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区块链原理及其核心技术

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文献出处
计算机学报  2021年01期
关键词
区块链论文  比特币论文  密码学论文  共识算法论文  网络论文  区块链应用论文
论文摘要

随着第一个去中心化加密货币系统——比特币系统自2009年上线成功运行至今,其背后的区块链技术也受到广泛关注.区块链技术独有的去中心化、去信任的特性,为构建价值互联平台提供了可能.在比特币白皮书中,区块链的概念十分模糊,而现有的一些介绍区块链的文章中,也多从抽象层次进行介绍,对于更深入的后续研究提供的帮助十分有限.本文首先将区块链技术从具体应用场景中抽象出来,提取出其五层核心架构,并就其中数据、网络、共识三层基础架构作详细说明.这三层架构包含了区块链系统中的三大核心技术:密码学、共识算法、网络.文中介绍这三种技术的研究现状,能够使读者迅速了解区块链技术的发展状况,并能根据自己的需要进行深入阅读.最后,介绍了区块链目前的应用现状和技术展望.

论文目录
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1 引言
2 运作机制
  2.1 概述
  2.2 比特币系统运作机制
    2.2.1 比特币的核心数据结构——账本
      (1)交易
      (2)区块和区块链
    2.2.2 比特币运作机制
  2.3 区块链系统运作机制
    2.3.1 核心数据结构
      2.3.1. 1 链式结构
      2.3.1. 2 树状结构
      2.3.1. 3 图状结构
    2.3.2 区块链系统角色
    2.3.3 区块链运作机制
    2.3.4 区块链分类
3 核心技术
  3.1 区块链密码学
    3.1.1 概述
    3.1.2 区块链密码学核心技术
  3.2 区块链共识机制
    3.2.1 从中心化到去中心化
    3.2.2 分布式系统基础
    3.2.3 区块链共识框架
      3.2.3. 1 记账节点选取算法
    (1) Proof of Work算法
    (2) Proof of Stake算法
      (Ⅰ)哈希计算
      (Ⅱ)基于可验证秘密共享的G.O.D coin tossing+follow-the-satoshi
      (Ⅲ) VRF
    (3) Proof of Space算法
    (4) Proof Of Retrievability算法
    (5) Proof of Luck算法、Proof of Elapsed Time算法
    (6) DPOS算法
    (7) Proof Of Useful Work算法
      3.2.3. 2 区块生成算法
    (1)PBFT类
    (2) Raft、Paxos
    (3)分时间片选择
    (4)混合共识出块
      3.2.3. 3 区块选取算法
    (1)链式结构
    (2)树状结构
    (3)图状结构
      3.2.3. 4 激励机制
    3.2.4 共识框架抽象模型
      3.2.4. 1 基于算力的共识抽象模型
    (1) UC模型
    (2)博弈论
      3.2.4. 2 基于权益证明共识模型的分析
    (1) UC模型
    (2)博弈论
  3.3 共识算法小结
  3.4 区块链网络
4 区块链前沿热点
  4.1 区块链隐私保护
    4.1.1 比特币匿名性分析
    4.1.2 匿名性提升方案
      (1)混币技术
      (2)环签名
      (3)零知识证明
  4.2 针对区块链网络的攻击方式
    4.2.1 双花攻击
      (1)TRv加入到V的钱包中
      (2)TRA在区块链网络中被确认
      (3)V的服务时间小于V可以检测到双花行为时间
    4.2.2 自私攻击
    4.2.3 扣块攻击
    4.2.5 其他攻击方式
  4.3 区块链拓展架构
    4.3.1 单链拓展
      4.3.1. 1 链上拓展
    (1)属性优化
    (2)范式优化
      (Ⅰ)单首领多块范式(Multiple Blocks per Leader)
      (Ⅱ)组合首领范式(Collective Leaders)
      (Ⅲ)并行范式(Parallel Blockchain Extensionand DAG)
      (Ⅳ)分片交易范式(Sharding Transactions)
      4.3.1. 2 链下拓展
    4.3.2 跨链拓展
5 区块链应用
  5.1 区块链1.0——数字货币
  5.2 区块链2.0——智能合约
    5.2.1 以太坊平台
    5.2.2 HyperLedger平台
    5.2.3 EOS
  5.3 区块链3.0——扩展的发展领域
    (1)技术漏洞
    (2)交易吞吐量
    (3)不适合大量数据存储
    (4)隐私安全性
    (5)跨链协议问题
    (6)法律法规尚不规范
6 结论
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