区块链技术原理及应用

目前区块链技术在信息系统中的应用主要集中在信息验证、数据共享、身份管理、版权保护和隐私保护等方面。区块链技术在多领域的融合创新应用，促使新的协议、架构及特性不断出现，并不断被改进。本书从多个维度梳理、分析和比较区块链技术的最新进展，旨在为领域研究人员及实践者提供参考借鉴。

乔蕊，周口师范学院教授，信息工程大学博士，硕士生导师，河南省农产品质量安全追溯技术河南省工程实验室执行主任。研究方向：物联网安全、区块链。主持完成国家自然科学基金项目1项，省级科技攻关项目4项，拥有国家发明专利4项，主持河南省高校科技创新人才计划项目1项，主持完成河南省教育科学“十三五”规划课题1项，河南省科技智库调研课题1项，河南省知识产权局软科学研究项目1项，出版学术专著1部，发表学术论文20余篇。

引言......................................................................................................................................1 第一部分 区块链技术原理第一章 区块链技术概述..................................................................................................2 1.1 区块链系统模型.................................................................................................3 1.1.1 拜占庭将军问题.........................................................................................3 1.1.2 区块链基本架构.........................................................................................4 1.1.3 区块链基本特性.........................................................................................8 1.1.4 区块链技术理论基础.............................................................................. 14 1.2 区块链衍生架构.............................................................................................. 18 1.2.1 分区机制.................................................................................................. 19 1.2.2 幽灵协议.................................................................................................. 20 1.2.3 有向无环图.............................................................................................. 20 1.2.4 哈希图...................................................................................................... 22 1.2.5Tempo..................................................................................................... 231.2.6 侧链.......................................................................................................... 23 1.2.7 分层链和平行链...................................................................................... 25 1.3 经典共识与评估标准...................................................................................... 26 1.3.1 原生共识.................................................................................................. 28 1.3.2 基于证明的混合替代共识 ...................................................................... 29 1.3.3 拜占庭容错兼容共识 ............................................................................. 55 1.3.4 原生兼容扩展共识.................................................................................. 64区块链技术原理及应用 1.3.5 有效工作证明共识.................................................................................. 66 1.3.6 共识机制评估标准.................................................................................. 68 1.4 区块链安全与防御.......................................................................................... 78 1.4.1 区块链安全问题分析.............................................................................. 78 1.4.2 区块链漏洞及防御手段 .......................................................................... 83 1.5 区块链主流开发平台...................................................................................... 98 Solidity..................................................................................................... 981.5.1 Web3.js ................................................................................................... 991.5.2 Remix ...................................................................................................... 991.5.3 1.5.4 Go语言 .................................................................................................... 99第二章智能合约.........................................................................................................101 2.1 智能合约概述................................................................................................102 2.2 智能合约运行机制........................................................................................105 2.2.1 以太坊智能合约运行机制....................................................................105 2.2.2 Hyperledger Fabric智能合约运行机制 ............................................107 2.3 智能合约跨链交互系统................................................................................111 2.3.1 现有解决方案的局限性 ........................................................................112 2.3.2 SCAC系统 ............................................................................................115 2.3.3 IDACM系统 ..........................................................................................127 2.3.4 ICMC系统 .............................................................................................150 2.4 智能合约的安全与防御................................................................................173 2.4.1 智能合约的安全保障............................................................................174 2.4.2 不可变性问题........................................................................................177 2.4.3 可扩展性问题........................................................................................178 2.4.4 共识机制问题........................................................................................178 第三章联盟链共识脆弱性及链生成机制研究 .........................................................180 3.1 联盟链概述....................................................................................................182 3.1.1 主流联盟链平台....................................................................................182 3.1.2 基于联盟链的共识机制 ........................................................................183 3.2 链生成模型....................................................................................................185 3.3 脆弱性分析....................................................................................................189 3.3.1 验证结点行为........................................................................................189 3.3.2 联盟链共识脆弱性................................................................................191 3.4 基于异步二元拜占庭共识的链生成机制 ....................................................194 3.5 实验验证........................................................................................................198 3.5.1 时延测试................................................................................................198 3.5.2 吞吐量测试............................................................................................200 3.6 结论 ...............................................................................................................203第二部分 区块链应用第四章基于区块链的分布式存储应用 .....................................................................209 SiaCoin .........................................................................................................2104.1 Sorj...............................................................................................................2124.2 FileCoin.........................................................................................................2144.3 PPIO..............................................................................................................2174.4 4.5 性能比较........................................................................................................220第五章基于区块链的分布式光伏能源交易机制......................................................223 5.1 分布式光伏交易与需求侧响应现状分析 ....................................................224 5.1.1 分布式光伏交易现状............................................................................2245.1.2 需求侧响应现状....................................................................................225 5.1.3 分布式光伏交易与需求侧响应分析....................................................225 5.2 分布式光伏智能合约框架............................................................................227 5.2.1 智能合约主体设计................................................................................227 5.2.2 区块链的类型选择................................................................................228 5.2.3 智能合约流程设计................................................................................228 5.2.4 DSR流程设计 .......................................................................................229 5.3 基于区块链的分布式光伏交易智能合约设计 ............................................229 5.3.1 身份认证智能合约................................................................................230 5.3.2 光伏交易智能合约................................................................................231 5.3.3 需求侧响应智能合约............................................................................233 5.3.4 隐私机制设计........................................................................................234 5.4 系统性能测试................................................................................................235 5.4.1 吞吐量和响应时间测试........................................................................236 5.4.2 并发用户数测试....................................................................................236 5.4.3 稳定性和可靠性测试............................................................................237 5.5 结论与展望....................................................................................................238第六章其他典型应用.................................................................................................240 6.1 基于区块链的人工智能应用........................................................................240 The Graph ............................................................................................2416.1.1 Numerai ................................................................................................2416.1.2 Fetch.AI ................................................................................................2426.1.3 SingularityNET ....................................................................................2426.1.4 Ocean Protocol ..................................................................................2436.1.5 6.2 基于区块链的代码版权管理机制................................................................244 6.3 区块链在车联网中的应用............................................................................247 6.3.1 车联网概述............................................................................................247 6.3.2 车联网跨域数据安全共享技术............................................................250第七章区块链技术应用的限制和机遇.....................................................................252 7.1 区块链技术应用存在的挑战........................................................................252 7.2 区块链技术应用的发展机遇........................................................................256 7.2.1 AI与区块链 ...........................................................................................256 7.2.2 大数据与区块链....................................................................................257 7.2.3 元宇宙与区块链....................................................................................258参考文献......................................................................................................................... 260 图 1.1 区块链网络层次结构 ...........................................................................................5图 1.2 比特币区块链架构示意 .......................................................................................6图 1.3 常见的区块链攻击 ............................................................................................ 11图 1.4 区块时间戳精度 ................................................................................................ 16图 1.5 比特币挖矿难度校准过程 ................................................................................ 17图 1.6 基于 DAG的新型区块链架构 .......................................................................... 21图 1.7 区块链共识过程模型 ........................................................................................ 27图 1.8 基于“记账人”的共识机制 ............................................................................ 31图 1.9 基于容量空间证明机制的区块链结构............................................................. 42图1.10 基于“投票”的共识机制..............................................................................55图1.11 基于“委员会+投票”模式的共识机制 ......................................................63图1.12 区块链共识机制性能评估标准......................................................................69图 1.13 许可区块链和无许可区块链共识过程对比 .................................................. 72图 1.14 双重支出攻击实现流程.................................................................................. 84图 1.15 重放攻击.......................................................................................................... 86图 2.1 智能合约指令类型的分布概率 ......................................................................103图2.2 以太坊智能合约运行机制..............................................................................106图 2.3 Hyperledger Fabric体系架构 ......................................................................109图 2.4 Hyperledger Fabric交易执行过程 ..............................................................110图2.5 SCAC系统模型 ..............................................................................................117 图 2.6 智能合约跨分区执行过程 ..............................................................................121图 2.7 SCAC智能合约部署 ......................................................................................122图 2.8 基于门限值的跨分区合约调用过程...............................................................124图 2.9 物联网联盟链跨链交互场景 ..........................................................................129图 2.10 结点跨链通信过程........................................................................................130图 2.11 P2P通信方式下路径证明拓扑 ...................................................................133图 2.12 跨链路径签名构造时序................................................................................134图 2.13 价值转移智能合约生命周期........................................................................138图 2.14 价值转移智能合约部署时序........................................................................139图 2.15 价值转移智能合约触发时序........................................................................141图 2.16 结点价值转移的 4种情况 ............................................................................144图 2.17 单链性能测试................................................................................................147图 2.18 链间性能测试................................................................................................148图 2.19 4阶段智能合约部署时延 .............................................................................149图 2.20 4阶段智能合约执行时延 .............................................................................149图2.21 复杂物联网联盟链跨链交互场景................................................................151图 2.22 联盟链链间通信模型....................................................................................153图 2.23 授权协作的细粒度划分................................................................................154图 2.24 授权过程示意................................................................................................156图 2.25 基于多级混合共识的信任 -验证机制........................................................159图 2.26 跨链原子通信示意........................................................................................162图 2.27 低价值交易共识时延....................................................................................164图 2.28 高价值交易共识时延....................................................................................165图 2.29 跨链交易共识时延........................................................................................166图 2.30 低价值交易压力测试....................................................................................168 图目录 图 2.31 高价值交易压力测试....................................................................................168图 2.32 跨链交易压力测试........................................................................................170图2.33 授权交易自适应路由可靠性测试................................................................172图 2.34 智能合约的安全保障问题............................................................................174图 3.1 拜占庭结点占比与系统安全性的关系...........................................................192图 3.2 ABBCA与 Coin的时延对比 .........................................................................199图 3.3 不受限条件下的吞吐量测试 ..........................................................................201图 3.4 受限条件下的吞吐量测试 ..............................................................................203图 4.1 接受比特币作为支付方式的企业汇总...........................................................206图 4.2 Storj文件拆分过程 .........................................................................................213图 5.1 分布式光伏交易与需求侧响应的关系...........................................................226图5.2 智能合约主体设计..........................................................................................227图5.3 分布式光伏私有数据场景..............................................................................235图5.4 吞吐量和响应时间测试..................................................................................236图5.5 稳定性和可靠性测试......................................................................................237图 6.1 基于区块链的车联网跨域数据共享场景.......................................................248 表 1.1 经典侧链对比.................................................................................................... 24表 1.2 基于证明的混合替代共识机制（部分）........................................................... 53表 1.3 经典加密货币共识机制比较 ............................................................................ 70表 3.1 现有联盟链研究工作比较 .............................................................................. 184表 3.2 结点局部变量..................................................................................................196表5.1 并发用户数测试..............................................................................................237