公有鏈

公有鏈是指全世界任何人都可讀取、傳送交易且交易能獲得有效確認的、也可以參與其中共識過程的區塊鏈。

基本介紹

• 中文名：公有鏈
• 外文名：Public blockchains
• 定義：全網公開
• 特點：全世界任何人都可讀取的
• 屬於：區塊鏈
• 別稱：非許可鏈

概念

根據區塊鏈網路中心化程度的不同，分化出3種不同套用場景下的區塊鏈：

（1）全網公開，無用戶授權機制的區塊鏈，稱為公有鏈;

（2）允許授權的節點加人網路，可根據許可權查看信息，往往被用於機構間的區塊鏈，稱為聯盟鏈或行業鏈;

（3）所有網路中的節點都掌握在一家機構手中，稱為私有鏈。

聯盟鏈和私有鏈也統稱為許可鏈，公有鏈稱為非許可鏈。

公有區塊鏈系統

公有鏈中，任何節點無須任何許可便可隨時加入或脫離網路。從最早的比特幣系統人手介紹公有鏈系統的發展現狀。

點對點電子現金系統：比特幣

與傳統分散式系統的C/S , B/S或三層架構不同，比特幣系統基於P2P網路，所有節點對等，且都運行同樣的節點程式。

節點程式總體上分為兩部分：一部分是前台程式，包括錢包或圖形化界面;另一部分是後台程式，包括挖礦、區塊鏈管理、腳本引擎及網路管理等。

區塊鏈管理：涉及初始區塊鏈下載、連線區塊、斷開區塊、校驗區塊和保存區塊，以及發現最長鏈條的頂區塊。

記憶體池管理：即交易池管理。節點將通過驗證的交易放在一個交易池中，並準備好將其放人下一步挖到的區塊中。

鄰接點管理：當一個新比特幣節點初始啟動時，它需要發現網路中的其他節點，並與至少一個節點連線。

共識管理：比特幣中的共識管理包括挖礦、區塊驗證和交易驗證規則。目前比特幣採用PoW共識機制，依賴機器進行哈希運算來獲取記賬權，同時每次達成共識需要全網共同參與運算，允許全網50%節點出錯。

密碼模組：比特幣採用RIMEMD和SHA-256算法及Base-58編碼生成比特幣地址。

簽名模組：比特幣採用橢圓曲線secp256k1及數字簽名算法ECDSA來實現數字簽名並生成公鑰。

腳本引擎：比特幣的腳本語言是一種基於堆疊的編程腳本，共有256個指令，是非圖靈完備的運算平台，沒有能力計算任意帶複雜功能的任務。

智慧型契約和去中心化套用平台：以太坊

比特幣的區塊鏈架構對虛擬貨幣以外的套用場景支持非常有局限性，隨著區塊鏈技術從比特幣中獨立出來，其作為可程式的分散式信用基礎設施的發展理念被逐漸確立，並過渡到區塊鏈2.0模式，以支持智慧型契約、去中心化套用為特徵。以太坊是區塊鏈2.0模式典型代表。

與比特幣相比，以太坊在整體設計上主要有以下不同：

（1）賬戶：比特幣沒有賬戶概念，用戶餘額是從各自在區塊鏈上所有未花費交易輸出（UnspentTransaction Output, UTXO ） 計算得來。以太坊則設計了兩種用戶，一種是外部賬戶，一種是契約賬戶。根據狀態機模型，以太坊可視為一個通用的管理對象狀態轉移的去中心化平台，賬戶就是有狀態的對象。外部用戶的狀態就是餘額，契約賬戶的狀態包括餘額、代碼執行情況、契約的存儲等。

（2）區塊鏈設計：以太坊的區塊鏈不僅保存交易清單，還保存最新狀態，單純的Merkle樹已無法滿足這些要求，因此以太坊採用Merkle Patricia樹實現對交易和狀態的校驗和查詢。

（3）共識機制：以太坊目前版本採用基於Ethash算法的PoW共識機制，相對於比特幣僅依靠CPU計算難度問題，以太坊的Ethash加入記憶體難度，並引入有向無環圖（Directed Acyclic Graph, DAG ），避免了礦池算力集中的問題。同時，以太坊採用GHOST （GreedyHeaviest Observed SubTree）協定同時給產生“叔區塊”的礦工和將“叔區塊”包含進主鏈的礦工獎勵，不僅增強了安全性，還進一步避免了算力集中問題。以太坊下一版本將採用PoS共識機制。

（4）圖靈完備的計算環境：通過以太坊虛擬機（EVM）提供圖靈完備的計算環境，用於支持除虛擬貨幣外更廣泛的套用場景。但圖靈完備同時意味著對無限循環、遞歸調用等語句的潛在支持，這也帶來了停機問題（不存在一個通用的圖靈機來判定任何輸入的圖靈機是否最終能停機），以太坊通過引入燃料（Gas）作為強制交易費，不提供燃料的交易不會被執行，也不會被包含進區塊，燃料不足的計算將被終止，這樣，通過經濟的方式來保障平台的安全。

公有鏈系統存在的問題

（1）激勵問題：為促使全節點提供資源，自發維護整個網路，公有鏈系統需設計激勵機制，以保證公有鏈系統持續健康運行。但比特幣的激勵機制存在一種“驗證者困境”，即沒有獲得記賬權的節點付出算力驗證交易而沒有任何回報。

（2）效率和安全問題：比特幣目前平均每10 min產生1個區塊，且其PoW機制很難縮短區塊時間，PoS相對而言可縮短區塊時間，但更易產生分叉，所以交易需要等更多確認才被認為安全，Gervais A等的試驗得出：在假設各有30%算力的前提下，以太坊需要37個區塊的確認才能達到比特幣6個區塊確認的安全水平。一般認為，比特幣中的區塊經過6個確認後才是足夠安全的，這大概需要1h，對於大多數企業套用需求來說根本無法滿足。

（3）公有鏈面臨的安全風險：包括來自外部實體的攻擊（拒絕服務攻擊DDoS等）、來自內部參與者的攻擊（冒名攻擊Sybil Attack、共謀攻擊Collusion Attack等）及組件的失效、算力攻擊等。

（4）隱私問題：目前公有鏈上傳輸和存儲的數據都是公開可見的，僅通過“偽匿名”的方式對交易雙方進行一定隱私保護。對於某些涉及大量商業機密和利益的業務場景來說，數據的暴露不符合業務規則和監管要求。

（5）最終確定性（Finality）問題：交易的最終確定性指特定的某筆交易是否會最終被包含進區塊鏈中。PoW等公有鏈共識算法無法提供最終確定性”，只能保證一定機率的近似，如在比特幣中，一筆交易在經過2h後可達到的最終確定性為99.9999%，這對現有工商業套用和法律環境來說可用性較差。