区块链的技术分类主要包括公链，区块链的技术分类主要包括哪些？

, Zheng、Xie、Dai、Chen 和 Wang，“区块链技术：架构概述、共识和未来趋势”，2017 年 IEEE 大数据大会，檀香山，2017 年，第 557-564 页。

抽象的

作为比特币基础的区块链最近受到了很多关注。 区块链是不可变的分布式账本，允许以去中心化的方式进行交易。 基于区块链的项目正在各个领域激增，包括金融服务、信誉系统和物联网 (IoT)。 然而比特币是区块链的典型应用吗，区块链技术仍然面临许多需要克服的挑战，例如可扩展性和安全性问题。 本文全面介绍了区块链技术。 首先，我们概述了区块链架构，并比较了不同区块链中使用的一些典型共识算法。 此外，简要列出了区块链面临的技术挑战和最新进展。 我们也详细阐述了区块链未来可能的发展趋势。

论文：区块链、去中心化、共识算法、可扩展性

1. 区块链架构

区块链是一系列包含完整交易记录列表的区块，就像传统的公共分类账一样。 图 1 是区块链的示例。 每个块只有一个父块。 标头包含前一个块的哈希值。 区块链的第一个区块称为创世区块，没有父区块。 下面详细解释区块链的内部结构。

关键词

一个区块由区块头和区块体组成，如图2所示。

特别是，区块链标头包含：

(1) 区块版本号：表示要遵循的区块验证规则集；

(2) Merkle root hash：一个区块中所有交易的哈希值；

(3)时间戳：当前时间。 自 1970 年 1 月 1 日以来的秒数；

(4) nBits：有效区块哈希值的目标阈值。

(5)Nonce：一个4字节的字段，通常从0开始，每次计算hash时递增。

(6)父块哈希：指向前一个块的256位哈希值。

区块由交易计数器和交易组成。 一个区块可以包含的最大交易数取决于区块大小和每笔交易的大小。 区块链使用非对称加密机制来验证交易。 基于非对称加密的数字签名常用于不可靠的环境中。 接下来，将简要说明数字签名。

堵塞：

每个用户都有一对私钥和公钥。 机密私钥用于签署交易。 数字签名的交易在整个网络中广播。 典型的数字签名包括两个阶段：签名阶段和验证阶段。 例如，用户 Alice 想向另一个用户 Bob 发送消息。 (1) 在签名阶段，Alice 用她的私钥加密她的数据，并将加密结果和原始数据发送给 Bob。 (2) 在验证阶段，Bob 使用Alice 的公钥来验证这个值。 这样，Bob 就可以很方便地检查数据是否被篡改了。 区块链使用的典型数字签名算法是椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）。

电子签名

去中心化：在传统的中心化交易系统中，每笔交易都需要经过中央信任机构（如中央银行）的验证，这必然导致成本增加和中央服务器的性能瓶颈。 区块链不需要第三方的参与。 共识算法用于维护分布式网络中的数据一致性。

持久性：可以快速验证交易。 一旦交易被包含在区块链中，它们几乎不可能被删除或回滚。 可以立即找到包含无效交易的块。

匿名性：每个用户都可以使用生成的地址与区块链进行交互，不会泄露用户的真实身份。 由于内部限制比特币是区块链的典型应用吗，区块链无法保证完美的隐私保护。

可审计性：比特币区块链基于未花费的交易输出（UTXO）模型存储有关用户余额的数据：任何交易都必须引用一些以前未花费的交易。 一旦当前交易记录在区块链中，那些引用的未花费交易的状态将从未花费变为无效。

区块链的典型特征

目前，区块链系统大致可以分为三类：公有链、私有链和联盟链。 在公共链中，所有记录都是公开可见的，每个人都可以参与共识过程。 不同的是，只有一组预选的节点会参与联盟链的共识过程。 使用私有区块链，只允许来自特定组织的节点加入共识过程。 私有区块链被认为是一个中心化网络，因为它完全由一个组织控制。表 I

列出了三个区块链之间的比较。

差异主要体现在以下几点：共识确定和共识过程参与者、交易数据读取权限、交易是否可篡改、交易处理效率、中心化程度。

2. 共识算法 在区块链中，不可信节点之间如何达成共识可以看作拜占庭将军（BG）问题的一个变种。 BG问题是指一群将军指挥部分拜占庭军队围攻一座城市。 将领有的要进攻，有的要撤退。 如果只有部分武将选择攻城，则攻城失败。 因此，他们必须达成协议。 如何在分布式环境中达成共识是一个挑战。 区块链网络是精确分布的。 在区块链中，没有中心节点来保证分布式节点上的账本都是一样的。 需要一些协议来确保不同节点中的分类账是一致的。 在区块链中有几种常用的达成共识的方法。

达成共识的方法：

PoW（工作证明）是比特币网络中使用的共识策略。 如果一个节点想要发布一个交易块，它必须做大量的工作来证明它不太可能攻击网络。 通常工作意味着通过计算机进行计算。 在 PoW 中，网络的每个节点都在计算区块头的哈希值。 共识要求计算出的值必须等于或小于给定值。 当一个节点达到目标值时，将区块广播给其他节点，所有其他节点必须相互确认哈希值的正确性。 如果该区块被验证，其他矿工将把这个新区块添加到他们自己的区块链中。 计算哈希值的节点称为矿工，PoW过程在比特币中称为挖矿。

PoS（股权证明）是 PoW 的节能替代方案。 它认为拥有更多货币的人不太可能攻击网络。 基于账户余额的选择是不公平的，因为最富有的人必然主导网络。 因此，人们提出了很多解决方案。 Blackcoin 使用随机化来预测下一个区块生产者。 Peercoin 更喜欢根据币龄做出选择。 与 PoW 相比，PoS 更节能、更高效。 然而，由于挖矿成本几乎为零，因此攻击是可能的。 许多区块链从 PoW 开始，逐渐转向 PoS。

PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerant Algorithm）是一种容忍拜占庭错误的复制算法。 PBFT 最多可以处理 1/3 的恶意副本。 每一轮确定一个新块。 在每一轮中，主要负责节点将根据一些规则被选出。 整个过程可以分为三个阶段：前期准备、准备和提交。 在每个阶段，如果一个新节点获得所有节点超过 2/3 的投票，则进入下一阶段。 PBFT 要求网络知道每个节点。

DPOS（委托权益证明）。 PoS 和 DPOS 之间的主要区别在于 PoS 是直接民主，而 DPOS 是代议制民主。 利益相关者选择他们的代表来生成和验证块。 由于用于参与验证块的节点明显减少，因此可以快速确认其中的块和交易。 同时，代表们可以调整网络的参数，例如块大小和块生成之间的时间间隔。 此外，用户不必担心不诚实的代表。 因为用户可以很容易地投票给代表。

Ripple 是一种共识算法，它在更大的网络中使用集体信任的子网络。 在网络中，节点分为两类：参与协商过程的服务器和仅传输资金的客户端。 每个服务器都有一个唯一的节点列表 (UNL)。 UNL 对服务器很重要。 在确定是否将交易放入账本时，服务器会查询UNL中的节点，如果收到的同意达到80%，则将交易打包入账。 对于节点，只要 UNL 中故障节点的百分比小于 20%，账本就会保持正确。

Tendermint 是一种拜占庭共识算法。 它类似于 PBFT。 但与 PBFT 不同的是，节点必须锁定他们的硬币才能成为验证者。 一旦发现验证者失信，就会受到惩罚。

共识算法比较：

共识算法的差异主要体现在节点表示管理、节能水平、容错/攻击能力等方面。 表二给出了具体的对比，以及使用相应算法的具体应用项目实例。

3. 挑战和近期进展： 可扩展性：

随着交易量的增加，区块链变得庞大。 因为每个节点都必须检查当前事务的来源是否未提交，所以它们必须存储所有事务。 由于原有区块大小和生成新区块的时间间隔的限制，比特币区块链每秒只能处理近7笔交易，无法满足实时处理百万笔交易的需求。 此外，由于区块大小非常小，矿工更喜欢交易费用高的交易，这导致许多小交易可能会被延迟。 已经提出了许多措施来解决区块链可扩展性问题：

一是区块链的存储优化。 由于节点很难操作账本的完整副本，Bruce 提出了一种新的加密货币方案，其中旧的交易记录将被网络删除。 称为帐户树的数据库用于保存所有非空地址的余额。 二是重新设计区块链。 下一代比特币的概念已经被提出。 主要思想是将传统区块分为两部分：领导者选举的关键区块和存储交易的微区块。 下一代比特币还延伸了最重（最长）链策略。 微块不计算在内。 这解决了块大小和网络安全之间的权衡。

隐私泄露：

用户使用他们的私钥和公钥进行交易而无需透露他们的真实身份。 但是，区块链并不能完全保证交易的隐私性，因为所有的交易和每个公钥的余额值都是公开的。 最近的研究表明，可以链接用户的比特币交易以揭示用户的信息。 此外，Biryukov 等人提出了一种方法。 即使用户受到网络地址转换 (NAT) 或防火墙的保护，用户的别名仍然可以链接到 IP 地址。 提高区块链匿名性的方法大致可以分为两类：

一种是混合技术。 混合业务是将资金从多个输入地址转移到多个输出地址的匿名业务。 第二个是匿名的。 在 Zerocoin 中，使用零知识证明。 矿工验证硬币是否属于有效硬币列表，而不是使用数字签名来验证交易。

自私挖矿方法：

区块链很容易受到串通自私矿工的影响。 在自私的挖矿策略中，矿工保留他们的矿区而不广播。 由于私有分叉比现有公链更长，所有矿工都会接受。 在私有区块链发布之前，诚实的矿工在无用的分叉上浪费资源，而自私的矿工则在没有竞争对手的情况下挖掘他们的私有链。 所以自私的矿工往往赚得更多。

4. 未来可能的方向： 区块链测试：

区块链应用的种类和数量都在增加。 然而，一些开发商可能会伪造他们的区块链性能，以吸引为暴利而来的投资者。 此外，当用户希望将区块链整合到他们的业务中时，他们必须知道哪种区块链适合他们的需求。 因此，需要建立区块链测试机制，对不同的区块链进行测试。

停止中心化趋势：

区块链被设计为一个分散的系统。 但是，趋势表明，矿工开始向矿池集中。 迄今为止，排名前五的矿池合计拥有比特币网络超过 51% 的哈希算力。 此外，自私挖矿策略表明，拥有超过总算力 25% 的矿池可以赚取超过其公平份额的收益。 理性的矿工将被吸引到自私的矿池中，这些矿池最终很容易获得超过 51% 的总算力。 由于区块链不是为少数组织服务的，因此应该提出一些方法来解决这个问题。

大数据分析：

区块链可以和大数据很好的结合。 大致可以分为两类。 一是数据管理，区块链可以用来存储重要数据，因为它是分布式和安全的。 二是数据分析。 区块链上的交易可以用于大数据分析。 例如提取用户交易模式。 用户可以通过分析预测潜在合作伙伴的交易行为。

区块链应用：

大多数区块链目前用于金融领域。 传统行业可以考虑区块链并将其应用到他们的领域来增强他们的系统。 例如，用户信誉可以存储在区块链上。 同时，新兴产业可以利用区块链来提升绩效。

智能合约是一种强制执行合约条款的计算机化交易协议。 这个概念早就提出来了，现在可以用区块链来实现。 在区块链中，智能合约是一段可以由矿工自动执行的代码。 智能合约在金融服务和物联网等领域具有变革潜力。

致谢 本文由南京大学软件学院2016级本科生曹家伟翻译