基于分区型区块链医疗电子病历共享方案

针对基于传统区块链进行医疗数据共享时可扩展性受限制的问题,提出一种基于分片技术的区块链扩容共享方案.首先,基于跳跃一致性哈希算法进行周期性网络分片,通过随机划分全网节点大幅度降低单分片内女巫攻击的风险;其次,分片内使用可扩展的去中心化信任基础设施区块链(SBFT)共识协议以降低实用拜占庭容错(PBFT)共识协议的高通信...     

状态分片中交易过载处理的节点竞选方案

分片技术是目前最有效的实现高性能而不降低去中心化程度的区块链扩容方案,仅实现交易分片并不能解决实质问题,只有状态分片才能从根本上解决区块链资源瓶颈问题。针对区块链状态分片随机分配交易产生的交易过载问题,提出状态分片约束下交易过载处理的多轮节点竞选均衡化验证方案。将分片内的交易验证分为多轮,在每轮验证完成后根据节点通信能力和节点共识表现进行综合积分,并确认分片的交易过载情况,进而在下一轮验证中增强分片的处理能力。考虑到状态分片约束下节点在分片之间不能随意调度,利用节点竞选策略将分片内的节点在不同轮次之间均衡使用,在提升分片规模和有效性的基础上,充分发挥高性能节点的优势,使得过载交易在后续轮次得到及时的验证。实验表明,方案可以有效处理分片内交易过载,提高分片内的交易验证率,提升系统的每秒交易数（transaction per second,TPS）,为分片的进一步研究提供有益的参考。     

基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型

区块链系统的实现方案普遍存在性能和容量上的缺陷,使其无法取得更广泛的普及和应用。分片被视为最有可能解决区块链瓶颈的技术,然而目前主流的实现方案普遍存在牺牲去中心化或者安全性来提升性能的问题。基于现有分片技术的研究,文中提出了基于跳跃Hash和动态权重的分片构建算法,该算法满足高效性、公平性、自适应性等特点,网络分片效率对比以太坊提升了8%,分片数量动态增减时节点迁移的工作量对比以太坊降低了25%;同时引入了异步共识组机制,提升了分片的交易安全性,能够有效处理跨分片交易。理论分析和实验证明,基于跳跃Hash和异步共识组的区块链动态分片模型的最大交易性能可达5000笔每秒。     

BETASCO: 面向智能合约分片的联盟区块链系统

基于区块链的去中心化应用已在加密数字货币、云存储、物联网等多个领域提供健壮、可信且持久的服务, 然而区块链的吞吐能力难以满足去中心化应用日益增长的性能需求. 分片是当前主流的区块链性能优化技术, 但现有的区块链分片主要面向用户和用户之间的转账交易, 并不完全适用于以智能合约调用交易为主的去中心化应用. 针对此问题, 设计并实现面向智能合约分片的联盟区块链系统BETASCO. BETASCO为每个智能合约提供一个分片作为独立执行环境, 通过基于分布式散列表的合约定位服务将交易路由至目标智能合约所在的分片, 并通过智能合约间的异步调用机制满足跨智能合约的通信和协作需求. BETASCO通过节点虚拟化允许一个节点加入多个分片, 支持同一组节点上多个智能合约的并行执行. 实验结果表明, BETASCO整体吞吐能力可随智能合约数量的增加而线性增长, 且执行单个智能合约的吞吐能力与HyperLedger Fabric相当.     

区块链系统的存储可扩展性综述

区块链是在比特币的基础上发展起来的一种分布式数据库，凭借其去中心化、可溯源、不可篡改等特点引起了学术界和工业界的广泛关注。然而当区块链技术应用于实际的应用场景时，随着节点数量和数据量的急剧增长，出现了低吞吐率、难以扩展等问题。在实际的应用场景中，难以扩展问题抑制了区块链技术的真正落地。重点对区块链技术的存储可扩展性进行总结与展望。首先，介绍了区块链技术的基础知识和数据结构，分析了现阶段区块链技术所面临的存储可扩展性问题；其次，从第0层扩容方案、链上扩容方案和链下扩容方案3个技术层面阐述了不同扩容方案的原理、实现方法、研究现状以及优缺点；最后，分析了目前区块链扩容方案所存在的挑战，并为下一步区块链的研究工作提供了方向。     

区块链互操作性技术研究进展

区块链技术因其去中心化、高透明度等优良特性引领了新一代数据存储技术的发展，近年来广泛应用于社会治理、金融保险、数字版权等领域。然而，作为一个基于规范和协议的自封闭系统，区块链不同链间无法直接实现数据通信，难以满足跨领域应用的数据共享需求，区块链互操作性技术应运而生。目前，该技术的项目实例分析较少。基于区块链互操作性最新研究成果，系统性总结了近年来互操作技术的代表性方案，并归纳展望了发展前景。首先，按照通信各链的结构差异，将区块链互操作方法划分成同构扩容和异构互操作两种类型；其次，按照技术发展脉络和区块链分层架构，分别介绍两种类型的代表性方法，分析比较了各方法的实现原理和技术细节，归纳总结它们的优缺点；再次，介绍了目前已经实施的区块链互操作性项目研发进展，重点介绍其实现思路、运营模式和现状，并在吞吐量、安全性等多个指标上对比分析其性能；最后，展望了区块链互操作性技术各方向的发展趋势。     

基于区块链和动态累加器的跨域认证方案

基于区块链的跨域认证利用区块链代替传统的CA机构颁发区块链证书,借助区块链的去中心化和透明性,实现了信任的去中心化;针对现有基于区块链的跨域认证存在着跨域认证效率不高,没有完整的证书管理功能、区块链存储证书开销大的问题,提出了基于区块链和动态累加器的跨域认证方案,设计了区块链证书格式,描述了跨域认证协议,将区块链证书信息映射为累加值,提升了验证效率,通过在智能合约中构建动态累加器,实现证书的注册,撤销和查询功能;实验结果表明,该方案能够有效降低区块链证书存储成本,提升跨域认证效率.     

发布区块链CNWW3标准的高并发快速交易及交易验证体系模型

当前去中心化区块链网络无论在学术界还是产业界都是非常值得关注的领域,已经有非常多的平台和应用,体现出了旺盛的生命力。去中心化区块链网络自身非常突出的优点,如安全性、数据唯一防篡改等特点,使得越来越多的传统的中心化服务有着向去中心化平台转移需求。但是现有去中心化区块链网络本身存在缺陷,特别是在TPS较低的情况下,存在无法承载现有中心化系统所提供的服务的问题。通过系统地讨论该问题并提出了整套机制,通过有效去中心化、交易分层和网络分片的组合机制,可以在保证去中心化区块链网络的安全性、扩展性和去中心化性上,极大地提高网络单位时间内处理事务的能力,从而能有效地支持传统中心化应用向去中心化平台转移,完成业务和技术的双重升级。本文研究基于区块链标准网络应用Web3. 0(ChainNetWork Web3. 0,CNWW3)模型标准。     

提升分片规模和有效性的多轮PBFT验证方案

分片技术是解决区块链扩容难题的可行方案,但存在分片规模与分片内验证有效性的矛盾：采用PBFT共识算法,即使总体拜占庭节点数占比不超过三分之一,单个分片内拜占庭节点占比也存在一定概率会超过三分之一,无法验证共识。针对该问题,提出多轮PBFT共识的改进方案,在提高分片规模的同时,保证分片内PBFT共识的验证有效性。总结了已知项目的解决方案并分析优缺点,详细分析了分片的有效共识验证,提出并论述了多轮验证方案,给出了拜占庭比例节点较高情况下多轮轮数的合理取值。基于实验得到的数据与现有方案进行对比,验证了多轮方案在提升整体TPS方面的有效性,为分片方案的进一步研究提供有益的参考。     

企业级区块链技术综述

在传统跨机构交易的企业应用中,各个机构都是独立记录己方的交易数据,机构间数据的差异会引起争议,通常需要人工对账或中介机构来解决,因而增加了结算时间和交易费用.区块链技术实现了交易数据在写入前共识验证、写入后不可篡改的分布式记账,可信地保证了多机构间的数据一致性,避免了人工对账和中介机构.区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯、可信的、多方共享的分布式数据库,企业级区块链是节点加入需经许可的适用于企业级应用的区块链技术.结合Hyperledger Fabric,Corda和Quorum等企业级区块链平台,提出了企业级区块链的系统架构;从交易流程、区块链网络、共识机制、区块链数据、智能合约、隐私保护几方面阐述了企业级区块链的原理与技术;针对企业级区块链的现状,总结了当前的研究挑战与未来的发展趋势.     

一种基于双链模型的分区共识协议

针对目前分区模型中区块链的存储容量不能随着分区的增加而同步扩展以及分区算法存在的安全性问题,提出一种基于双链模型的分区共识协议(dual blockchain-based sharding consensus protocol,DB-SCP)。首先通过基于哈希链和交易链的双链分区存储模型来设计验证信息共享机制和交易差异化存储机制,实现了区块链的存储容量随分区的增多而同步增加;其次,采用基于节点投票份额的分区方法将节点权益拆分到不同的分区,有效防止了分区中权益过多节点的出现;最后采用VRF函数改进分区内共识算法,保证了验证者选取的随机性,且使用密钥演变技术保证了交易的前向安全性。安全性分析表明,基于投票份额的分区方式既稳定又安全,实验结果表明该协议有着良好的性能优势,存储容量较传统区块链模型提升了30%~70%。     

Building blocks of sharding blockchain systems: Concepts,approaches, and open problems

Sharding is the prevalent approach to breaking the trilemma of simultaneously achieving decentralization, security, and scalability in traditional blockchain systems, which are implemented as replicated state machines relying on atomic broadcast for consensus on an immutable chain of valid transactions. Sharding is to be understood broadly as techniques for dynamically partitioning nodes in a blockchain system into subsets (shards) that perform storage, communication, and computation tasks without fine-grained synchronization with each other. Despite much recent research on sharding blockchains, much remains to be explored in the design space of these systems. Towards that aim, we conduct a systematic analysis of existing sharding blockchain systems and derive a conceptual decomposition of their architecture into functional components and the underlying assumptions about system models and attackers they are built on. The functional components identified are node selection, epoch randomness, node assignment, intra-shard consensus, cross-shard transaction processing, shard reconfiguration, and motivation mechanism. We describe interfaces, functionality, and properties of each component and show how they compose into a sharding blockchain system. For each component, we systematically review existing approaches, identify potential and open problems, and propose future research directions. We focus on potential security attacks and performance problems, including system throughput and latency concerns such as confirmation delays. We believe our modular architectural decomposition and in-depth analysis of each component, based on a comprehensive literature study, provides a systematic basis for conceptualizing state-of-the-art sharding blockchain systems, proving or improving security and performance properties of components, and developing new sharding blockchain system designs.     

区块链星型分片架构通量模型及应用

并行化是区块链扩容方案中最有效的一类方案,现有的并行化方案可根据网络架构分为星型架构与平行架构两类,但是当前的研究工作中,缺少对于星型分片架构方案的性能边界及性能瓶颈影响因素的分析.因此,针对不同的星型分片架构方案抽象出了一种通用的区块链星型分片架构,并对该通用架构中的交易过程进行了量化建模,得到了区块链通量与分片数量的关系,建立了星型分片架构的通量模型.根据建立的星型分片架构通量模型,可以发现星型架构的通量性能存在上限,存在一个最优的分片数量使得系统的通量达到最高,且通量的最大值与主链功能复杂度存在明确的函数关系.基于所提的通量模型,相关的区块链系统可以结合自身方案的设计,平衡分片数量与主链功能复杂度,使得系统通量达到理论上限,因此对于星型并行化方案设计具有重要指导意义.     

区块链关键技术的研究进展

区块链是一种将时序数据以链式结构组合而成、以密码学机制保证交易数据不可篡改的分布式账本,是一种新型分布式计算模式与去中心化基础构架。区块链技术具有去中心化、建立信任关系、集体维护、交易公平和透明、不可篡改、可溯源等特征,已成为工业界和学术界的研究热点。介绍了区块链的组成元素,详细阐述了区块链的基本原理、智能合约、共识机制等关键技术,结合金融、物联网、供应链、医疗系统应用场景,讨论了其利用区块链技术的优化方向。总结了区块链技术在安全、效率、隐私保护等方面存在的不足,给出了相应的应对措施。提出了改进共识机制、匿名性和系统吞吐量的有效方法,为区块链技术的进一步发展和完善提供有益的借鉴和指导。     

面向物联网的区块链共识机制综述

随着数字货币的不断发展,区块链技术引起越来越多人的关注,而对其关键技术共识机制的研究尤为重要。将区块链技术应用在物联网（IoT）中是目前研究的热点问题之一。共识机制是区块链的核心技术之一,其在去中心化程度、交易处理速度、交易确认延迟、安全性以及可扩展性等方面对IoT产生了重要影响。首先对IoT的体系结构特征以及资源受限问题造成的轻量化问题作了阐述,对在IoT中实现区块链所面临的问题作了简要概述,并结合比特币的运行流程对IoT中的区块链需求进行了分析;其次,把共识机制分为证明类、拜占庭类和有向无环图（DAG）类,研究了这些不同类别的共识机制的工作原理,在通信复杂度上分析它们与IoT的适应度,总结它们的优缺点,并对现有的共识机制和IoT结合的架构进行了调研分析;最后,针对IoT面临的中心机构运行成本高、可扩展性差、安全性存在隐患等问题进行了深入研究,分析结果表明,基于DAG技术的埃欧塔（IOTA）和Byteball共识机制在交易数量很多的情况下具有交易处理速度快、可扩展性好、安全性强的优点,是未来IoT领域区块链共识机制的发展方向。     

区块链原理及其核心技术

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.