https://arxiv.org/pdf/1803.00892.pdf
一种基于区块链的应用程序框架
以法莲·费格（Ephraim Feig）
IEEE终身研究员
抽象
区块链最近引起了学术界和工业界的爆炸性兴趣，提出了许多应用。但是，与可实现的提案相比，对许多这些提案的描述更具想象力，甚至常常缺少基本定义。我们定义“区块链”和“区块链网络”，然后讨论两种非常不同的，众所周知的区块链网络类别：加密货币和Git存储库。我们确定了两者的共同原始元素，并使用它们来构建一个框架，以明确表达区块链网络的特征。该框架包含一系列问题，每个区块链计划都应从一开始就解决。它旨在帮助人们确定区块链对于特定应用程序是否是合适的方法，如果适用，
1引言
区块链被誉为“一项基础技术：它有潜力为我们的经济和社会系统创造新的基础” [ 1 ]。人们声称区块链将简化电子健康记录流程[ 2 ]；将“在整个供应链中增加可见度和效率，从而为您的客户和贸易关系提供更高的价值” [ 3 ]；将跟踪房地产的所有权[ 4 ]；可能“破坏保险业并改变我们共享数据，处理索赔和防止欺诈的方式” [ 5 ]；“可以彻底改变物联网” [ 6 ]。
在引用的应用程序中没有对区块链的明确描述。但是众所周知，加密货币的区块链。正如中本聪（Satoshi Nakamoto）所写的[ 7 ]，需要它们来实现“不依赖信任的电子交易”。交易的完整，不变的公共记录不是加密货币的设计目标。恰恰相反，加密货币纯粹主义者完全不希望有任何记录，以加强身份隐藏。中本聪写道，众所周知，[ 8 ]“要在没有可信任方的情况下实现这一目标，必须公开宣布交易。” 公共分类账是为了使加密货币具有完整性而需要付出的代价。
中本聪在论文中指的是什么信任？他在一个在线论坛[ 9 ]中写道：“传统货币的根本问题是使货币运转所需的全部信任。必须信任中央银行不要贬低货币，但是法定货币的历史充满了对该信任的破坏。必须信任银行持有我们的钱并以电子方式进行转移，但它们会在信贷泡沫浪潮中将其借出，而储备金却很少。我们必须以我们的隐私来信任他们，不要让身份盗贼耗尽我们的帐户。”
与加密货币世界中的类似物相比，央行和法定货币问题表明中本聪陷入困境。任何人都可以创建一种加密货币（其中有超过1,500种[ 10 ]），即使是最成熟的加密货币也会对其创建者的异想天开[ 11 ]。至于银行的滥用行为，相对于总货币数量而言，与加密货币交易所的庞氏骗局相比，它们显得苍白无力[ 12 ]。至于流失账户，加密货币损失很大[ 13]。我们必须信任银行来持有和转移资金的担心是真实的，但是大多数情况下是某些法律机构禁止转移资金的情况。加密货币提供的最大优势是身份隐藏，并且仅适用于能够掩盖其足迹的人[ 14 ]。为了获得这一优势，比特币需要
1个
具有工作量证明（PoW）的区块链。今天（2018年3月1日），这种优势的成本估计为每笔交易耗电791千瓦时[ 15 ]，交易的批处理速度缓慢，以及诸如欺诈保护和损失追回等标准支付服务的损失。
人们已经认识到运营比特币网络的巨大成本，并且正在部署新型的加密货币来应对它们。那些使用股权证明（PoS）代替PoW的新兴[ 16 ]，以太坊有望在不久的将来实现其版本[ 17 ]。PoS将托管组件添加到网络[ 18]，使它更接近标准支付系统，同时仍然绕过中央授权。货币以外的应用程序的区块链在符合标准信任模型方面走得更远。对于企业应用，已经提出了许可区块链，其中“参与者需要获得邀请或加入许可。访问控制机制可能会有所不同：现有参与者可以决定未来的参与者；监管机构可以颁发参与许可证；[ 19 ]进一步远离信任厌恶系统，我们拥有的私有网络不仅受到许可，而且限制了谁可以看到区块链。
Git可能是最成功的区块链平台[ 20 ]，并且已经运行了十多年。它是最流行的版本控制系统。虽然它主要用于软件团队开发，但可以用于维护任何基于文本的记录集。支持比特币的软件是在Git [ 21 ]上开发的，是一个开源项目。Git存储库的每个分支都是以提交为块的区块链。同行是软件开发人员，他们都应该维护存储库的master分支。Git是基于许可的，共识是基于信任的；没有任何挖掘或任何证据。开源项目的Git区块链对公众可见；私人存储库限制了谁可以看到它们。
与比特币不同，在Git中，分叉是一个偶然的，不常见的事件，分支是一种可操作的方式。与比特币不同，在接受最长的区块链时会放弃叉子，而在Git中，分支经常合并。令人惊讶的是，与比特币不同，在比特币中，人们完全不喜欢中央权威，即使Git是点对点系统，Git项目也几乎总是与某些Git托管服务（如GitHub，Bitbucket，Perforce或CloudForge [ 22 ]。
人持反对意见的Git分支是否是blockchains [ 23 ，24 ，25 ，26 ]，因为已经出现了只有在这个新的领域提出了一些定义，这些定义并不一致。我们喜欢[ 27 ]中的方法，其中术语“区块链”是指数据结构，术语“区块链网络”是指如何部署该数据结构。我们还希望定义足够广泛，以便包括在完全不同的信任环境中运行的加密货币和Git分支。
定义：区块链是一系列数据块，除第一个块外，每个块都通过密码链接到其前身。
密码链接是众所周知的[ 28 ]。我们没有指定如何以图形方式链接块。[ 29 ]中描述了比特币链接，[ 30 ]中描述了Git链接。
定义：区块链网络是一种点对点网络，在该网络中，对等网络通过使用区块链来实现共同的目标。
比特币系统是一个区块链网络。Git存储库是一个区块链网络，其中主分支是协作中使用的区块链。虽然Git同行经常通过创建新分支来叉化区块链，但他们使用master分支进行协作并努力将其其他分支与之合并。通常，尽管在某些应用程序中这可能是共同的目标，但我们并不主张对等方都维护相同或完整的区块链，也不主张网络维护不可变的区块链。
2
2背景
比特币和Git区块链在通过密码哈希连接的通用块中具有基本的数据结构，而在存在或不存在工作量证明（PoW）方面则具有根本区别。在引入区块链一词之前，对密码哈希和PoW都进行了很长时间的研究。看看它们是如何部署的，然后问为什么两个人突然之间产生如此巨大的热情很有启发性？
自1970年代末以来，就一直存在将数据块与加密散列链接在一起的想法。到1982年，当Ralph Merkle的专利[ 31 ]被授予时，密码协议已经在发展[ 32 ]。他的名字命名的数据结构中，梅克尔树，处于对等系统，其中发现效用对等所需的所有共享相同的数据[ 33 ，34 ]。数据中的任何更改都将很快被检测到。在大多数情况下，当检测到更改时，就有追索权，可以撤消更改。想要更改的同行可以接受；不想更改的同龄人可以撤消更改。如果同行无法达成共识，他们可以沿着不同的道路分歧。
比特币区块链是一个二进制的默克尔树，其中每个右分支仅包含一片叶子，被视为从左到右的序列。每个比特币块都将交易数据存储为Merkle树。因此，任何变化都易于检测。但是，比特币交易是不可逆的，并且无法补救双倍支出。因此，为了保持比特币的完整性，中本聪不得不引入PoW。幸运的是，PoW还提供了传播新比特币和激励同行的机制。
PoW由C. Dwork和M. Naor于1992年提出[ 35 ]来打击电子邮件垃圾邮件。更一般而言，PoW可以使人们变得非常昂贵，从而阻止他们从事不良工作。提出了PoW来减轻分布式拒绝服务攻击[ 36 ]。在2003年，提出了PoW在对等系统中提供激励措施[ 37 ]。比特币中使用的特定PoW是Adam Back于1997年提出的Hashcash [ 38 ]的变体，它需要找到一个随机数产生一个带有前导0的哈希值。
在比特币之前，PoW并没有获得任何明显的吸引力。对其最初提议的应用程序（垃圾邮件预防）进行的研究得出的结论是，PoW“不起作用” [ 39 ]。有了比特币，情况发生了变化。有些用户坚持使用一种支付系统，在该系统中，参与者隐藏了自己的身份，对他们而言，收益大于成本。
3区块链网络动态
加密货币和Git的区块链网络的特征在于以下活动：1.开发人员创建和部署网络。
部署网络后，
2.用户将数据输入网络
3.同行提出添加到区块链的区块
4.同行验证提议的区块
5.同行努力达成共识
它们在两个基本方面也有所不同：
6.是否有不可逆输入
7.区块链是否不变
在所有情况下
3
8.激励同伴们去表演
我们看到三种类型的参与者：开发人员，用户和同龄人。尽管开发人员扮演着至关重要的角色，但它们并不是框架的一部分。该框架一旦运行便与稳态网络相关。
对于加密货币，对等方是用户，但大多数用户不是对等方。大多数用户只是输入交易。当他们收到付款时，他们就不会与区块链互动。区块链是公共的，每个人只要看一下就可以成为用户。但是，由于不能强迫收款人提供收到的付款证明，因此无法使用区块链来证明向特定收款人付款。有一整类用户都在分析加密货币区块链以捕获非法行为，例如洗钱和逃税。这些包括美国部门DEA，FBI，ICE，IRS和SEC [ 40 ]。
在Git中，将数据输入到区块链中的用户也是同行。他们输入代码片段，并一起创建和维护一些所需的代码。同行的Git用户并没有隐藏自己的身份，而恰恰相反，他们为自己的贡献寻求认可。另一组用户使用代码并进行部署。
在比特币中，对等点成功通过PoW之后，它将提议一个包含一组交易的区块，该交易的大小受比特币协议的限制。比特币激励措施是使对等方在将其提议给网络之前先对其进行验证。几乎总是，即使所有对等方都在努力证明自己的证据，只有一个人提出了一个区块（在极少数的情况下，一个分叉，两个或多个对等方将各自提出一个区块），而其他对等方将对其进行验证。此后，对等方立即从头开始，重新进行证明，当对等方成功时，它提议新的事务块。可以看到这里的巨大成本，因为在每个周期中，所有同级的重复工作基本上都是浪费的，但对于维持系统的完整性是必需的。
在Git中，块是一个提交，其中的数据描述了对代码所做的更改。这些更改采取对代码进行添加和删除的形式。提交没有大小限制。几个对等方可以同时提交他们一直在单独处理的代码块，并且所有这些都可以添加到区块链中。
在比特币中，验证涉及一组固定的确定性规则[ 41 ]，并且自动完成，无需人工干预。同行确认支付者有足够的资金来支付其付款，为此，他们必须验证用于支付的比特币是否仍在流通中。正如Nakamoto指出的[ 7 ]，“确认不存在交易的唯一方法是了解所有交易。” 这就是比特币对等需要整个区块链的原因。
在Git中，验证更为细致，涉及人类活动。没有固定的确定性规则来指定块的有效性。当提议将一个新块添加到master分支时，对等方必须检查它是否不会使代码崩溃。为了做到这一点，他们必须拥有完整的代码。这就是Git对等方需要整个master分支的原因。同行不能保证一个块不会使代码崩溃；他们只能说他们已经对它进行了充分的测试，并且对继续前进感到满意；如果以后发现错误，则可能会有人修复。他们还可以验证所建议的代码是否确实执行了用户在提交的消息部分中应执行的操作，以及所希望执行的操作。
比特币共识是自动的。同行选择高度最大的候选区块链。带有PoW的比特币协议保证，只要拥有网络中大部分哈希算力的对等端均进行真实验证，然后渐近渐近，具有最大高度的区块链将是有效的。请注意，对于用户而言，信任比特币网络是网络中的大多数散列能力，而不是大多数对等体。如果没有共识，则区块链可能会分叉，而对等方可能会继续使用其中一个分支或两个分支。
Git中的共识不是自动的。对等体具有分层权限。他们可能彼此了解，彼此交谈，并经常屈服于具有最重要贡献的同龄人。Git使用一种有趣的PoS形式；赌注包括同伴的声誉，权限级别和开发团队的成员资格。与比特币一样，如果没有达成共识，则该项目
4
可能会分叉，而同行可能会继续选择。
比特币交易是不可逆的。一旦付款，就没有追索权。使用Git，如果用户提交的代码块包含了同行没有捕获到的细微错误，则有人可以在以后的提交中修复该错误。这不是罕见的Git事件。
比特币区块链实际上是不可变的。使用Git，人们可以重写历史记录[ 42 ]。
加密货币同行受到采矿奖励和交易费用的激励。开源项目上的Git同行会得到他们想要的代码和认可，从而获得回报。在封闭项目中，同行通常是受薪软件开发人员。
4框架
该框架是一系列问题，要求提供与区块链网络动态相关的细节。它应在基于区块链的应用程序开发之前的概念阶段使用。
1.用户是谁？
2.用户输入什么数据？
3.任何输入都是不可逆的吗？
4.谁是同行？
5.同行如何创建区块？
6.同行验证什么？
7.同行如何验证？
8.同行如何达成共识？
9.区块链是不变的吗？
10.同行如何激励？
谁是用户？用户是否有当前系统无法很好处理的任务？他们是否想做一些没有区块链就无法完成的事情？他们主要担心自己的数据有风险吗？他们期望降低成本吗？他们期望什么性能期望，例如事务延迟？用户将对区块链有访问限制吗？会有几类用户使用一个区块链，还是一类用户使用多个区块链？
用户输入什么数据？用户是否使用指向存储在其他位置的Blob的指针输入Blob（大型数据集）或事务数据？是否会有一个用于多种交易类型的区块链或几个区块链，每个区块链都用于一种特定类型的交易？
是否有任何不可逆的输入？对于这些，潜在的责任是什么？
谁是同行？谁可以成为同行？需要多少个同伴？理想的同行人数是多少？最初的同行是谁？同行之间有多少信任？同行会否对区块链有访问限制？在其他区块链网络中也有同行吗？
同行如何创建区块？有多少笔交易或合同，或其他什么东西？何时形成块？块有尺寸限制吗？块中的数据是结构化的还是非结构化的，或者两者都是？对等方是否必须先处理数据才能将其放入块中？
同行验证什么？同伴是否验证数据满足5以外的某些条件
句法约束和/或事物证明？验证是确定性的，还是同行有时需要做出判断？
同行如何验证？同行需要什么信息才能进行验证？他们是否需要区块链进行验证？他们需要整个区块链吗？验证期间，同行可以互相交流吗？
同行如何达成共识？什么是信任模型？同行可以在共识过程中相互交流吗？
区块链是不可变的吗？如果是这样，潜在的负债是什么？
同行如何激励？同行竞争报酬吗？用户是否竞争以吸引同龄人来为其输入服务？
5讨论
人们最近迷恋于避免依赖信任。他们认为，更准确地说，他们可以创建不信任对等方的分布式网络，该网络比个人或组织更值得信赖。他们认为，完整的记录历史，甚至是个人记录，都应该公开显示，并隐藏身份。他们希望在没有第三方干预的情况下自动验证合同或合规性义务。他们将区块链视为实现所有这些的驱动技术。
正如我们所看到的，区块链背后的核心技术已经众所周知了数十年。数据的加密图谱链接用于对等文件共享，例如BitTorrent [ 43 ]以及数据和软件分发[ 44 ]。他们不需要工作量证明，因为可以快速发现并处理任何篡改。比特币改变了一切，即使立即发现双重支出，也无法撤销。比特币引入了一种新颖的方式，将密码链接与工作量证明相结合，经过多年的渗透，这一概念现在引起了极大的兴奋。
Git展示了区块链在信任环境中可以成功。因此，将区块链的定义不限于任何特定的信任模型是有道理的。不同的信任模型将导致不同的验证和共识协议。托管在GitHub上的开源项目提供了基于信任的共识实践的示例。例如，参见比特币核心[ 45 ]中与共识有关的准同伴的说明。将其与对Git平台软件[ 46 ]的同级指令进行对比。
在设计业务应用程序时，应该问：在应用程序中什么地方发生欺诈或意外错误？在许多情况下，数据一旦存储就几乎不会发生，而通常在数据输入期间发生。在这种情况下，验证可能需要一定程度的信任。例如，在供应链应用程序中，如果交易发生时实际上不存在同伴（例如装在卡车上的箱子），他们将如何验证输入的数据是发生的真实记录？
几乎所有当前提出的区块链都要求不可变性，这是一种责任。例如，在公共区块链中，如果密钥泄露，则与该密钥关联的所有不可变记录都将永久暴露。在标准系统中，如果密码泄露，则暴露与该密码关联的记录，直到更改密码为止。对于某些基于区块链的应用，放松对不变性的要求可能是一个适当的选择。
在某些应用中被认为是优点的不可逆性也可能是一种责任。使用比特币，付款人甚至不能使用区块链来证明谁是收款人。如果比特币所有者丢失了私钥，则与之关联的硬币将永久丢失。比特币中没有相当于密码重置的功能。据估计，数百万的比特币已经永远丢失了[ 47 ]。
6
六，结论
除加密货币和Git之外的基于区块链的应用程序还处于早期阶段，显然有极大的热情去探索和创建它们。我们预见了一系列信任模型的发展，以及与之相对应的带有验证和共识协议的区块链网络。我们定义了区块链和区块链网络，通过不需要不变性来扩展通常的定义。我们看了两个相反的信任模型的激励示例：比特币和Git。通过考虑它们的共同属性，我们创建了一个框架，以在讨论提议的基于区块链的应用程序时加强具体性，并指导其早期设计阶段。
参考文献
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