

什么是安全风险和攻击媒介?

尽管正在尝试许多不同的共识算法,但“工作量证明”和“权益证明”是目前使用最广泛的共识机制。但是,必须注意的是,使用相同通用共识机制的不同区块链可能具有不同的规范。


股权证明

权益证明是一种共识机制,其中只有在网络中具有财务利益的网络参与者才能在区块链中添加区块。用户必须牺牲自己的一定数量的网络令牌来生成区块,而不是牺牲精力来验证区块。在钱包中持有代币代表一个人的股份。“权益证明”实现有多种变体。


早期的PoS建议假定那些在系统中拥有更多股份的人自然有动机在验证交易和编写区块时以真实的方式行事。代币持有者应该对该网络的成功感兴趣;否则,如果他们做出不正确的贡献,他们在系统中的股份就会贬值。假定拥有的令牌越多,如果网络受到攻击,则拥有的令牌就越多。因此,投票权与网络中所持股份的数量成正比。但是,原始的“权益证明”机制存在一个问题:与PoW相反,PoW的采矿成本很高,因此将精力浪费在不会赚钱的分叉上并不明智, PoS没有这样的规定。


虽然在PoW中,验证程序要在每个可能的fork上进行构建都在计算上昂贵,但在权益证明中却相反。无需计算密集型工作即可创建一个块。假定验证者没有什么损失,但有很多要赢。“ Peercoin”是第一个引入“权益证明”的项目。随后的其他实现方式可在Tendermint(“ Cosmos”),Ouroboros(“ Cardano”),“ Tezos”,“ Dfinity”,“ Nxt”,“ BlackCoin”,“ NuShares / NuBits”,“ Qora”中找到。具有不同的属性。诸如“ Decred”之类的东西结合了“工作量证明”和“权益证明”的元素。


以太坊项目计划使用硬叉(称为Casper)从“工作量证明”过渡到“权益证明”,并针对如何完成工作提出了不同的建议:


Casper FFG(Friendly Finality Gadget),是PoS和PoW的混合版本,其中验证器每隔50个块会创建一个检查点,从而创建一个新的创世块;

Casper TFG(友好的幽灵),它要求验证者放入一定数量的ETH作为存款,以便能够创建区块。验证者的任何恶意尝试都可以调用智能合约来销毁存入的金额。该提议基于这样的假设,即担心受到惩罚会使核对者保持诚实,从而解决了“一无所获”的问题。

委托权益证明(DPoS)和PoS的其他变体

首次由“ BitShares”实施的委托权益证明(DPoS)是PoS的一种更彻底的变化。验证者不会相互竞争以创建交易块。这是代议制民主,代币持有者(利益相关者)可以投票给验证者。代币持有人不对单个区块的有效性投票,而是投票选举代表代表进行验证。通常,有21至101位当选的代表可能会定期洗牌或下达命令以送交他们的座席。这意味着建立了一个受信方小组,所有成员都可以创建座席,并防止非受信方创建座席。 。除了在验证块上进行竞争之外,每个委托都有指定的时隙来发布其块。如果代表连续错过其区块或发布无效交易,代币持有者可以撤回代表的投票。通过部分集中块的创建,DPoS可以比大多数其他共识算法快几个数量级。代表不能更改事务,但是他们可以否决特定事务,使其不包含在下一个网络块中。不同的网络使用其DPoS的73种变体,例如“ Steemit”,“ EOS”和“ Lisk”。


“权益证明”还有更多变体,其中大多数仅是概念性的,或者仅由一个网络实施:“租赁的权益证明”,“作为权益证明的交易”,“证明”重要性”,“容量证明”,“重量证明”,“权限证明”,“经过时间证明”。


拜占庭容错等。

另一组共识机制是拜占庭容错的变体,例如联邦拜占庭协议(“ Stellar”,“ Ripple”),实用拜占庭容错(“ Hyperledger Fabric”)和dBFT(委派拜占庭容错), NEO”。一些其他替代协议使用了多种机制的组合,例如Hashgraph(异步拜占庭容错,八卦协议,虚拟投票)。


达格

此外,还有一系列使用有向非循环图(DAG)的协议,例如“ IoT链”,“字节球”,“块格”(Nano)和“ IOTA”(Tangle)。DAG的共识机制与区块链根本不同。有向非循环图不是将数据捆绑在一起然后逐个确认的块,而是需要新添加的数据来引用和验证过去的数据。通常,每个新事务都必须引用并验证之前的两个事务。这样,网络就形成了一个汇合和确认交易的图表。如果一个人错误地验证了过去的交易,则其他参与者无法确认自己的交易。详细解释上面列出的每种共识机制都超出了本书的范围,因此需要专门的书来比较不同的共识机制。关于这些协议的学术文献仍然匮乏,并且许多协议都是实验性的。有些没有适当的文档,仅被一个项目使用,有时没有经过适当的研究,也没有经过学术同行的审查。


有没有令牌?

随着对原始比特币协议使用修改后的治理规则的衍生技术的出现,似乎有必要对不同的分布式分类帐解决方案进行分类。主要区别是围绕谁被允许


验证交易

将交易记录到分类账,以及

阅读交易。

根据分类帐的类型,答案将有所不同。为简单起见,我们可以说在公共网络中任何人都可以验证,写入和读取交易。而在专用网络中,只有受邀成员才能验证,写入和读取交易。混合变化也是可能的。一个例子是验证和写入区块链仅是邀请,但至少读取选定的交易是公开的。


公共和无许可的区块链协议是在每个人都可能受到腐败,并且最不常见的标准是金钱的假设下设计的。加密经济机制允许创建一种新型的全球治理工具,该工具受到与创建本机令牌相关的经济激励措施的引导。本地令牌的作用是鼓励一群互不认识或互不信任的人围绕特定的区块链或类似的公共分类账目的组织自己,而无需集中机构。因此,代币是激励计划的组成部分。在公共区块链中,未经中央实体许可的任何人都可以:


只需从Internet下载代码,即可在其本地设备上运行完整节点,以验证网络中的交易。

只需在设备上安装应用程序,即可进行一系列交易,将数据写入区块链,从而参与共识过程(“工作量证明”),并在此过程中获得网络令牌。

下载一个钱包并通过网络发送交易,如果有效,希望看到它们包含在区块链中。

使用公共区块浏览器软件查看区块链上发生的所有交易,或对存储在完整节点上的所有区块链相关数据进行链分析(大数据)。

尽管令牌化激励措施使不受信任的网络变得安全,但也使它们变得非常缓慢。公用和无权限网络每秒只能处理少量事务,这使其对于具有高事务量的大规模应用程序是不可行的。在撰写本书时,比特币和以太坊每秒只能处理不到十二笔交易,但是Visa和类似的结算解决方案在高峰时间将需要数十万笔交易。但是,当前提出了各种技术解决方案来解决这些可伸缩性问题。


另一个问题围绕着如何生成此网络中的信任关系:


1.算法信任

2.默认情况下信任法律合同。


由于缺乏现有的法律关系,公共网络要求通过“工作量证明”等共识机制来保证算法信任。参与共识协议的所有节点都是不可信的,因为它们事先是未知的。这种设置的共识机制必须考虑恶意。


令牌是使此不受信任的参与者网络具有抵抗力的基本机制组件。另一方面,私人分类帐和许可分类帐具有带有双边合同协议的联合设置。这是一个仅限邀请会员的俱乐部。任意参与者都无法访问该网络。成员彼此信任是因为他们彼此之间具有双边合同协议,如果出现任何问题,他们知道可以起诉谁。因此,许可的分类帐不需要令牌来激励协调的行动,而对于无许可的网络则是不可或缺的。预先知道所有参与节点的身份的事实为抵御“ sybil攻击”提供了自然的保护。因此,私人分类帐和许可分类帐每秒可以结算更多交易,因为他们不必处理未知数量的匿名节点。它们还提供了比当前最先进的公共区块链更多的隐私。


许可的分类帐主要由行业财团使用。交易验证是由一组预先选定的参与者进行的,例如,六十个金融机构,每个金融机构都经营一个节点,并且其中四十个必须在每个区块上签名才能使该区块有效。根据行业和用例,读取分类账数据的权利可能是公开的,部分公开的或仅限于参与者。虽然大多数区块链文献对许可和非许可进行了二进制区分,但我想指出,没有100%的非许可之类的东西。


每种共识机制都需要一个最低的投资门槛,以便能够验证交易或写入分类账。世界上大多数人没有经济手段来购买足够强大的专用硬件来开采比特币。即使对于仅验证公共区块链中的交易且不需要与挖掘节点相同水平的硬件投资的完整节点,也需要投资到常规PC上。在撰写本书时,购买一台PC意味着您必须花费至少几百欧元13来验证交易。虽然500欧元对于一个普通的欧洲家庭来说不是很多钱,但它超过了世界相当一部分人口的月收入。更不用说采矿计算机所需的成本了。


基于“权益证明”的共识是公开的,但并非完全未经许可。共识机制要求您拥有最少数量的网络令牌,才有资格验证交易。因此,“无权限”是一个相对术语,我们不能以二进制方式使用,而只能是一个渐变,范围从较少允许到完全允许。在如此早期的区块链技术中,许可的解决方案在希望建立在分布式账本上但受政府监管的高度管制行业中可能很有用。行业倡导者声称,联合解决方案可以提供传统金融机构更高水平的效率,安全性和欺诈问题。


私有区块链不太可能会彻底改变金融系统,但它可能会取代旧系统,从而使整个行业更加高效。一旦基础技术变得更具可扩展性和成熟性,得到监管机构的更好理解,并且人们发展了更多的专业知识和信任,这也可能成为广泛采用公共和无许可的区块链基础设施的基础。目前尚不清楚该技术在中长期内如何推广。有人预测,在1990年代初,允许私有的分类帐可能会遭受Intranet的命运,当时私有公司建立了自己的私有网络,因为它们害怕与公共Internet连接。随着时间的流逝,这种恐惧消失了。如今,Intranet仅在需要高级别安全性的情况下使用。


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