区块链:区块链技术初探(二)

HPB小秘书发表于:2018年01月02日 10:59:37更新于:2018年01月03日 10:14:11

承接上期的文章,我们继续对区块链技术进行探索。

 

5. 区块链与分布式系统对比

 

5.1 分布式系统的特点

(1) 可终止性(Termination):一致性的结果可在有限时间内完成;

(2) 共识性(Consensus):不同节点最终完成决策的结果应该相同;

(3) 合法性(Validity):决策的结果必须是其他进程提出的提案。

 

5.2 分布式系统的问题

(1) 每个节点处理事务的能力以及处理数据的吞吐量能力各有差异;

(2) 节点间信道可能存在不安全,并且容易遭到攻击出现作恶节点;

(3) 当异步处理能力达到高度一致时,系统的扩展性就会变差,也就是新的节点加入将会变的很困难。

 

5.3 区块链和分布式系统容错的相同点

(1) Append only;

(2) 强调序列化(时间有序);

(3) 少数服从多数原则;

(4) 分离覆盖的问题:即长链覆盖短链区块,多节点覆盖少数节点。

 

5.4 区块链和分布式容错的不同点

(1) 分布式系统容错,一般不考虑拜占庭问题,即假设所有节点只发生宕机、网络故障等非人为问题,并不考虑恶意节点篡改数据的问题;

(2) 分布式系统容错的一致性算法是面向日志(数据库)的,而区块链共识算法是面向交易的,前者可以作为后者的基础和技术保障;

(3) 区块链,更多地是解决拜占庭将军问题。

 

5.4 参考

拜占庭问题:指系统中的节点可能出现任何错误,包括有意的误导,故意破坏系统,伪造签名,也包括故障、超时,重复消息等。

 


6. 共识机制

区块链是一种去中心化的分布式账本系统,由于点对点网络下存在较高的网络延迟,各个节点所观察到的事务先后顺序不可能完全一致。因此区块链系统需要设计一种机制对在差不多时间内发生的事务的先后顺序进行共识。这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。


基于区块链设计的各种机制都可以看作牺牲一部分代价来换取更多适合的一致性,即在适当的时间空间牺牲一部分代价换取适应于当时场景的一致性,可以实现灵活的区块链系统。


以下罗列了几种经典的共识机制算法:

 

6.1 工作量证明(Proof of Work, POW)

(1) 工作量证明机制,使得区块的产生具有计算性难度,以增加攻击的成本;

(2) 从统计学角度,1笔交易在6个区块后被认为是明确确认且不可逆的。核心开发者认为,需要120个区块才能充分保护网络不受来自潜在更长的已将新产生的币花掉的攻击区块链的威胁;

(3) 尽管出现更长的区块链会变得不太可能,但任何拥有巨大经济资源的人仍有可能制造一个更长的区块链来伪造交易(51%攻击)。

 

6.2 股权证明机制(Proof of Stake, POS)

(1) 股权证明机制有很多不同变种,但基本概念是产生区块的难度与在网络里所占的股权(所有权占比)成比例;

(2) 是为了解决POW的资源消耗问题,但是目前还处在探索和实践阶段。

 

6.3 授权股权证明机制(DPOS)

(1) 每个股东按其持股比例拥有影响力,51%股东投票的结果将是不可逆且有约束力的,这点类似POS;

(2) 每个股东将其投票权授予一名代表,获票数最多的前100位代表按既定时间表轮流产生区块。每名代表分配一个时间段来生产区块;

(3) 所有代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的10%作为报酬;

(4) 该模式每30秒钟产生一个区块。

 

6.4 基于交易的股权证明机制(TaPOS)

(1) 通常POS代表是短时间的;

(2) TaPOS为股东们提供了一个长效机制来直接批准他们的代表的行为;

(3) 平均而言,51%的股东在6个月内可以直接确认每个区块;

(4)  而交易活跃流通的股份所占的比例,则平均10%的股东在几天内可以直接确认区块链。

 

6.5 瑞波共识机制(Ripple Consensus)

(1) 瑞波共识算法,使一组中心化的特殊节点列表达成共识;

(2) 初始特殊节点列表就像一个俱乐部,要接纳一个新成员,必须由51%的该俱乐部会员投票通过;

(3) 共识遵循这核心成员的51%权力,外部人员则没有影响力。由于该俱乐部由“中心化”开始,它将一直是“中心化的”;

(4) 瑞波系统将股东们与其投票权隔开,并因此比其他系统更中心化。

 


7. 区块链种类

区块链主要公有链,联盟链,私有链这几类,以下介绍了这几类区块链的特点。


7.1 公有链

(1) 运行在互联网;

(2) 完全的分布式;

(3) 数据节点数量多变且不可预知;

(4) 数据是公开的;

(5) 任何人都可以匿名参与;

(6) 运维成本较高,依赖奖励机制;

(7) 交易速度较慢。

 

7.2 联盟链

(1) 由多机构联盟联合运行;

(2) 数据具有保密性;

(3) 数据节点是事先选择的;

(4) 节点间连接速度较快;

(5) 运维成本较低;

(6) 交易速度较快,交易成本较低;

(7) 数据可以被联盟修改。

 

7.3 私有链

实际只使用区块链技术进行数据存储和交易处理,背离区块链基础的目标。

(1) 由单个机构运行;

(2) 数据访问和使用受限;

(3) 数据节点是事先选择的;

(4) 节点间连接速度较快;

(5) 运维成本较低;

(6) 交易速度较快,交易成本低;

(7) 数据可以被修改。

 


8. 区块链技术发展阶段

区块链技术目前主要有3个发展阶段,分别是区块链1.0,区块链2.0,区块链3.0。每个阶段都是承前启后的,逐步演变的过程。

 

8.1 区块链1.0

区块链1.0是以比特币为代表的数字货币应用,为了解决货币和支付手段的去中心化,其场景包括支付、流通等货币职能。


8.2 区块链2.0

区块链2.0就是更宏观的对整个市场的去中心化,利用区块链技术来转换许多不同的资产而不仅仅是比特币,通过转让来创建不同资产单元的价值。最显著的标志是数字货币与智能合约相结合,对金融领域更广泛的场景和流程进行优化的应用,让所有的金融交易都可以被改造成在区块链上使用,包括股票、私募股权、众筹、债券、对冲基金和所有类型的金融衍生品:期货、期权等。

 

8.3 区块链3.0

区块链3.0则超出金融领域,为各种行业提供去中心化解决方案,可用于实现全球范围内日趋自动化的物理资源和人力资产的分配,促进科学、健康、教育等领域的大规模协作。例如:自动化采购,智能化物联网应用,供应链自动化管理,虚拟资产兑换、转移。

 

 


9. 区块链主流开源技术体系介绍

区块链开源技术种类繁多,这里就主流的开源技术体系进行简要的介绍。

 

9.1 比特币体系(BTC)

比特币(BitCoin)是最早也是全球最广泛使用和真正意义的去中心化区块链技术,因此他的开源技术体系非常值得参考。比特币区块链的核心技术框架采用C++语言开发,共识算法采用POW算法,工作量(挖矿)证明获得记账权,容错50%,实现全网记账。 核心技术框架采用C++语言开发,公网TPS<7。

开源地址为:https://github.com/bitcoin/bitcoin

 

9.2 以太坊(ETH)

以太坊是一个图灵完备的区块链一站式开发平台,采用多种编程语言实现协议。基于以太坊平台之上的应用是智能合约,这是以太坊的核心。智能合约配合友好的界面和外加一些额外的小支持,可以让用户基于合约搭建各种千变万化的DAPP应用,这样使得开发人员开发区块链应用的门槛大大降低。 底层核心技术框架采用C++,Go等语言开发,智能合约采用Solidity语言编写。公网TPS<35,未来有望达到2000TPS。

开源地址:https://github.com/ethereum/

 

9.3 IBM HyperLedger(Fabric)

IBM HyperLedger,又叫Fabric,是一个带有可插入各种功能模块架构的区块链实施方案,他的目标是打造成一个由全社会来共同维护的一个超级账本。Fabric的主要框架核心开发语言是GO语言,系统目标是15个验证节点下最理想情况下可以有100KTPS的性能,更适合于联盟链。

开源地址:https://github.com/hyperledger/fabric

 

9.4 比特股(BitShare)

比特股(BitShares)是区块链历史上里程碑式的产品之一。它提供的BitUSD等锚定资产是虚拟币历史上的一个最重要变革之一,能够极大消除虚拟货币被人诟病的波动性大的问题。 比特股采用的是DPos共识算法,公网TPS<3000。

比特股1.0开源地址:https://github.com/bytemaster/bitshares

比特股2.0开源地址:http://github.com/bitshares

 

9.5  瑞波(Ripple)

瑞波(Ripple)是一个开放的支付网络,是基于区块连的点到点全球支付网络。他的核心技术框架采用C++语言开发,公网TPS<1000。

开源地址:https://github.com/ripple/rippled

 

9.6 小蚁(NEO)

中国的世界级公链,NEO区块链通过将点对点网络、拜占庭容错、数字证书、智能合约、超导交易、跨链互操作协议等一系列技术相结合,让你快速、高效、安全、合法地管理你的智能资产。 NEO的底层是采用的C#,GO等语言,公网的TPS<1000。

开源地址:https://github.com/neo-project

 


本次区块链初探系列完毕,后续芯链社区将会继续推出区块链相关的技术分享文章,供技术爱好者参考或者学习。 


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