第4章 区块链的核心问题

第4章区块链的核心问题区块链概论高等职业教育科普教育系列教材本章节内容区块链的性能4.14.2区块链隐私保护4.3区块链安全4.4区块链的其他技术发展4.1区块链的性能区块链存在的不足与传统数据库相比，区块链在性能上存在诸多不足，具体体现在吞吐量、数据存储和可扩展性三个方面。1）区块内的吞吐量远远低于传统支付系统，这极大限制了区块链在金融系统等高频交易场景中的应用。2）全网存储的方式使得数据存储愈加困难，例如，比特币中完全同步自创世区块至今的全部历史数据大约每年增长61.59GB；以太坊则大约每天以2~3GB的速度增长。3）单链结构使得区块链系统的交易能力受限于单个节点，而共识机制也对区块链系统为适应交易增长而具有的动态扩展能力产生一定的影响。区块链的性能制约因素区块链1.0区块容量广播通信出块时间区块链2.0智能合约执行时间区块链3.0异构区块链之间的跨链交易执行合约调用共识形成区块链的性能优化方案算法层面A主要从共识机制、对等网络和密码学等技术着手，通过提供高速的网络连接，采用减少广播的共识机制或更高性能的加密算法等方法来提升区块链性能。主要采用可扩展性强的扩容技术。根据是否改变区块链架构，扩容技术可进一步分为第一层扩容技术和第二层扩容技术，也被称作“链上扩容”和“链下扩容”。架构层面B4.2区块链隐私保护隐私

隐私一般指个人、组织机构等不愿被披露的敏感数据信息或者数据所表征的特性，如个人的基本信息、位置信息、行为偏好等。区块链隐私泄漏事件2014年3月，日本最大的比特币交易平台MTGOX遭受分布式拒绝服务（DistributedDenialofService，DDoS）攻击，交易所用户信息被泄露，85万枚比特币被盗走，经济损失超过4.8亿美元。2016年6月，当时区块链业界最大的众筹项目TheDAO（以太坊智能合约组成分布式自治组织）因软件中存在的“递归调用漏洞”问题丢失价值超过6000万美元的以太币。2016年，中国香港比特币交易所Bitfinex发生用户私钥泄漏事件，黑客总共盗走了高达7500万美元的比特币。区块链的隐私问题区块链不依赖中心节点，诸如参与用户的地址和交易金额等交易记录常常在区块链上公开，便于节点验证、存储交易内容并达成共识，因此存在用户隐私泄露的风险。账户隐私区块链共享账本的公开性使攻击者可以借助数据分析技术跟踪用户交易流并窃取交易记录等数据。交易隐私通信隐私各个区块链节点的安全性能和对抗信息泄露的能力不一，这更增加了数据隐私泄露的风险。区块链的隐私保护机制010203混币机制以使用匿名认证方式的比特币交易系统为例，基于对公开账本中交易特征的分析，可以推测出匿名用户的交易规律，从而发现用户身份信息和区块链地址之间的关联关系。信息隐藏机制该机制通过对交易资金、交易参与方、交易关联性等交易信息进行加密隐藏处理，实现用户隐私信息的不可追溯，从而保障区块链中用户的隐私安全。通道隔离机制通道隔离机制是从网络层面对数据进行隔离，保护数据只对通道内节点可见。通过对账本进行隔离，每个节点只处理并存储自己所在通道的数据，防止攻击者访问数据，从而保护用户隐私。混币机制混币机制的工作原理如图所示，作为区块链系统中实现用户身份隐藏的基本思想，通过在交易过程中加入中间环节对多笔交易进行混淆，从而增加攻击者的分析难度，达到保护用户身份隐私的目的。信息隐藏机制目前信息隐藏机制主要有同态加密、零知识证明、环签名三种密码学技术。（1）同态加密是指将原始数据经过同态加密后，对得到的密文进行特定的运算，然后将计算结果进行同态解密后得到的明文，等价于原始明文数据直接进行相同计算所得到的数据结果。（2）零知识证明是一方（证明者）向另一方（检验者）证明某命题的方法，特点是过程中除“该命题为真”的事外，不能泄露任何信息。（3）环签名是一种简化的群签名，环签名中只有环成员，没有管理者，不需要环成员间的合作，签名者利用自己的私钥和集合中其他成员的公钥就能独立签名，集合中的其他成员可能不知道自己被包含在其中。通道隔离机制根据被隔离数据的存放位置，通道隔离技术可以分为链下通道隔离和多链通道隔离两大类。（1）链下通道隔离：主要应用于高频的小额交易。该技术通过在区块链上记录起始的状态来创建通道，然后在链下进行交易，具体数据通过合约保证安全，但不在区块链上公布中间交易记录，需要中止交易的时候，再将最新的结束状态公布到区块链上，然后终止通道并销毁历史交易记录。（2）多链通道隔离：该技术是在特定节点之间，构建独立的通信网络作为通道，每个网络的信息单独存放在对应的子账本中，非通道内节点不能访问，同一节点可以加入多条不同的通道。简而言之，多链通道隔离是通过在网络层面构建子网络，实现节点通信隔离，杜绝攻击者访问隐私信息，从而保护用户隐私。4.3区块链安全区块链安全区块链安全（BlockchainSecurity）是指当使用区块链技术保护信息及数字资产时，应当采取的安全措施。区块链是一种新兴技术，其安全和隐私措施还不完善，区块链的安全挑战被认为是最难应对的。区块链的隐私保护机制01当区块链网络中需要存储的数据超过大部分节点的存储容量时，会降低恶意节点“作恶”的难度，无法保证区块链的不可篡改性和可靠性，这就可能给区块链系统带来安全问题。数据存储安全02系统安全问题是指区块链系统漏洞引起的安全问题。攻击者可以利用这些漏洞盗取数字货币，或是单纯地破坏区块链系统。系统安全问题数据存储安全因为区块链系统链上存储的成本远高于一般数据库，为了减少存储数据的冗余，区块链系统将部分数据存储在链下。随着区块链系统的发展，数据存储方式可以分为链上存储和链上链下协同存储两种方式。（1）链上存储：早期的区块链系统的数据存储在底层数据库中，这种数据存储在底层数据库的方式称为链上存储，所有节点都需要存储这些数据。（2）链上链下协同存储：链上链下协同存储指的是区块链系统只存储用户上传数据的元数据，不存储完整数据，将完整数据存储在个别节点中。系统安全问题51%攻击01对于工作量证明算法（PoW），51%攻击是指某个拥有全网50%以上算力的“矿工”可以攻击整个区块链系统。加密算法攻击02区块链的安全性依赖于密码学加密算法的强度。多数区块链操作都会使用密码学中的哈希算法。智能合约攻击03智能合约本质上是运行在区块链上的程序，由开发人员编写。分布式拒绝服务攻击04拒绝服务攻击旨在破坏对特定目标的网络或资源的访问。区块链安全保护机制1.共识机制区块链系统采用了共识机制来维护系统的安全性。共识机制是一种去中心化的决策机制，通过多个节点的协作来决定哪些交易被确认和添加到区块链中。目前，常见的共识机制包括工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）和委托权益证明（DPoS）、实用拜占庭容错（PBFT）等。区块链安全保护机制2.数据储存（1）去中心化、分布式存储区块链数据存在于每个区块中，每个区块又存在于整个区块链网络中。（2）加密验证区块链中的数据经过加密和验证，一旦被添加到区块链中，就不可篡改。（3）数据备份为了进一步提高区块链数据的安全性和可靠性，一些区块链项目会采用数据备份的方式，即将区块链数据存储在不同的物理位置或者不同的存储介质中，以便在发生意外情况时进行恢复。区块链安全保护机制3.网络协议区块链网络协议一般采用P2P协议，以确保同一网络里的每台计算机彼此之间对等，不存在任何“独特”连接点。不同的区块链系统会根据需要制定各自的P2P网络协议，比如比特币有比特币网络协议，以太坊也有以太坊网络协议。区块链安全保护机制4.加密技术

加密技术主要包含散列算法和非对称加密算法。散列算法的原理是将一段信息转化成一个固定不动长度的字符串数组，提取数据特征。非对称加密算法指的是由对应的一对唯一性密钥（即公开密钥和私有密钥）组成的加密方法，可以保证数据的安全性。4.4区块链的其他技术发展分片技术的概念简单来说，分片技术就是一个分散式并行系统，在保持主链完整稳定的同时，减少每个节点的数据储存量，从而达到扩容的效果。它的特点是随着节点数目的增加，网络吞吐量也随之增。难点在于数据分片关键特征值的确定，以及元数据在片区之间通信的延迟造成的不一致性问题，频繁的跨碎片之间的通信会使区块链网络性能大大降低。区块链分片技术将分片技术运用到区块链中，就相当于将区块链网络里的所有待处理任务进行分解，将全网的节点也进行分组，每一组同时处理一个分解后的任务，这样就从原先单一节点处理全网的所有任务，变成了多组节点并行处理。区块链分片技术的优点交易速度更快区块链上处理交易的速度变成了每秒上千笔，甚至更多。降低交易费用采用分片技术后，因为验证单笔交易的处理量减少了，所以节点可以在保证运营盈利的同时收取较小的费用。区块链分片技术的分类02交易分片交易分片将客户端的跨片交易分成若干个相关的子交易，不同分片的跨片交易可以并行处理。01网络分片通过利用随机性，网络可以随机抽取节点形成碎片，这就可以防止恶意节点过度填充单个碎片。03状态分片这一技术的关键是将整个存储区分开，让不同的碎片存储不同的部分。因此，每个节点只负责托管自己的分片数据，而不是存储完整的区块链状态。侧链技术的概念侧链，是对于某个主链的一个相对概念。侧链协议是一种实现双向锚定（Two-WayPeg）的协议，通过侧链协议可以实现资产在主链和其他链之间的互相转换，或是以独立的、隔离系统的形式，降低核心区块链上发生交易的次数。侧链是以融合的方式实现加密货币金融生态的目标，而不是像其他加密货币一样排斥现有的系统。利用侧链，可以轻松地建立各种智能化的金融合约，如股票、期货、衍生品等。侧链技术的特点1）主链币通过双向锚定技术锚定侧链币，采取1∶1的比例或者其他预定汇率。2）侧链自己不能生产出主币，只能接受主链的输入，并在自己的链上生成对应的侧链币。3）侧链需要足够多的算例和共识保证侧链的安全。4）侧链独立于主链存在，侧链上发生的任何事情都不会影响主链，从而保证了主链的安全。这样就能更好地实现创新，极大地降低了比特币主链上的风险。5）侧链本身是独立的区块链，有自己的节点网络，代码及数据也是相对独立的，所以它在运行过程中是不会增加主链负担的，这也避免了数据过度膨胀的情况出现。侧链技术的实现方式01单一托管模式02联盟模式03SPV模式04驱动链模式05燃烧证明机制06混合模式跨链技术的概念跨链（Inter-BlockchainTechnology）可以理解为是实现两个或多个独立区块链之间资产流通和价值转移操作的一种协议。当两个分布式账本中的用户进行价值转移时，跨链需要保证账本之间的数据同步，这就需要保证两个账本之间的操作变动一致，不然会导致账本之间出现双花支付及价值丢失等问题。跨链可实现不同区块链之间的价值转移，但是并不会改变每条区块链上的价值总额。跨链技术解决了区块链的可扩展性问题，实现了单个区块链的价值最大化，有效解决了长期以来单个区块链之间由于无法交互而产生的价值“孤岛”问题。跨链技术的分类同构链跨链同构链跨链是指在具有相同底层架构的区块链之间实现价值的双向流通。01异构链跨链异构链跨链是指在不同结构的区块链之间实现跨链交互。02跨链技术的主要机制公证人机制目前应用最广泛、技术实现最简