公有链

区块链类型

公有链是指全世界任何人都可读取、发送交易且交易能获得有效确认的、也可以参与其中共识过程的区块链。

概念

根据区块链网络中心化程度的不同，分化出3种不同应用场景下的区块链：

（1）全网公开，无用户授权机制的区块链，称为公有链;

（2）允许授权的节点加入网络，可根据权限查看信息，往往被用于机构间的区块链，称为联盟链或行业链;

（3）所有网络中的节点都掌握在一家机构手中，称为私有链。

联盟链和私有链也统称为许可链，公有链称为非许可链。

公有区块链系统

公有链中，任何节点无须任何许可便可随时加入或脱离网络。从最早的比特币系统人手介绍公有链系统的发展现状。

点对点电子现金系统：比特币

与传统分布式系统的C/S , B/S或三层架构不同，比特币系统基于P2P网络，所有节点对等，且都运行同样的节点程序。

节点程序总体上分为两部分：一部分是前台程序，包括钱包或图形化界面;另一部分是后台程序，包括挖矿、区块链管理、脚本引擎及网络管理等。

区块链管理：涉及初始区块链下载、连接区块、断开区块、校验区块和保存区块，以及发现最长链条的顶区块。

内存池管理：即交易池管理。节点将通过验证的交易放在一个交易池中，并准备好将其放入下一步挖到的区块中。

邻接点管理：当一个新比特币节点初始启动时，它需要发现网络中的其他节点，并与至少一个节点连接。

共识管理：比特币中的共识管理包括挖矿、区块验证和交易验证规则。比特币采用PoW共识机制，依赖机器进行哈希运算来获取记账权，同时每次达成共识需要全网共同参与运算，允许全网50%节点出错。

密码模块：比特币采用RIMEMD和SHA-256算法及Base-58编码生成比特币地址。

签名模块：比特币采用椭圆曲线secp256k1及数字签名算法ECDSA来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个指令，是非图灵完备的运算平台，没有能力计算任意带复杂功能的任务。

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局限性，随着区块链技术从比特币中独立出来，其作为可编程的分布式信用基础设施的发展理念被逐渐确立，并过渡到区块链2.0模式，以支持智能合约、去中心化应用为特征。以太坊是区块链2.0模式典型代表。

与比特币相比，以太坊在整体设计上主要有以下不同：

（1）账户：比特币没有账户概念，用户余额是从各自在区块链上所有未花费交易输出（UnspentTransaction Output, UTXO ）计算得来。以太坊则设计了两种用户，一种是外部账户，一种是合约账户。根据状态机模型，以太坊可视为一个通用的管理对象状态转移的去中心化平台，账户就是有状态的对象。外部用户的状态就是余额，合约账户的状态包括余额、代码执行情况、合约的存储等。

（2）区块链设计：以太坊的区块链不仅保存交易清单，还保存最新状态，单纯的Merkle树已无法满足这些要求，因此以太坊采用Merkle Patricia树实现对交易和状态的校验和查询。

（3）共识机制：以太坊版本采用基于Ethash算法的PoW共识机制，相对于比特币仅依靠CPU计算难度问题，以太坊的Ethash加入内存难度，并引入有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG ），避免了矿池算力集中的问题。同时，以太坊采用GHOST （GreedyHeaviest Observed SubTree）协议同时给产生“叔区块”的矿工和将“叔区块”包含进主链的矿工奖励，不仅增强了安全性，还进一步避免了算力集中问题。以太坊下一版本将采用PoS共识机制。

（4）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，用于支持除虚拟货币外更广泛的应用场景。但图灵完备同时意味着对无限循环、递归调用等语句的潜在支持，这也带来了停机问题（不存在一个通用的图灵机来判定任何输入的图灵机是否最终能停机），以太坊通过引入燃料（Gas）作为强制交易费，不提供燃料的交易不会被执行，也不会被包含进区块，燃料不足的计算将被终止，这样，通过经济的方式来保障平台的安全。

公有链系统存在的问题

（1）激励问题：为促使全节点提供资源，自发维护整个网络，公有链系统需设计激励机制，以保证公有链系统持续健康运行。但比特币的激励机制存在一种“验证者困境”，即没有获得记账权的节点付出算力验证交易而没有任何回报。

（2）效率和安全问题：比特币平均每10 min产生1个区块，且其PoW机制很难缩短区块时间，PoS相对而言可缩短区块时间，但更易产生分叉，所以交易需要等更多确认才被认为安全，Gervais A等的试验得出：在假设各有30%算力的前提下，以太坊需要37个区块的确认才能达到比特币6个区块确认的安全水平。一般认为，比特币中的区块经过6个确认后才是足够安全的，这大概需要1h，对于大多数企业应用需求来说根本无法满足。

（3）公有链面临的安全风险：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（冒名攻击Sybil Attack、共谋攻击Collusion Attack等）及组件的失效、算力攻击等。

（4）隐私问题：公有链上传输和存储的数据都是公开可见的，仅通过“伪匿名”的方式对交易双方进行一定隐私保护。对于某些涉及大量商业机密和利益的业务场景来说，数据的暴露不符合业务规则和监管要求。

（5）最终确定性（Finality）问题：交易的最终确定性指特定的某笔交易是否会最终被包含进区块链中。PoW等公有链共识算法无法提供最终确定性”，只能保证一定概率的近似，如在比特币中，一笔交易在经过2h后可达到的最终确定性为99.9999%，这对现有工商业应用和法律环境来说可用性较差。

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