区块链技术原理与应用综述

近年来,随着数字加密货币逐步走进人们的视野,其底层的区块链技术也引起了研究者的高度重视。区块链作为一种分布式账本技术,具有多方维护、不可篡改、公开透明等特点。首先,将区块链结构按层级进行划分,从低到高介绍了每层的作用和原理,根据开放程度将区块链分为公有链、联盟链、私有链,以比特币、Hyperledger Fabric为例分析了公有链和联盟链的工作机理。其次,对区块链的底层核心技术共识算法、智能合约、隐私安全做了详细阐述。最后,分析了区块链的研究进展并进行了展望。     

复杂物联网联盟链系统通信机制研究EI北大核心CSCD

联盟链具有公有链固有的安全性,其许可准入机制允许对网络结点及规模进行控制,恰好迎合了物联网(Internet of things,IoT)向规模化、智能化发展的需要,成为物联网学术界研究的热点.然而,联盟链在一定程度上违背了区块链去中心化价值和信任体系,产生了多中心化的复杂区块链生态体系,为使物联网数字资产在不同联盟链间安全、自主、动态流转,迫切需要对涉及多个联盟链的复杂系统通信机制进行研究.基于存在多个特权子群的门限数字签名机制建立多联盟链链间合作共识,利用授权码构造身份证明,实现链间实体自主授权过程;构建跨联盟链交易原子提交协议,确保异步授权状态同步;提出多级混合可选信任—验证交易共识机制.实验表明,上述机制能够在优化系统性能的同时确保系统的安全性.     

H-Algorand:基于多块输出的公有链共识机制

面向全网公开且无用户授权机制的公有链目前得到了业界的普遍重视,其中具有良好扩展性、低分叉概率的Algorand机制在公有链中被广泛使用,但Algorand机制存在区块共识效率低、不满足高频交易场景的问题。针对这些问题,首先提出一种多块Algorand（MB-Algorand）机制来提高区块共识效率;其次将Algorand机制与MB-Algorand机制配合使用得到混合Algorand（H-Algorand）机制,该机制兼顾了区块共识效率与安全性两方面的性能。仿真结果表明,在委员会遭受分布式拒绝服务（DDoS）攻击的情况下,H-Algorand机制以一定的安全性能为代价,换取了区块链网络共识效率的显著提升。当一个区块共识失败的概率在1%时,所提机制使区块链网络共识效率在提升了37.87%的同时,安全性能仅损失4.9%。     

用于联盟链的非拜占庭容错共识算法

随着区块链技术的发展,区块链出现了多种分类,兼顾公有链多中心特点和私有链高性能优势的联盟链成为了我国区块链的发展重心.结合联盟链中存在节点信任的特性,非拜占庭容错共识算法能为联盟链提供更好的性能支持.文中选取Raft共识算法作为研究对象,针对Raft共识算法中Leader节点选举和日志复制过程中的诸多问题,提出了一种可应用于联盟链的非拜占庭容错共识算法——KRaft(Kademlia-Raft)共识算法,该共识算法结合区块链网络层的双层Kademlia路由协议改进了Raft共识算法中的Leader节点选举和日志复制过程.首先,针对Raft共识算法Leader节点选举中存在的多Candidate节点分票和Follower节点增多引发的投票效率问题,KRaft共识算法利用双层Kademlia协议建立的K桶实现了Candidate节点集合内的稳定选举;其次,针对Raft共识算法日志复制过程中Leader节点单节点日志复制过程效率低和节点负载不均的问题,提出了均衡Leader节点负载的多Candidate节点并行日志复制方案,在提升数据吞吐量的同时提升了算法的可拓展性.本地多节点仿真实验的结果表明,KRaft共识算法相较于Raft共识算法,数据吞吐量提升了34.5％,Leader节点选举速度提升了55.6％.     

基于双层架构的溯源许可链共识机制

区块链中的区块按照时间历史顺序进行排列,同时通过数据加密技术以及共识机制使区块链具有不可篡改性,这使产品溯源成为区块链的重要应用场景。选择产品信息追溯技术要考虑技术的可行性同时要考虑产品以及生产者的市场属性,这使许可链代替公有链成为产品信息溯源的重要部署方式。现有研究成果中对溯源许可链的研究多停留在机制设计和框架建构上,少有对适用于产品信息溯源的共识算法进行研究。在技术工程实践过程中,联盟链中多选用实用拜占庭容错（PBFT,practical byzantine fault tolerance）作为溯源链的共识机制（如超级账本项目 Hyperledger）,但随着参与节点数量的增加,溯源链的运行效率明显下降,延迟时间明显提高,致使多数项目依然处于实验阶段。基于此,提出基于双层架构的溯源许可链共识机制（DLPCM）。首先将参与者在垂直维度上化分为两层,其次在不同层次上根据区块链的不同部署方式采用不同的共识机制,最后对该共识机制下的溯源信息查询机制进行介绍,为基于许可链的溯源系统的开发和设计提供了重要借鉴。     

区块链跨链技术进展研究

随着区块链技术的发展,各种具有不同特点、适用于不同应用场景的区块链如比特币、以太坊等公有链以及私有链、联盟链大量共存.由于区块链的相互独立性,现存各区块链之间的数据通信、价值转移仍面临挑战,价值孤岛现象逐渐显现.区块链的跨链技术是区块链实现互联互通、提升可扩展性的重要技术手段.对跨链技术领域的成果进行了系统总结：首先,分析了跨链技术的需求及面临的技术难点;其次,总结了正在发展的跨链技术,并介绍了24种主流跨链技术的原理与实现思路;然后,综合分析了跨链技术存在的安全性风险,并列举了12项主要问题;最后,总结探讨了跨链技术的未来发展趋势.     

区块链下电力数据的统一监管与共享交易模型

传统模式下能源数据正面临着易篡改、复制和泄密等安全风险,难以实现可信可靠的数据监管和共享。因此,以私有链、联盟链和公有链三种类型区块链搭建能源数据监管和交易逻辑架构,着重分析了区块链支撑数据的分布式存储、防篡改、可溯源监管和交易机制。并且以不同发电厂的数据类型为例,结合发电集团大数据分析结果模型,提出基于区块链的电力数据统一监管与共享交易模型,设计基于摘要目录树集中式检索的电力数据共享交易第三方平台,形成了区块链下以"弱化第三方数据集中托管中心,强化点对点交易"为特点的数据共享交易机制。     

公平且稳定的最小值证明共识机制

共识机制是区块链技术的核心,能够使所有节点周期性地完成交易的验证和记录,且保持所有节点保存的区块链数据的一致。针对目前公有链共识机制的去中心化程度不高和容易临时分叉两个问题,提出一种基于哈希随机选主的最小值证明共识机制（Proof of Minimum,PoM）,利用哈希算法的强混淆性提高去中心化程度,利用哈希算法的抗碰撞性降低临时分叉的概率。理论分析和实验结果表明PoM不仅提高了去中心化程度,也降低了临时分叉的概率。     

基于双链架构的医药商业资源公有区块链

区块链技术是一种去中心化的共享总账系统和计算范式。作为一种核心的底层支撑技术,它与分布式经济系统有极高的契合度。基于公共服务平台的医药商业资源分布式调度模式是解决当前医药商业行业“散、小、乱、弱”局面的综合性解决方案,在聚合分散性资源和按需调度方面发挥着重要作用。针对公共服务平台当前存在的一些关键问题,提出了一种基于双链架构的医药商业资源公有区块链,重点研究了公有区块链的双链结构及其存储方式、隐私保护、资源寻租与匹配机制和共识算法等问题。研究结果表明,基于双链架构的医药商业资源公有区块链能够兼顾交易信息的开放性、安全性和企业信息的隐私性,自适应地完成资源的寻租和匹配,并大幅提高公共服务平台的公信力和系统的整体效率。     

加密数字货币系统共识机制综述

共识机制是以区块链技术为支撑的加密数字货币系统的核心,分析并比较了现有的三种典型共识机制,为区块链开发者设计共识机制提供参考和建议. 解析了三种主流共识机制PoW、PoS、DPoS的基本思想、运行过程与优缺点,随后从公平性、运转开销、可持续性等几个方面归纳出每种共识机制的特点,然后从信用的去中心化程度、授权等多个角度进行分析比较,考量不同应用场景下的共识需求. 从应用场景出发,将两种或以上共识机制结合使用,在完全去中心化与中心化中间寻找到适合的平衡点,更符合未来共识机制的应用需求.