公链公链系统

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公链

本条目由《科学中国》科普评论条目编译应用。

公链是指世界上任何人都可以读取和发送交易，交易可以得到有效确认，也可以参与共识过程的区块链。

中文名

公共区块链

外名

公共区块链

定义

全网开放

特点

世界上任何人都可以阅读

别名

非授权链

内容

12▪▪3

公链概念播报

根据区块链网络的中心化程度，在场景中区分出三种不同的应用区块链：

(1）对全网开放且没有用户授权机制的区块链称为公链；

(2）@ >允许授权节点加入网络，并可以根据权限查看信息，常用于跨机构区块链，称为联盟链或产业链；

(3）所有网络中的节点都在一个机构的手中，称为私链。

联盟链和私有链也统称为许可链，公链称为无许可链。[1]

公链公链系统广播

在公链中，任何节点都可以在没有任何许可的情况下随时加入或离开网络。从最早的比特币系统手动介绍公链系统的发展现状。

公链点对点电子现金系统：比特币

不同于传统分布式系统的C/S、B/S或三层架构，比特币系统基于P2P网络，所有节点都是点对点的，并且都运行同一个节点程序.

节点程序一般分为两部分：一部分是前台程序，包括钱包或图形界面；另一部分是后台程序，包括挖矿、区块链管理、脚本引擎和网络管理等。

区块链管理：涉及初始区块链下载、连接区块、断开区块、验证区块和保存区块、找到最长链的最上面的区块。

内存池管理：即事务池管理。节点将经过验证的交易放入交易池中，并准备将它们放入下一个要开采的区块中。

邻接管理：当一个新的比特币节点最初启动时，它需要发现网络中的其他节点并至少与一个节点连接。

共识管理：在比特币中，共识管理包括挖矿、区块验证和交易验证规则。比特币采用PoW共识机制比特币只有地址的概念，依靠机器进行哈希运算获得记账权。同时，每次达成共识，都需要全网共同参与运行，允许全网50%的节点错误。

加密模块：比特币使用 RMEMD 和 SHA-256 算法以及 Base-58 编码来生成比特币地址。

签名模块：比特币使用椭圆曲线secp256k1和数字签名算法ECDSA实现数字签名并生成公钥。

脚本引擎：比特币的脚本语言是一种基于堆栈的编程脚本，共有 256 条指令。它是一个非图灵完备的计算平台。能够计算任何具有复杂功能的任务。

公链智能合约和去中心化应用平台：以太坊

比特币的区块链架构对虚拟货币以外的应用场景支持非常有限。区块链技术独立于比特币，其作为可编程分布式信用基础设施的发展理念逐渐确立，并过渡到以支持智能合约、去中心化应用为特色的区块链2.0模型。以太坊是区块链2.0模型的典型代表。

与比特币相比，以太坊在整体设计上有以下区别：

(1）账户：比特币没有账户概念，用户余额是从他们各自计算出来的。区块链上所有未使用的交易输出（UTXO）都可以计算出来。以太坊设计了两种类型的用户，一种是外部账户，另一个是合约账户，根据状态机模型，以太坊可以可视化 是一个通用的去中心化管理对象状态转移的平台，账户是有状态的对象，外部用户的状态就是余额，合约的状态账户包括余额、代码执行和合约存储。

(2）@>区块链设计：以太坊的区块链不仅保存了交易列表，还保存了最新状态。纯Merkle树已经不能满足这些要求，所以以太坊采用Merkle Patricia树来实现交易和状态校验和查询。

(3）共识机制：以太坊版本采用基于Ethash算法的PoW共识机制。与比特币仅依靠CPU计算难度问题相比，以太坊的Ethash加入了Memory难度，引入有向无环图（DAG），避免矿池算力集中的问题比特币只有地址的概念，同时以太坊采用GHOST（GreedyHeaviest Observed SubTree）协议，同时为矿工生成“叔块”和矿工奖励，其中包括“叔块”进入主链，不仅增强了安全性，还进一步避免了算力集中的问题。下一个版本的以太坊将采用PoS共识机制。

(2）0@>图灵完备的计算环境：通过以太坊虚拟机（EVM）提供图灵完备的计算环境，支持虚拟货币以外的更广泛的应用场景。但图灵完备也意味着潜在的支持无限循环、递归调用等，这也带来了停机问题（没有通用的图灵机来判断任何输入的图灵机最终能否停机），以太币通过引入气体（Gas）作为强制交易费用，交易不提供gas的将不会被执行，也不会被包含在区块中，并且会终止对不足gas的计算。这样，以一种经济的方式保证了平台的安全。..[1]

公链公链系统存在的问题公示

(1）激励问题：鼓励所有节点提供资源，自发维护全网，公链系统需要设计激励机制，保证公链系统持续健康运行。然而，比特币的激励机制存在一个“验证者困境”，即未获得记账权的节点支付其算力验证交易而无任何回报。

(2）@>效率和安全问题：比特币平均每10分钟产生1个区块，其PoW机制很难缩短出块时间。PoS可以相对缩短出块时间，但更有可能产生分叉，所以交易需要等待更多的确认才能被认为是安全的。Gervais A 等人的实验得出结论，在各自拥有 30% 算力的前提下，以太坊需要 37 次区块确认才能达到安全比特币6个区块确认的级别。一般认为比特币中的一个区块经过6次确认就足够安全了，大约需要1个小时，这对于大多数企业应用的需求来说根本无法满足。

（3）公链面临的安全风险：包括来自外部实体的攻击（拒绝服务攻击、DDoS等）、来自内部参与者的攻击（冒名顶替者攻击、Sybil攻击、阴谋攻击）。等）和组件故障、算力攻击等。

(2）0@>隐私问题：公链上传输和存储的数据是公开可见的，只有通过“伪匿名”以某种方式保护双方的隐私。对于一些业务场景涉及大量商业秘密和利益，数据泄露不符合业务规则和监管要求。

(2）5@>最终确定的Finality问题：一笔交易的最终确定性是指特定交易是否会被纳入区块链。PoW等公链共识算法无法提供最终确定性，只能保证一个近似值一定的概率，比如在比特币中，2小时后一笔交易可以达到的最终确定性是92）6@>9999%，对于现有的工商业应用和法律环境来说不太适用。[1]

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参考文献