分析：区块链与分布式账本技术

【计算机论文】分析：区块链与分布式账本技术

(电子商务研究中心讯)与分布式账本技术（如HyperledgerFabric或R3Corda）相比，以太坊区块链保持了相似性但也有差异。在对区块链和分布式账本技术平台及其带给企业的价值进行合理评估时，对其核心功能和特性进行系统梳理是很有必要的。由于区块链源于密码学和数据配置原则，某些功能在协同数据库系统中已经得到了很好的应用，而其他一些功能只有在真正的区块链技术中才能实现。在本文中，我们将评估面向企业平台（包括Ethereum，HyperledgerFabric和R3Corda）的基础业务功能，包括软件如何获取其影响以及整个系统是如何整体优化的，无论它是通过传统的分布式系统还是通过区块链系统。特别是，我们将重点关注三个关键功能：数据协调–系统中的信息和信任是如何更好地在利益相关者之间分发和分配；加密经济内部激励层–系统机制如何构建，以便不同的利益相关者和用户基于经济激励来确保系统的有效运行，例如博弈论和机制设计；数字资产整合–系统如何融入数字商品经济，也就是所谓的代币经济学。区块链的主要目标：企业想通过这项技术实现什么目标？像Ethereum这样的区块链与其他分布式帐本技术类似，有着相似的目标。然而想知道企业希望利用区块链技术实现什么样的目标很难，就像20世纪90年代的互联网刚刚诞生时一样，当时企业也不知道如何使用这种强大的工具。与现在的情况类似，目前我们都知道区块链技术能够实现很多功能，但如何将这些功能架构到商业业务逻辑上还需要进一步了解和评估其底层功能。有三个主要的评估维度：数据的处理和协调，可信及不可变的记录以及资产的数字化。这三大维度足以涵盖区块链的主要用途，同时允许将这些功能进一步外推到其他商业业务场景中。通过这三个方面的讨论，可以揭示实体企业使用该技术的背后逻辑。有效处理及协调信息如果以改进分布式系统设计或数据库协调性作为唯一目的，那么区块链不一定是必需的。在传统的宣传上，区块链是基于技术促进平台中数据传输，达到更好的数据协调和分布式共识机制。虽然有用，但这些所需功能特性的重要部分也可通过更好协调中央数据库或分布式系统设计进行优化。在评估当中，有必要确定平台和协议试图优化现有数据协调功能与实施新的区块链功能程度。区块链不仅只适用于更高级的数据协调。产品和交易记录的不可变/可信记录关于为什么我们需要区块链的原始论文围绕着“数字化信任”的概念展开。如ConsenSys的AndrewKeys所说“互联网导致信息数字化，而区块链导致信任和协议的数字化。”这个论点体现了区块链希望实现的精神，同时为我们的社会及商业提供了另一条路。额外的变量将是价值的数字化。当信任价值被锚定到系统时，某些联盟结构和激励机制将影响和激励系统内的正确行为，从而形成强大的平台。在设计一个系统时，不可更改（不变性）常常被用作信任的同义词，即因为系统是不可变的，所以人们相信系统不变性机制能确保做坏事会受到惩罚。在我们的平台协议评估中，重要的是要评估可信系统实施背后的机制，以确保商业模式机制（通过密码经济学进一步探索）会对平台用户有益。资产数字化商品和资产的数字化被视为大多数区块链或分布式账本技术的主要目标。如果企业正在尝试资产数字化，分布式账本的数据库协调能够提供一些功能，但更应该考虑这些数字产品的可用性。由于数据库协调实质上是集中运行或通过传统软件模式分布在一个或多个交易小组之间，因此数字化水平可能会受限于数字化平台提供的自由度。虽然数字化商品的概念听起来像一个简单的过程，但围绕房地产，甚至人类注意力及电力等商品如何数字化在经济激励动力和经济推理的不同方面，我们要重新考虑，哪个平台负责数字化，哪个供应商平台在哪种情况下出现“供应商锁定”程度以及对哪个管理平台的依赖。记录和注册管理机构（如权证系统和供应链）也可以通过分布式账本系统实现，但如果依赖封闭的专有系统，数字资产与经济激励层的互动水平相当有限，并且在扩散到数字生态系统或市场时会严重受阻。利用开放市场提供的自由市场系统对于在不断发展的数字生态系统中起促进作用。评估数据协调特性数据库协调：特征当深入分析了这些平台的功能特性时，如不可变性，安全性，可扩展性，可管理性和性能，但通过了解构建体系结构的基础，可以了解更多内容。在分布式系统中进行数据协调，已经有许多工具了。其中重要的例子就是Hadoop及其生态系统集成的Spark，Hive和Zookeeper等工具。对这些产品的依赖显示了分布式系统工具和协议的大量集成。进一步的相似性可以在协议中显示出来，例如Tendermint，BPFT共识引擎被设计为具有与ApacheZookeeper等工具类似的功能。在内部，也有研究沿着事件排序数据库的方向发展，可以从协调的数据共享系统中复制所需的多种功能。通过评估ApacheKafka及数据流服务如何在企业环境中实现高水平吞吐量，我们可以根据对这些数据库协调和优化的不同级别的依赖关系区分区块链和分布式分类账之间的功能差异。包括Plasma在内的以太坊实现正在利用像MapReduce这样的工具来增强UTXO和基于账户的模型之上的某些映射功能，同时也将组件减少到Merkle证明中，尽管协议的基础层依然依赖以太坊区块链。通过了解这些细节，可以进一步了解如何最好地评估这些软件平台的技术特性。数据协调：平台比较（1）IBMFabric通过深入了解Fabric体系结构，该平台创建了一个复杂的开发环境，专注于软件体系结构的详细配置实现出色的吞吐量，从而在分布式节点环境中实现最佳性能。客户端和分布式背书节点网络之间的链码的移动，以及满足认可政策的交易机制和收据传输在封闭系统中是有效的。而在专用信道内传播交易的Gossip协议允许协调大型数据集。虽然基础设施强大且有能力，但在思考如何设计架构以允许多边协调结构的过程中，要考虑最终可能存在一个难以管理的网络涉及的因素。图2：HyperledgerFabric架构该图展示了Fabric的一些架构配置以及组件如何组织到为高级信息处理和最大交易吞吐量而设计的系统中。主要思想是渠道提供了在平台内移动交易的机会。在查看体系结构时，OSN（orderingservicenodes）的功能用于记录ApacheKafka交易排序的功能。在数据流生态系统中，Kafka是一个功能强大的工具，具有将各种交易排序附加到单独的Kafka集群并最终分区的功能。这种设置中，数据能够分布在集群中以形成分布式存储平台，该分布式存储平台可以记录数据结构，影射在区块上或有时记录在“状态”的结构定义内被称为“块”或Blob的数据结构，价值储存配置。在此软件框架中承认的是，该生态系统中的所有参与者和数据结构都是本地的，因为它们主要与该软件生态系统中的其他用户一起工作。图3：ApacheKafka尽管应该认识到哈希的配置并不遵循与来自比特币或以太坊的区块链系统相关联的原始架构设计，但实际上Fabric采用了分布式帐本的子结构来部署某些哈希链接的数据存储。虽然数据blob被批量处理并经历交付事件以最终创建交易的散列链接，但必须了解，此过程不一定会将数据转换为系统状态的修改。相反，这些块的配置方式是将信息存储在具有不同散列实例的数据库类型结构中。在Fabric生态系统中，交付事件称为块，而链代码通过部署事件最终将数据保护在排序服务结构的链接部分中。该系统的数据结构和模块的配置能够允许分布式数据库体系结构预期的交易吞吐量，尽管应该承认，资产代码协调仍然是一个尚未完全解决的挑战，作为资产和价值的Fabric生态系统不一定具有可以在账簿中进行协调的数字表达。（2）R3CordaR3Corda声称不建立区块链的环境之上，而是一个分布式的数据库，利用各种形式的结构重新配置来构建，它主要由银行和其他机构用于其流程的系统。该平台大量借鉴了比特币交易中使用的UTXO模型，其中状态由一系列输入和输出定义，并且输入的不同重新配置可以决定输出的状态。R3Corda架构框架依赖于被称为公证的子模块的节点结构，该架构有助于保持其他平台中验证器结构的网络有效性，该结构有抽象共识功能。节点由附加在数据结构中的关系数据库组成，允许使用SQL进行查询。交易通信中受制于子协议。这些流程与IBMFabric中看到的渠道体系结构相当，只有与交易相关的各方才能访问信息。类经过转换，变成称为Fibers或协同例程的状态机。该体系结构与子流进行通信，并与在平台范围内具有预定义功能的流库进行交互。此外，Corda内还有一个自包含的身份层，允许在整个网络中进行不同程度的访问控制。R3Corda公开声明不打算成为区块链，因为考虑到将分布式数据库的概念重新配置到分布式数据库确实非常依赖传统数据库系统。虽然系统围绕新型数据结构和分布式系统组织方式的不同构成进行架构，但该平台确实具有数据分配的功能，并找到了各种优化数据分配系统功能的方法。需要记住的是，由于系统仅限于特定架构范围内的数据协调，因此，由于模块化和互操作性未在原始设计中实施，所以已经牺牲了与实际区块链系统的集成。图4：R3Corda工作流程（3）Ethereum以太坊生态系统由私有链和公有链生态系统组合而成。公有链没有在数据协调环境中描述的吞吐量和数据处理能力，因此不应根据这些能力进行评估。在评估以太坊的这一方面时，最有意义的是综合以太坊私有链的网络拓扑的不同细微差别。以太坊黄皮书颁布了关于以太坊的规范以及代码库的技术细节。由于严格遵守此协议，以太坊的分支以及联盟实施方案确实与原有的技术基础相类似。事实上，无论是在工作证明（ProofofWork，PoW），权威证明（ProofofAuthority）或利益证明（ProofofStake，PoS）实施方面，相同的规范都是连续的，因为协议被认为是相同的以太坊虚拟机（EVM）规范的后代。改进的体系结构仍然指定与原始EVM对齐。像Quorum这样的平台的关键变化包括改变共识机制，修改全球根状态以适应私有和公有状态，PatriciaMerkle尝试以及处理私人交易的附加模块。该架构允许该软件从原来的以太坊配置中维护系统和数据结构，同时通过改进实现更高的交易吞吐量。除了Quorum提供的改进的数据交易优化之外，通过诸如Plasma，Truebit和Cosmos等工具协调和集成公共以太坊环境的功能为协议提供了额外的可扩展性。通过对Plasma等工具的技术评估以及在Casper中获得一致意见的形式，数据库管理工具（如MapReduce和AbstractRewriteSystems）将在Ethereum中实施。在Plasma体系统中，MapReduce是汇集基于账户的系统的协调和多重设置的位图–UTXO承诺结构的组成部分。通过结合防欺诈机制设计（Fraud-proofmechanismdesigns）和权益激励结构（Fidelitybondincentivestructures），利用根链，Plasma链和子链之间的相互作用，精心策划的交易处理范例有助于满足Block-withholding和Masswithdrawalsurfaces之间的动态。它还允许使用来自Casper或Truebit等系统的机制来填充更多的加密经济结构，以便根据空间中普遍存在的数据可用性问题镜像擦除编码中使用的概念。对于多连接体系结构，以太坊将能够将分布式数据库系统的数据库协调和吞吐量功能与实际区块链的公有链兼容功能相结合。数据库协调：结论关于数据库协调能力的一个可行结论是，由于依赖传统数据库和分布式系统软件架构，IBM基于整体单一设计和大量资源密集型过程，构建了Fabric，IBM拥有卓越的数据库管理工具集。R3Corda仍在进一步定义其功能，同时为银行和金融机构提供多种协调服务，对比特币协议中的细微差别进行私人重新配置。以太坊虽然设计用于公有链的兼容性，它没有IBMFabric的原始数据库处理能力，但和Fabric相比，在企业案例中具有很好的可用性和可伸缩性。遵循基于unix理念的模块化设计，以太坊和互补客户的私人实例可以作为构建大型系统的构件。与Ethereum相关的代码库旨在与Fabric等数据库平台的事务吞吐量功能相媲美，同时允许Corda和Fabric中不存在的功能，但互补关系也可跨平台进行探索。主要的区分因素可能会从后续因素的评估中进一步阐明。软件平台内的一个加密经济子系统需要机制设计和博弈理论的各种配合，激励系统内角色以最优方式行事，这既有利于他们自身的利益，也有利于整体生态系统。区块链系统与分布式账本数据库系统的核心区分原则是能够将机制设计作为一种经济激励层，确保适当信任和合作，使系统的行为方式有利于实现用户分布式共识及安全。这些依赖于“反向博弈论”设计的系统的主要目标是在一个子系统内创建一个主导策略，从而形成激励的均衡结构，并进一步增强整个系统的整体完整性。加密经济机制设计实例Plasma&TruebitPlasma旨在为以太坊网络带来可扩展性和多链性。通过提供以太坊体系的多个区块链可以相互连通的催化剂，Plasma可充当私有链和公有链网络之间的沟通桥梁。进一步的分析可以看出，Plasma为Ethereum网络提供了扩展性和可用性。要了解Plasma的有效性，了解Plasma的设计机制很重要。大量的互操作性是通过所谓的Fraudproofs来实现。通过配置区块链，基于MapReduce函数的计算及通过最小化信任来实现可伸缩性，以便即使是新派生的子区块链仍然可以可靠地验证交易。围绕Plasma设计了一种机制，以便在发现故障链时允许所谓的MassExists。这些与错误操作有关的情况与数据可用性的不一致性和阻止预扣攻击(blockwithholdingattacks)相关。通过允许关联链的交替配置惩罚邪恶活动的机制，生态系统希望实现内聚均衡。Plasma在Truebit平台上实现相当多高密集的经济激励结构，旨在增加以太网网络的离线计算能力。通过构建Truebit系统围绕验证博弈进行构建，在该验证博弈中，整体共识机制的解算器可以被验证者挑战，验证者如果识别出邪恶行为则获得奖励，这是一个系统内部加密经济的“检查和平衡”公平的行为策略。由于Plasma通过TrueBit的影响致力于创建一个多连接互操作性网络，系统的内部实施对于实现信息和共识保真度至关重要。以太坊Casper权益证明在以太坊通过实施Casper权益证明共识机制的过程中，也可以看到加密经济激励层的一个例子。尽管工作证明（POW）有自己的内在博弈理论激励结构来防止参与者操控网络，但是向权益证明过渡还有更多的内部结构来阻止参与者在遇到分叉时模凌两可或试图创建区块链的其他实例。权益协议创建了一个拜占庭容错环境（ByzantineFaultTolerant，BFT）。在这个环境中，Ether将被绑定到共识机制中。这意味着，参与者在系统内将受到忠诚的约束。如果攻击者计划在共识机制中模棱两可或试图控制，那么有关切入型算法“slasheralgorithms”的各种协议将会破坏Ether所有者或攻击者的权益，从而惩罚他们的恶意行为。在惩罚背后的机制设计中，Ether破坏的数量一直被编程为与攻击者希望获得的数量成正比，在这个数量中，攻击者永远不想妥协系统。CosmosandTendermintCosmos也在建立一个依赖Tendermint共识机制的生态系统，该机制严重依赖于拜占庭容错算法。该平台依赖于与比特币网络中矿工类似的验证器。验证人拥有一个叫Atom的token，用于通过依赖绑定验证器生成的信任的证据机制来保护网络。Cosmos生态系统中的参与者之间的相互作用也表明了一种博弈理论结构，即如果发现验证者发现违反协议，验证者可能会丢失其令牌（Token）或委托给他们的令牌。由于这个系统中的利益相关者的这种保税存款设计，共识机制允许保护网络的激励机制。此安全设计允许应用程序区块链接口（ABCI），区块链间通信协议（IBC）以及Cosmos集线器和区域之间的不同交互功能正常运行。R3Corda和IBMFabric需要注意的一点是，R3Corda和HyperledgerFabric在其软件体系结构中没有这些加密经济激励层。由于软件体系结构是基于分布式数据库聚焦范例进行基础设计的，因此它们最初不是为在整个框架中加入加密货币层而设计的。由于软件设计的内在差异，它们还没有经过校准，无法参与那些与众多区块链具有互操作性和协调性的多链生态系统。由于系统结构的最大吞吐量考虑在内，基于这些系统的初始构建，忽略了包含区块链（包括公共区块链主网）的可互操作网络拓扑的体系结构布局。为什么加密经济机制设计是必要的？有人可能会问，为什么要把加密经济基础设施层架构在软件上？因为存在于计算环境中的这种模型所创造的是一种不变的可信任的新层，而不依赖于中心化实体。数十年来，我们一直在客户端-服务器和数据库中构建软件。像IBM，Intel和Oracle这样的公司在其初创及其后创的系统及子系统中完善了这个模型，而这些模型仍然在分布式系统以及新近的分布式账本系统中使用。尽管这些体系仍然集中在各个方面，无论是通过中心化实体还是cartel-like(卡特尔式)的联合体结构。这种联盟结构为了确保系统的正常运行，激励机制都是基于中心实体而不是真正的激励结构。图6：客户端服务器模型去中心化系统为在软件环境中达到某些目标提供了可行的替代方案。这种方案主要权衡是内部交易信任vs执行。由于大型中心系统的信任度更高，因此它被认为能够更好地执行。尽管区块链系统的特征，是在这个系统中信任和价值可以在不依赖大型中心实体的情况下合理配置。在系统设计中倡导的一个思想是，为了优化系统，还需要对子系统进行次优化。这意味着系统的协调必须进行协调和架构，以便内部子系统在整个更大的生态系统中也具有利益及激励，以进一步实现合作目标。通过创建一个用于整体环境优化的加密经济博弈理论，融合计算机科学和经济模式，以创建数字经济中的新软件架构。基于对数字经济的这种愿景，应该认识到，使用私有链和公有链的组合互动，各层商业和商业关系超越传统模式，创建一个可行的数字生态系统成为可能。整合到区块链token经济体系中为了调查的目的，有必要定义Token化的概念，它借鉴了这样一个概念，即企业或实体能够根据我们生态系统中目前存在的某些数字标准，创建各种形式的资产、商品和服务的可互换或不可互换的表现方式。最初的token化设计会有各种各样的故障和缺陷，Token经济仍在发展，需要时间迭代才能进一步完善。尽管资产，金融产品，能源和注意力的Token化都是可行的商业模式，但它们实施的确切动态需要额外的功能和访问层次，需要时间进行改进。token化经济需要博弈论机制设计和区块链创新，随着它们带来重大发现和发展，最终促进token化经济的成功。正如JoshStark关于数字经济学的文章中所描述的那样，评估表现出最强可用性迹象的Token，看看它是否构成了整体业务的经济学和博弈论设计的必要组成部分。如果企业可以对其生态系统的各个方面进行数字化或Token化，那么创建的产品线将以指数级扩展，超越了我们用来交换实物商品，金融资产，商品或技术服务的传统方式。通过创建Token化资产可以实现数字媒体。一些重要的发展可以从新的生态系统发展而来。在查看区块链工具的生态系统时，显然以太坊实际上是Token化经济得以创建的基础。如果Token化经济模型能够结合私有链，可扩展性解决方案和隐私工具（如ZK-Snarks）的功能，则数字资产的整体Token化将全面超越受内部激励限制的传统经济模式。实现区块链的业务目标为了实现区块链的上述业务目标，我们必须评估需要提供服务的各个维度。在详细介绍上述模型功能的图表概述中，Ethereum能够实现分布式数据库协调方案，激励层以及Token化，而R3Corda和IBMFabric尚有一些功能未涉及。我们针对现实世界不同的业务场景应用不同功能，以更好地理解平台的功能。图7：功能摘要信息的有效分配从功能上讲，从分布式系统的数据库协调和利用角度来看，这些产品有着同样相匹配的功能。R3Corda，IBMFabric和企业版以太坊确实具有分布式信息分配功能，可以通过不同层次的访问权限控制和联盟配置管理来促进信息分配。虽然每个平台的软件架构配置都不相同，但每个平台都可以执行有效的信息分配和协调所需的性能。可信不可篡改的信息在许多这些技术的背景下，不变性被视为信任的同义概念。在评估不变性特征时，必须了解的是，在利用基于Apache的数据流工具（如Kafka）的系统中，存在允许读/写数据访问的固有功能。因此，由于在系统设计中进行了一些选择，IBMFabric的不变性方面受到一定限制。对于R3Corda基于UTXO模型的系统，不变性方面在整个系统范围内保持不同。由于其系统的整体分布式账本设计，它们已经建立了可在整个平台上展示的某些信任方面。在以太坊背景下建立起来的信任和不变性都是在基于PatriciaMerkleTries的公有链的子协议中。由于这种生态系统内核心软件范例的保存以及与公有链的可连接性，以太坊区块链和以太坊的相关派生能够充分证实不变性。随着资产数字化开始，这种不变性中获得的信任终将增加生态系统的价值。资产数字化应该认识到，IBMFabric名义上能够创建数字资产的，因为资产的数字化实际是把产品注册成数字格式。但是在Fabric上创建的数字化资产将只能在Fabric的系统上运行。就像如果你在某一电子邮件客户端A上创建的邮箱只能够与使用完全相同的电子邮件客户端A的人进行通信，这与当前世界中存在多个电子邮件客户端可以互相通信的不同。R3Corda也存在类似的不一致之处，因为R3的平台用户在与R3之外的其他平台进行交互通信时会受到限制，从而导致供应商锁定(vendorlock-in)。由于R3Corda主要关注银行客户，而银行需要独立的银行软件。应该指出的是，该平台的用户将仅限于与仅使用R3Co