Framework for determining the suitability of blockchain: Criteria and issues to consider

摘要近年来，区块链等各种分布式账本技术（DLT）得到了长足的发展。这些技术为提供机密性、完整性、不可否认性、身份验证和透明性提供了一个强健而有效的解决方案。虽然区块链有许多优点，但也有各种限制，如复杂性、低吞吐量、隐私等。我们讨论在决定是否是否在特定情况下使用这些技术。我们描述了区块链的运作、适用于区块链的应用领域以及不适用于区块链的应用领域。除区块链技术外，我们还讨论了其他新兴DLT的适用性，如Hashgraph、Zcash、Nano coin和IOTA。

1 BLOCKCHAIN FUNDAMENTALS

1.数据层：区块链架构中的最低层是数据层。该层包含用于存储数据的块。每个块由一个主体和一个标题组成。当前块的头存储前一块的散列，并形成链式结构。genesis块（第一个块）不包含标头，因为它是链中的第一个。每个块都有一个时间戳，即创建它的时间，一个nonce，是矿工计算的一个随机数，以满足难度，并获得块哈希和Merkle根，Merkle根是Merkle树（存储事务的哈希二叉树）的根。
2.网络层：网络层的主要目的是分发和验证事务，并促进节点间通信。它也被称为传播层。使用P2P网络，该层确保节点。
能够发现并相互交流。第3.1节从启动、验证等方面讨论了事务的流程和生命周期。
3.共识层：该层是区块链平台存在的核心，是区块链最重要的一层。在没有任何中心权限的P2P网络中，在网络中的每个节点之间建立共识是一项具有挑战性的任务，这是在这一层实现的。第3.3节讨论了各种类型的一致性算法。
4.激励层：该层作为维持公共区块链的驱动力。它解决了经济因素，并为矿工制定了经济效益方案。作为在采矿过程中花费的计算能力的回报，矿工们会得到奖励（例如，一定数量的数字货币）。54
5.契约层：契约层包括不同的脚本、智能契约和算法，以安全地执行复杂事务。智能合同是具有预定义规则集的自执行代码，当满足这些规则时，会触发合同各方之间的交易。这些自运行代码确保每个事务满足模型的预定义需求。智能合同是完全自动化的，因此减少了任何欺诈或盗窃的可能性。这些合同确保交易中涉及的数字资产的安全转移。55
6.应用层：该层包括最终用户使用的所有应用程序。应用层使用户能够与区块链网络交互。它包括API、脚本和用户界面。该层向合同层提供数据，以将用户与后端系统连接起来。

各种区块链应用程序，如加密货币钱包，都可以在应用程序级别找到。在合同层或执行层，我们拥有决定交易性质的智能合同环境。网络的安全性取决于节点的参与。激励层提供激励，以激励节点参与区块链的验证过程。通常，区块链会向参与者提供一定数量的虚拟货币作为奖励。例如，比特币提供一些比特币作为奖励。在一致性层，我们有一个一致性机制，确保网络中参与节点之间的一致性。用于事务安全传播的网络层策略。数据层提供了一种数据结构，用于存储数据和对数据存储执行各种操作。

2 Life cycle of a transaction****

区块链中的交易不仅限于金融，还包括其他几种类型的信息，记录交易的过程涉及许多步骤。包括查询、共享和存储等指令。一旦事务被验证，其相应的块将被挖掘并链接到前一个块。网络中的系统和用户更新其区块链的现有副本。
每次用户尝试与网络中的其他用户交互时，都会创建一个事务。根据区块链系统的不同，交易过程中的步骤可能有所不同。通常，它从交易的创建开始，在区块链中被记录时结束（如图2所示）。因此，交易将经历三个阶段：
1.开始：每个区块链都有其预定义的数据结构。根据该区块链的数据模型、数字资产的发送者和接收者定义每笔交易。交易必须满足智能合约或简单脚本的条件（取决于模型）。
2.验证：在此步骤中，通过验证对等方来验证事务。然后将这些事务插入一个块中，该块可供挖掘。
3.挖掘：在这一步中，挖掘者使用他们的计算能力解决一个数学问题，以找到一个随机值，从而使新块的哈希具有一定的预定义复杂性。58,59该区块现在添加到主区块链中。
4.终止：更新的区块链随后在网络中传播，通知每个节点更新其自身副本。
一旦区块添加到区块链中，其资产将相应转移。

3.3.1 Consensus algorithms

最初，人们提出了两阶段提交（2PC）、原子广播、状态机复制、67个拜占庭容错（BFT）68等算法，以在分布式数据库中实现一致性。这些算法具有较低的故障恢复能力。
例如，在2PC的情况下，协商一致过程会因任何节点的故障而受损。这些算法是DLT一致性解决方案的先驱。比特币和以太坊等区块链达成共识，并在参与者之间保持一致的观点。只要恶意节点仍然是少数，这种网络就具有故障恢复能力。为了通过向不同于默认行为的节点收费来实现这一点，计算成本被引入作为在区块链中添加块所需的工作证明（PoW）。比特币使用PoW来防止Sybil攻击。69 PoW具有低可扩展性和高延迟，并且需要大量计算能力。POW有几种选择，以避免复杂性和计算能力的浪费。我们将在下面讨论其中一些备选方案。

最初，人们提出了两阶段提交（2PC）、原子广播、状态机复制、拜占庭容错（BFT）等算法，以在分布式数据库中实现一致性。这些算法具有较低的故障恢复能力。
（i） 工作证明：在这种一致性机制中，每个愿意挖掘或验证块的区块链节点都解决了一个需要大量计算能力的复杂数学问题。70为了解决这个问题，参与者必须找到块的散列值，以使其满足某个预定义的难度级别。首先找到解决方案的节点是赢家，它可以创建一个事务块。
（ii）股权证明（PoS）：PoS的工作原理与PoW类似，但领导者的选择基于该网络用户拥有的股权。这里的假设是，拥有更多赌注（承诺）的用户成为恶意节点的可能性较小，不会攻击区块链。这一机制很有可能成为中央集权，因为富有的委员会拥有更多的投票权，并可能赢得每一次选举。为了克服这个问题，提出了PoS的无利害关系攻击变体nothing at stake attack。71为了更有效地工作，该算法可以有限制选举，也就是说，delegated PoS授权投票。经过时间证明72和重要性证明是防止投票集中的一些替代方案。73Proof of elapsed time 72 and proof of importance
（iii）BFT：如果至少2/3的参与节点不是恶意的，BFT算法保证网络中的一致性。74这种算法对于公共区块链来说不是一个好的选择，因为BFT只能与有限数量的参与者一起工作。该机制的目标是通过集体决策保护网络免受系统故障的影响。
（iv）Proof of elapsed time：该算法使用公平平均值随机选择下一个块。每个愿意验证块的节点都有机会通过等待随机时间来创建它们的块。每个验证器在其块中添加其等待时间作为其等待的证明，并在网络中广播其块。等待时间最短的验证器是赢家，其区块被添加到区块链中。

4 BLOCKCHAIN APPLICATION DOMAINS
随着对分布式体系结构需求的增加，区块链为各个领域的应用提供了一个可能的解决方案。在参考文献85中，作者讨论了许多领域（如医疗保健、智能电网和物联网）区块链已经被使用或有很大潜力被使用的领域。86下文将讨论其中一些领域。对于每个领域，我们描述了使用区块链的潜力以及需要克服的问题。
4.1 区块链与物联网
随着技术的进步，用户正转向智能设备和物联网（IoT）。目前使用的智能设备和物联网设备超过200亿台。87物联网的最大优势是它能够在各种设备之间共享数据并提供方便的访问，这使得它在许多行业成为一个潜在可行的选择。88,89共享数据的能力90还面临各种挑战，如安全、隐私和建立信任。91,92这在医疗、金融、国防等领域变得更加重要，因为这些领域通常需要保护敏感信息。区块链为解决这些问题提供了一个强大的解决方案，因为它提供了一个平台，可以在不受信任的用户之间安全地交换信息。93-96此外，区块链的分布式性质消除了物联网系统中单点故障的风险。下面我们将讨论区块链的一些具体应用。
1.工业物联网通过提供实时远程监控、低延迟、智能资产跟踪等功能，物联网已被证明是各个工业领域的一项有前途的技术。34然而，物联网设备上存在与安全和隐私相关的高风险攻击。区块链可以帮助缓解这些问题并提供数据不变性。许多研究人员在这一领域开展了工作，并探索了区块链在工业物联网中带来的挑战及其可能的解决方案。96-98
2.智能电网区块链物联网可以降低成本，消除能源行业的中介机构。54,99该分布式平台允许与各种分布式能源100进行能源交易，而无需集中授权。当涉及到与物联网集成的智能电网系统时，安全和隐私等问题至关重要。参考文献101中的作者提出了一种安全、经济、可靠的解决方案，用于使用区块链构建智能电网基础设施。
4.2 Blockchain and healthcare
医疗行业信息交流的主要利益相关者包括患者、医生、病理学、医疗保险公司和监管委员会。医疗保健系统需要高效的解决方案来共享所有利益相关者之间的信息，如患者的更新档案。区块链提供了这一解决方案，同时确保患者的隐私、数据不可变性和对数据的受限访问（出于安全目的）。102区块链可用于医疗行业的各种应用，包括：103
1.健康记录的安全互操作性：与健康相关的数据非常关键，而且是个人的。因此，应该有一个强大的平台在不同的利益相关者之间交换医疗数据。参考文献104中的作者提出了一个基于区块链的方案，用于利益相关者之间健康相关数据的安全和集成互操作性。他们开发了一种设计来验证交易中的信息，并讨论了确保满足所需条件的智能合同的结构。
2.医疗供应链：就药品供应而言，许多因素，如持续时间、环境条件（如温度、湿度等）在确保安全交付方面起着至关重要的作用。在参考文献105中，作者提出了一个使用区块链的框架，以提供向各利益相关者运输药物过程中的温度等因素的记录。这使公司能够对其产品进行质量控制。106
4.3
商业中的区块链
区块链为构建防篡改和安全的分布式数字账本提供了一个强大的平台，该账本由共识机制支持。85107区块链的仅附加、不可变和安全性质使其成为各种业务的突出选择。区块链和智能联系人满足任何业务相关用例的基本要求。108该技术可用于各种与业务相关的用例，例如：
1.基于云的业务外包：云计算已成为广泛接受的外包服务模式。云计算使组织能够通过外包经济且可扩展地访问高级服务。109外包服务的一些主要问题是数据安全和数字支付。110111一种选择是只让受信任的第三方参与外包，但这在日益激烈的竞争中变得效率低下，因为可能会有一些不受信任的第三方提供更好的服务。参考文献112的作者提出了一种基于区块链的解决方案，以外包任何第三方，即使它不受信任。
2.房地产房地产生态系统处理数字或实物资产的销售和购买，如土地、建筑或公司股份。各方（如业主、买方、承租人、经纪人）都参与了这一过程，从而增加了篡改或修改记录的风险。另一个主要问题是处理不受信任的方，因为实体可能没有任何以前的业务关系。智能合约可以解决这些问题，并进一步消除对经纪人和公证人等可信中介机构的需求。114在参考文献115116中，作者讨论了区块链在安全银行中的潜在用途。

5.评估区块链使用的框架
区块链在不同度量和操作条件下的性能特征构成了评估区块链适用性和适用性的拟议框架的基础。我们首先概述区块链的优点和缺点，然后利用它们来开发拟议的框架。

5.1Advantages and disadvantages of traditional blockchain
5.1.1.
优势
（i） 分布式：区块链的系统和数据对恶意攻击和技术故障具有高度的弹性，因为数据存储在分布式网络中的大量节点中。每个节点都有自己的数据库副本，这消除了单点故障的风险。此外，即使节点脱机，也不会影响网络的安全性和可用性。
（ii）稳定性：一旦一个块被确认，很难更改或修改其中存储的数据。数据的这种不变性使得区块链成为存储对任何更改敏感且需要保护以防修改的数据的一个有吸引力的选择。
（iii）无信任环境：在传统支付系统中，如银行和支付提供商，通常需要受信任的中间方参与。区块链消除了对中介的这种需求，因为分布式节点网络中的交易通过挖掘过程进行验证。因此，没有必要信任一个也能降低中介机构成本的单一组织。
5.1.2.
缺点
（i） 交易速度低：由于每个交易都必须存储在区块链上，因此收集所有交易并将其累积到区块中需要时间。虽然可能有大量事务打包到单个数据块中，且平均数据块处理时间约为10分钟，但理论上事务速度为每分钟100个事务。然而，在实践中，所有这些事务只有在区块被挖掘之后才能得到确认，这需要大约10分钟（平均）。因此，区块链上的交易时间相当高。122
（ii）高数据要求：区块链在连接到网络的所有计算机/节点上同时存储该网络上迄今为止发生的所有交易的副本。这是一个高度消耗数据的过程，当前比特币区块链的大小约为1 TB，并且每天都在增长。
（三）高能耗：传统区块链使用的共识算法为PoW。计算散列的POW技术消耗大量能量，因为大量连接在区块链网络上的计算机同时相互竞争以找到合适的散列。据估计，比特币区块链网络上矿工消耗的总能源相当于一个规模适中的欧洲国家的能源需求。
（iv）伪匿名性：由于区块链的分散性，交易信息以加密货币公开。因此，用户隐私可能受到损害。在参考文献123中，作者提出了一种准同态对称加密方案，用于在基于区块链的加密货币中隐藏交易金额。参考文献124中，作者将环签名技术与现有区块链系统相结合，以确保区块链透明环境中的用户隐私。

传统区块链技术的替代方案
上一节描述了使用区块链技术的缺点。除了BBLAST技术之外，还有许多其他的选项可以考虑（如果BooStand在评估上述标准之后不是一个合适的解决方案）。下一节介绍了类似的技术和替代方案（图4给出了概述）。
6.1
哈希图
Hashgraph是一种DLT，它使用一种复制状态机的算法来确保BFT。126这有时也称为原子广播。运行此DLT的主协议是gossip协议。在该协议中，每个节点都需要与任何其他随机选择的节点共享其所有信息和事务。八卦协议支持嵌套，嵌套指的是一个八卦也可以在其中构建另一个八卦。网络中的所有参与者（节点）都会收到一份按时间顺序排列的相同事务列表，称为“总订单”。Hashgraph的实现和可行性部分仍然值得怀疑，因为这不是一个开源协议。
1.数据结构：Hashgraph中使用的数据结构是一个有向无环图（DAG），每个事务本身作为一个块。它具有签名、时间戳、事务哈希和父事务哈希等信息。
2.共识算法：Hashgraph使用创新的虚拟投票127共识方法，将事务作为原子爆炸广播发送到网络。
3.相对于传统区块链的优势：
（i） Hashgraph是专有的DLT，因此很难对其进行篡改。就人类暴露的脆弱性而言，这是一个显著的好处。
（ii）由于其gossip协议，节点必须存储的净事务数据显著降低。
（iii）由于此DLT不涉及区块形成和等待每个区块确认交易，因此交易速度相当高。理论上，Hashgraph协议甚至可以达到每秒100万TPS（事务）的速度。由于这些优势，Hashgraph在当今技术驱动的世界中提供了多种应用。拥有快速一致性算法使哈希图加密货币具有较低的网络费用，使小型微交易变得经济，尤其是在物联网应用中。Hashgraph使用户能够以安全透明的方式在网络上存储分散的数据或指向文件的指针。它还允许用户部署智能合约。Solidity语言是为在以太坊网络上执行智能合约而开发的，尽管此后开发了各种Solidity代码库，并且可以在Hashgraph平台上运行。128

6.2 IOTA使用一种称为Tangle的DLT。Tangle与传统区块链类似，它将交易历史存储在一个不可变的数据结构中。与比特币区块链不同，Tangle协议涉及通过散列将每个交易附加到之前的两个交易。这大大减少了存储事务所需的数据量。
1.数据结构：IOTA的数据结构为DAG。在此数据结构中，每个事务都可以直接或间接引用。任何事务的Trunk transaction字段存储Tangle中现有事务的事务哈希或捆绑包中具有下一个索引的事务的事务哈希。事务的直接引用称为其父代，间接引用称为祖父母，类似于族谱。此网络上的每个新事务都以DAG的tip事务开始。然后，节点在验证它们之后选择它们。
2.一致性算法：IOTA最新的一致性算法是加权投票的快速概率一致性算法，是早期Tangle协议的升级。这是一种拜占庭式容忍共识算法，其中节点的投票权与其声誉成正比。利用Zipf定律对节点信誉进行建模，结果表明，算法的性能随着Zipf指数的增加而提高。使用齐普夫定律是因为它最能描述法力分布。
3.相对于传统区块链的优势：
（i） 由于其高度可扩展的基础设施，IOTA DLT可用于物联网设备的事务数据。
（ii）IOTA与Hashgraph类似，具有DAG数据结构，使其能够实现快速交易时间。因此，它比传统区块链快近100倍。
（iii）由于此DLT不涉及区块形成和等待每个区块确认交易，因此交易速度相当高。理论上，在Hashgraph协议上甚至可以达到1000000 TPS的速度。
129物联网具有高交易率和弹性架构等优势，可提供大型应用基础。例如，作者130使用IOTA加密货币提出了一种保护隐私的收费体系结构，该体系结构支持分散无感传输，以提供与路边基础设施的通信。建议的方法结合了多种技术，共同为驾驶员和道路运营商提供便利和价值。

6.3Nano Coin
6.4Zcash是一种以隐私为中心的数字货币，使用基于零知识证明的加密技术。
Zcash使用两种类型的地址，一种是私有的，另一种是透明的。Z地址之间的事务，即私有或屏蔽地址，无需公开披露。
另一方面，T地址（即透明地址）的工作方式与比特币地址类似，在比特币地址中，交易对整个世界都是可见的。131 Zcash的一些显著特征是：
（i） 最低交易费用：Zcash网络上的交易费用是所有加密货币中最低的一种（0.0001 ZEC）。
（ii）隐私：Zcash的核心原则是确保消费者隐私。这是通过使用两种类型的地址（屏蔽和透明）实现的。屏蔽地址不公开可见。屏蔽地址之间的交易不会显示地址和交易详细信息（如交易金额）。另一方面，透明地址之间的事务可以在网络上公开查看。
（iii）基于时间和基于多个签名的交易：当一项交易长时间未被挖掘时，Zcash提供交易退款的便利。Zcash还具有多重签名功能，可通过多方批准产生大额资金。
多种地址类型（专用和透明）支持网络中不同类型的事务：
（i） 屏蔽：从透明地址到私有地址的事务
（ii）公开：从透明添加到透明地址的交易。
（iii）解除屏蔽：将私人交易添加到透明地址。
（iv）私人：从私人添加到私人地址的交易。
1.数据结构：Zcash的数据结构与传统区块链相同。
2.一致性算法：Zcash使用PoW作为其一致性机制。
3.相对于传统区块链的优势：如前所述，Zcash的一个特点是对用户的隐私保护。在零知识证明加密的帮助下，用户的隐私保持完整，不会对网络安全造成任何损害。
上述四种替代技术具有独特的优势和劣势。了解应用程序或场景的需求并相应地选择技术是至关重要的。表3简要比较了这些技术。例如，Hashgraph和IOTA具有高度可扩展性。另一方面，Zcash的可扩展性较差，但它提供了更好的隐私选项。这些技术可以满足用户的特定需求（如图4所示），而这是简单区块链无法做到的。（i） Nano block lattice使客户能够维持自己的账户链；（ii）IOTA使基于区块链的物联网平台能够帮助机器通信和执行交易，而无需任何费用；（iii）Zcash提供高用户隐私，并使用零知识证明机制；（iv）Hashgraph能够在分布式账本中存储事务时间戳顺序，这对于请求顺序具有高优先级的网络至关重要。132

7 USE-CASE APPLICATION

7.2 多无人机网络

无人机技术或无人机（UAV）在网络、国防、制造等各个领域的最新技术进步增加了其在私营和商业部门的使用。138随着无人机技术的普及，139无人机使用中的各种问题需要解决，如无人机间通信、数据存储、多无人机网络中的管理、140受限飞行时间等。本节讨论通过考虑一个用例并应用我们的框架来决定区块链是否可用于该应用领域来解决上述一些问题的解决方案。
多无人机网络有着广泛的应用，如运送货物、医疗用品和监视。138然而，阻碍无人机应用的主要制约因素之一是其有限的能源供应（电池保持小型以减少无人机的总重量）。由于飞行时间有限，需要频繁充电或更换电池。无人机和充电站的分布式P2P网络可以解决这一问题，并可以显著增加无人机的飞行时间，从而使无人机能够用于多种应用。132我们现在应用提议的框架来评估区块链在多无人机应用中的适用性。141
•我们需要共享数据库吗？是的，无人机和充电站之间需要通信，与交易相关的信息需要共享并注册到账本中，并与网络中的所有其他节点（无人机和充电站）通信。
•数据库中是否有多个写入程序？：是的，各种无人机可以进入网络并请求充电站提供充电服务。每个UAV都应该能够与账本交互。
•是否涉及不受信任的利益相关者？：是的，由于无人机进入网络没有限制，未知/不受信任的无人机也可能进入。
•是否有可信的第三方进行分类账维护不？不需要任何特定的第三方（如银行或公证人）来维护分类账。
数据是否需要保密不，充电站可能有来自网络中许多（如果不是所有）无人机的请求，类似地，无人机需要关于网络中每个站的信息。
•我们是否需要限制谁可以控制区块链不，该系统是免费的，没有任何限制。网络中的任何节点都可以与账本交互。
应用上述标准后，公共区块链可能是合适的技术。然而，在这种多无人机系统中，无人机应该能够以高频率进入和离开网络。因此，需要准确的时间戳排序以避免任何冲突。从图4中，我们注意到Hashgraph DLT是一个很有希望的解决方案，可以满足该系统的需求。此外，与Hashgraph相比，Hashgraph具有更高的事务吞吐量。142在参考文献132中，作者为指定的多无人机网络提出了类似的基于哈希图的DLT。
8 CHALLENGES AND FUTURE RESEARCH OPPORTUNITIES
由于大量不同区块链技术选项的可用性及其可用优势，正在开发大量基于区块链的分散应用程序。特别是，自比特币诞生以来，许多初创公司都是基于区块链相关技术成立的。然而，这项技术仍有许多挑战需要解决：
1.量子攻击：量子计算因其解决某些复杂问题的能力而对区块链构成重大威胁。量子计算机可以轻易地破坏现有的加密技术147，并可能提供足够的资源在未来执行51%的攻击（图5显示了区块链可能发生的各种类型的攻击）。各种研究（如参考文献148-152）已经讨论了此类安全问题。
2.可扩展性：正在开发许多高效的共识机制，以减少能耗和处理事务所需的时间。然而，区块链在单位时间内可以处理的交易数量方面仍然面临可伸缩性问题。153
3.保护区块链免受智能攻击：随着更高级类型的攻击（如机器学习和基于博弈论的区块链网络攻击）的可能性越来越大，保护区块链免受此类攻击已成为必要。
4.减少计算能力使用：区块链通常需要较高的计算能力，这是对资源的消耗。这阻碍了该技术在许多应用中的发展，如无人机/无人机网络132，其中计算能力不足。