沙特国王大学学报：区块链最新技术研究和展望

制作和主办：Elsevier沙特国王大学学报区块链最新技术：架构、用例、共识、挑战和机遇作者：Bela Shrimalia，Hiren B.帕特尔baLDRP技术和研究所，Kadi Sarva Vishwavidyalaya，Gandhinagar，Gujarat，印度bVidush Somany Institute of Technology and Research Kadi Sarva Vishwavidyalaya，Gandhinagar，Gujarat，India阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2021年8月2日修订2021年8月2日接受2021年8月12日在线提供关键词：区块链共识加密货币智能合约物联A B S T R A C T区块链是一个区块链链，其中每个区块包含一组交易，这些交易由其验证者进行数字签名，并存储在分布式网络中，以便所有合法的利益相关者都可以访问/验证它们。由于区块链的属性，如去中心化，不变性，可扩展性，透明度和加密安全性，它为不同的领域提供了各种好处，如加密货币，金融部门，私人/公共部门，保险，医疗保健，供应链管理，物联网等，然而，该技术仍处于早期阶段，在广泛采用之前，仍有一系列问题有待通过本文，我们打算涵盖对区块链的广泛研究，包括分类法，应用/用例，共识机制，前瞻性研究，未来方向和相关技术。本文还旨在讨论区块链技术的机遇、好处和挑战，并帮助研究界理解这一点。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.介绍67942.区块链6795概述2.1.中国人67962.2.最先进的67962.2.1.关键技术67962.2.2.电子邮件：info@martina.com2.2.3.应用程序67993.区块链6800中的分布式共识3.1.许可区块链68013.2.无许可区块链68024.研究挑战和未来展望方向68034.1.研究挑战区块链68034.1.1.实时块分析68044.1.2.可扩展性68044.1.3.区块链6804的存储优化4.1.4.重新设计区块链68044.1.5.安全与隐私6805*通讯作者。电子邮件地址：bela_ce@ldrp.ac.in（B. Shrimali）。沙特国王大学负责同行审查https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2021.08.0051319-1578/©2021作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comB. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报67944.2.未来的展望68054.2.1.大数据管理68054.2.2.智能合约68054.2.3.人工智能（AI）68054.2.4.物联网（IoT）68055.结论6806竞争利益声明参考文献68061. 介绍在我们传统的商业、社会和政治体系中，不同种类的协议、合同和金融交易都被保存和记录在一个固定的结构随着数字化和互联网技术的快速发展，我们正日益走向一个最终用户强制要求透明的世界。在当今区块链被认为是实现这些目标的神奇技术最初，它与诸如比特币 （ Nakamoto ， 2008 ） 和 以 太 坊 （ Wood 等 人 ， 2014 年 ） 。Bitcoin 是 由 Satoshi Nakamoto 在 2008 年 提 出 的 （ Nakamoto ，2008）。他讨论了比特币作为加密货币的作用和区块链作为其基础技术的作用。区块链因分散的点对点通信而受到高度赞赏。区块链的出现对商业和IT行业产生了巨大的影响。在过去的几年里，像IBM这样的大公司（IBM主页，2016）都在努力为它提供更强大、更可靠、更经济的平台。区块链从1.0到4.0的技术改进使其更适合工业应用。更可扩展，可编程，块和交易的优化数据结构，新的共识方法在现实世界的应用中产生了对区块链的巨大需求。图1描绘了区块链技术的演变。区块链的发展已经从1.0到4.0这一演变起源于区块链1.0，它仅限于价值的存储和转移（例如，比特币、瑞波币、达世币），随后是区块链2.0，其环境可通过以太坊和卡尔达诺等智能合约进行编程，以及区块链3.0，该技术成为以应用为中心的技术，通过促进医疗保健、教育、农业、电子商务等各种行业的发展而触及日常生活。这些企业区块链的例子是Hyperledger，R3 Corda和Ethereum Quorum。接下来，区块链4.0几乎消除了之前区块链中的所有限制。 在Blockchain 4.0中，它利用了一个分布式环境，该环境面临着可扩展性和每秒有限事务等主要问题。它具有处理可扩展性、吞吐量和延迟。其中一个例子是RChain。商业行业开始努力重塑他们的商业模式，以从这项新技术中获益。区块链可以通过其三种类型的实现环境来使用（Michael等人，2018年）的情况：1. 许可和区块链（Vukolic'，2017）：这种环境提供了专有（又称私有或封闭）网络，定义和决定参与者及其角色。这主要是由工业部门为私人商业用途而开发的2. 无许可或公共区块链（Bozic等人，2016）：这是一个任何人都可以访问、使用和参与的开源环境。例如比特币区块链（Nakamoto，2008;比特币主页，2009）3. 混合或联盟区块链（Li等人， 2017年）：还有第三类称为混合或联盟区块链。它源自上面提到的两种基本区块链类型。在联盟区块链中，对数据读写的控制是针对参与者的数量定义的。它由组织/公司团体使用，他们在某些项目上相互合作。 因此，他们在有限的环境中参与执行任务，从而在联合体中获得技术优势。这些区块链环境的比较如表1所示。比较表明，一个许可的环境是高度可扩展的许可和混合环境相比。在安全性和不变性的情况下，许可环境更安全，更不易受到任何类型的攻击。所有三个环境都是透明的。但是，许可环境和混合环境的吞吐量要比无许可环境快，而无许可环境的匿名性要比其他两种环境好。 在无权限环境中，任何参与节点都可以参与挖掘过程，并且可以成为矿工。 其中，在许可和混合环境中，只有选定的节点可以参与挖掘，它们被称为验证器。通过促进不同的环境，区块链技术提供了以下各种好处：透明度：存储在区块链上的交易对所有参与用户都是透明的。区块链使用由各方保存的分布式账本（文档的共享副本），并且只能通过共识机制进行更新，这意味着只有在所有合法各方同意的情况下才能更新文件。增强的安全性：区块链比其他记录管理系统更安全的方式有很多交易是在所有被允许方达成共识后添加的。一旦每个人都同意交易，它就会被加密并与前一个区块安全地链接每个区块附带的安全哈希机制用于保护持有交易数量的区块。因此，对一个区块进行回火实际上是不可行的，因为它也需要对链中的其他区块进行修改增强的可追溯性：使用区块链可以轻松跟踪数据/流程。 交易对所有各方都是可见的，这导致任何操作的可追溯性。如果企业与供应链打交道，通过这项技术可以轻松跟踪产品。快速高效：在传统系统中，文书工作耗时、繁琐，而且容易出现人为错误。通过使用区块链自动化，该过程变得更加快速和高效，并且在没有任何第三方干预的情况下运行成本效益：对于任何企业来说，利润/成本效益都很重要。有了这项技术，它●●●●●B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6795Fig. 1. 区块链技术的发展。表1区块链的类型空白公共/非许可私人/许可财团治理型公共单个节点组节点吞吐量慢快速快速Node没有透露透露透露能效协议权限示例攻击（双倍支出）无PoW、PoS、PoET比特币，以太坊，瑞波币是的是的难是的PBFT，PoA，Tendermint WithPermission多链、Hyperledger、Tendermint、Quorum是的交易验证扩展性任何节点都可以是矿工高低度/中度授权节点（验证器）低度/中度基础设施分散分散分布式审查/管制没有是的是的随着功能，重要的是要确定和讨论的研究挑战和问题。 许多挑战已经在区块链中得到了研究和解决（Manoj和Krishnan，2020; Saad等人，2019; Lin和Liao，2017; Sankar等人，2017; De La Rosa等人，2017; Aras 和Kulkarni，2017; Lu，2018; Gao等人，2018;Mingxiao et al.，2017年）。然而，需要进一步研究的挑战和局限性在本文中，我们对区块链技术进行了概述，讨论了其关键概念，架构设计，最先进的用例/应用以及研究挑战。本文的目的是更好地理解其架构和协议的基本基础、分类和设计挑战，以确定这一有趣技术的重要研究方向本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们概述了区块链技术，区块链的架构，其设计原理，并将其与其他相关技术进行了比较。在第三节中，我们描述、讨论和比较了区块链的共识协议在第4节中，我们总结了当前区块链的研究主题和挑战。最后，本文在第五节中总结。2. 区块链概述本节介绍了区块链的一般概述，包括其定义，架构，相关技术和应用。区块链背后的主要思想并不是什么新鲜事。StuartHaber和W. ScottStornetta（Haber and Stornetta，1990）在1991年研究了一种加密安全的区块链，用于对文档系统进行时间戳，他们希望系统能够防篡改（Haber and Stornetta，1990）。同样，他们使用加密散列函数（Becker，2008）和Merkle树（Becker，2008）将已认证文档的安全集合存储在一个块中。然而，这项技术在被引入并用于加密货币（如比特币）之后变得流行和知名，由Nakamoto（2008）在2008年引入。比特币是第一个没有第三方干预的电子支付系统，使用分散和分布式的点对点网络。中本聪（Satoshi Nakamoto）分别使用的术语“块”和“链”。后来流行起来后就统称为。“区块”一词B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6796而“链”表示使用加密散列码的这些块之间的连接/链接。这些加密链接的块使这项技术更加安全。比特币的广泛使用和普及促使其他行业利用这一点。官方上，区块链可以定义为。根据NIST（Yaga等人，Blockchain是一种分布式数字账本，由加密签名的交易组成，这些交易被分组到区块中。每个块在验证和共识决定之后都以密码方式链接到恶意块（使其显着篡改）。随着新块的添加，旧块变得更难以修改（创建防篡改）。新区块在网络内的账本副本之间复制，任何冲突都将使用既定规则自动解决。一个开放的分布式账本，可以有效地记录双方之间的交易，并以可验证和永久的方式（Lakhani和Iansiti，2017）。一种去中心化、分布式和公共的数字分类账，用于记录跨多个节点的交易，以使记录和区块防篡改（经济学人，2015）。区块链是一种基于交易因此，简单地说，区块链是一种技术，它以快速和方便的方式在分布式或去中心化的环境中为每个参与节点提供可访问和可验证的数据控制。没有单一或集中的机构来验证/验证节点。相反，要参与网络，节点必须通过解决称为工作量证明的数学难题来验证自己。在工作量证明中成功的节点可以引入块。我们将在下一个称为架构的小节中详细介绍该块及其内容。下面的小节描述它的架构。2.1. 架构区块链是一种技术，参与通信的多方可以在没有第三方干预的情况下执行不同的交易这些交易/通信的验证和确认由称为矿工的特殊类型的节点执行。有效的事务包含在称为块的数据结构当前事务的执行取决于以前提交的事务。通过这种方式，该技术有助于避免/限制加密货币系统中的双重支出。区块链的架构如图所示。 二、它描述了块结构及其链。我们可以看到，区块链是由前一个区块的哈希值创建的。一个区块分为两个部分：● 块头部● 交易列表1. 块报头由三个组件组成。第一个组成部分是前一个区块的哈希码，它将当前区块与前一个区块链接起来。第二个组件包括用于创建区块的挖掘统计信息。最后一个组件是Markle树根（只不过是当前区块的哈希码），它是验证区块中所有交易完整性的基础。为了生成当前区块的哈希码，我们使用前一个区块的哈希码。因此，如果攻击者试图修改块内容，他/她必须修改链的其余部分的所有散列代码，这实际上很难执行。因此，它使区块链篡改证明。挖掘统计数据包括nonce，时间戳（即记录的时间）和挖掘难度（Economist，2015）。Merkle树包括数据块的散列链，其中交易被散列并与叶节点相连，非叶节点包括Merkle树的其子节点的加密散列（Nakamoto，2008）。 图 3描绘了Merkle树的描述。2. 区块的第二个组成部分是有效交易的列表。区块中的交易数量取决于区块和交易大小。交易的授权和认证是通过非对称加密完成的。一旦交易被包含在链中，它就不能被删除或更改。区块被链接在一起，其中每个区块 包 括 前 一 个 区 块 的 哈 希 ， 并 且 创 建 了 一 个 区 块 链（Blockchain）。如果块是有效的并且具有工作量证明，则它将在链中被接受，工作量证明是由挖掘过程生成的计算困难的散列因为它有一个安全的哈希技术（例如，SHA- 256）与安全散列指针指向以前的散列，它确保，如果任何块被修改，所有后续块将必须重新计算。以下是与区块链和区块链相关的一些分类。图4描述了如何接受最长的链并将其添加到区块链中，而拒绝其他较短的链。3. 孤儿区块：矿工尝试自己挖掘区块，并列出尚未添加的交易。一旦一个区块被矿工开采出来，它就会广播到网络中的所有其他节点进行验证。在网络中的这么多块中，具有最高共识的块将被接受添加到网络中其他块被认为是孤儿块，稍后被网络丢弃。孤立区块有一些交易已经包含在刚刚添加的有效区块中，但可能还有一些交易尚未被考虑。在进一步的开采过程中，应注意此类Fork：除了有效链之外的所有链都称为fork。有时候，新开采的区块会连接到孤儿链，因此不会成为最长链的一部分。这样连接的块创建一个分叉。创世区块：系统中创建的第一个区块称为创世区块。在比特币网络的情况下，Genesis Block是创始人Satoshi Nakamoto开采的第一个区块。创世区块也可以被称为任何区块链系统的区块0。它是链中所有其他块都将遵循的祖先（主页，2012）。2.2. State-of-the-art在本节中，我们将介绍区块链的最新我们首先讨论目前用于区块链的关键技术然后，我们调查了流行的区块链用例和应用程序。2.2.1. 相关关键技术以下是一些区块链基础技术，每一种技术都与区块链有某些共同点：分布式账本技术（DLT）：账本在商业中起着重要的作用，记录了诸如估价、财产可追溯性、金融交易等信息。在传统方法中，账本也非常重要。由于计算机和数字化的广泛使用，分类账已从纸质形式转变为数字形式。在一个简单的计算机化系统中，分类账也由第三方验证和维护。分布式方法使●●●●●●●B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6797图二. 区块链架构。图三. 默克尔树。见图4。 接受/拒绝一个链。数字分布式账本的协作形成，具有由多方参与创建和修改的属性和能力。分布式账本基本上是一种数据库资产，可以在多个网络、机构和地理位置上相互共享（Walport，2016年）。网络中的所有参与者都可以拥有自己相同的账本副本在预定义的时间间隔内，分类账的任何更改/更新通过使用数字签名和散列函数等密码算法，分类账保持安全和准确B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6798选项。对分类账进行修改或创建的控制由称为共识的相互协议定义。这将定义谁可以在共享账本中做什么。智能合约：智能合约被视为一种计算机算法，允许多个利益相关者之间以协议的形式进行相互理解，而无需任何相关方或第三方的干预。它是一种合同，其中买方和卖方之间的协议条款被写入根据预定义要求执行的代码行中（主页，2019 a）。简而言之，智能合约是一行可自我执行的代码，它根据两方或多方之间达成的条款和协议来实现/维护/监管。分布式账本通过智能合约应用和执行。区块链技术依靠智能合约在共享账本上实现业务逻辑。加密技术：安全性是几乎所有在Internet上运行的应用程序的主要关注点。以下是区块链安全性的两个主要问题。1. 用户2. 防篡改块链。对于这两种情况，它使用不同的加密技术。对于1，它使用使用公钥加密的数字签名进行身份验证并防止不可否认性。通常，使用非对称密钥加密算法，例如RSA。特别地，在比特币中，使用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）。为了创建一个不可变的区块链，它使用了安全哈希算法（SHA），可以有效地生成计算上可验证的哈希代码。如前所述，块包含两个部分：块头和事务。 区块头包含一个哈希指针，指向前一个区块的哈希。一个区块中的变化/回火将反映在所有区块中，这就是区块链如何变得防回火。总之，区块链利用分布式账本技术，使用安全的加密方法成功执行智能合约。使用这些技术提供了独特的好处，并提出了独特的挑战，以满足其要求。带有嵌入式智能合约的安全分布式账本的实现将变成许多高效的区块链应用程序。2.2.2. 用例在比特币革命和普及之后，行业热衷于使用区块链技术来构建分布式和安全的库存系统（Palamara，2018），制造业（Polkowski等人， 2018），供应链（Osei等人， 2018），物联网（周等人，2018），金融（甘地等人，2019），治理，还有更多。在详细讨论了无许可和许可区块链之后，在本小节中，我们将讨论公共/无许可区块链在私有/许可区块链上的不同应用Public/ Permission-less Blockchain：这是一个开放的区块链环境，任何人都可以在未经许可的情况下加入，参与和离开网络。基于公共区块链协议的共识算法是开源的，无需许可（主页，2019b）。公共区块链的几个例子是比特币（Nakamoto，2008），以太坊（Wood等人，2014年），门罗币（Logo and van Saberweigh，2014年），达世币（Dash，Duffield and Diaz，2015年），莱特币 （ Litecoin ， Gibbs and Yordchim ， 2014 年 ） ， 道 奇 币（Dodgecoin，Dinh例如，2018年）和其他（主页，2019年b）。在这一类别中，区块链非常流行的应用和用例是比特币和以太坊。在这里，我们讨论了他们以及一些更多的加密货币，如莱特币，比特币现金，卡尔达诺，和波尔卡-点简短。–比特币：它是一种基于区块链的分散式数字货币，可以随时随地向世界上的任何人进行即时支付（主页，2019 c）。 这是一个点对点的货币转移系统，其中比特币在每次矿工开采新区块时的开采过程中产生。每个区块创建的比特币数量将逐渐减少，每210，000个区块减少50%，或者大约4年来应对通货膨胀。因此，矿工的奖励减少了随着时间的推移。因此，在比特币网络中，为了维持奖励奖金和矿工的利益，它增加了交易费用。它使用公钥密码来创建和验证数字签名。比特币不需要任何帐户或电子邮件地址来登录比特币钱包。只有比特币地址用于交易，因此用户保持匿名。它使用类似FORTH的语言作为比特币脚本来验证比特币交易（SandipChakraborty，2018）。比特币网络使用的共识算法是工作量证明（PoW）。这将在下一节中详细讨论。–以太坊：以太坊是另一个流行的区块链平台。它实际上有助于开发人员构建和部署分散的应用程序。它使用以太币作为分散的数字货币，也称为ETH（URL，2019a）。以太币不仅可以作为加密货币，还可以通过支付交易费用和计算逻辑服务来启用以太坊网络。去中心化的应用程序（或Dapp）为其用户提供特定的目的例如，比特币是一个Dapp，为用户提供了一个点对点的电子货币转移系统，使在线比特币支付成为可能。由于它是分散的，网络不受任何个人或中央实体的控制。任何中心化的服务都可以使用以太坊去中心化。以太坊也被组织用来建立去中心化的自治组织（DAO），这只不过是一个完全自治的、去中心化的组织，没有中心化的所有者。它使用一个编程代码，在一个集合上，在以太坊区块链上实现的智能合约。这一准则将取代集中控制，改变传统组织的规则和结构以太坊也被用作展示其他加密货币的平台。由于以太坊基金会定义了ERC20代币标准，其他开发人员可以发行自己版本的代币，并通过首次代币发行（ICO）筹集资金。在这种筹款策略中，代币的发行者设定了他们想要筹集的金额，在人群销售中提供，并获得以太币作为交换。在过去的两年里，ICO在以太坊平台上筹集了数十亿美元，而世界上最有价值的加密货币之一EOS是ERC20代币（URL，2019 b）。–莱特币：莱特币（Bhosale和Mavale，2018）是一种新的加密货币。具有快速交易能力的货币。顾名思义，Litecoin在处理方面是Lite，可以在处理能力较低的台式机中挖掘。2011年10月由Charles Lee介绍。Bitcoin使用加密哈希SHA-256算法，其中Litecoin使用一种称为Scrypt的新算法。大约有8400万莱特币在市场上流通，其中2100万比特币在市场上。莱特币交易处理时间约为2.5分钟，而比特币约为10 分钟（Bhosale和Mavale ，2018）。●●●B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6799–Cardano：Cardano（Houben和Snyers，2018）是一个无需许可的区块链环境。这个平台中的货币兑换需要一个特殊的钱包和接口，因为它处理大量的交易。它促进了称为Ada（ADA）的开源去中心化加密货币。其可用于发送和接收数字资金。它在Cardano平台中使用，就像以太坊平台中使用的货币“以太”一样。Cardano还为去中心化应用程序和以太坊等智能合约提供了分布式环境。卡尔达诺建立了一个愿景，通过理解，学习和分析比特币和以太坊来增强安全性，可扩展性和与传统金融系统和法规的互操作性（Investopedia，2019a）。–比特币现金：比特币现金是2017年8月推出的加密货币。与比特币相比，比特币现金增加了区块的大小，并允许更多的交易来提高可扩展性（Investopedia，2019 b）。与比特币一样，比特币现金也使用相同的共识机制，哈希算法和其他技术（Houben和Snyers，2018）。–Polkadot：Polkadot是一个独特的权益证明加密货币。它的主要作用是提供其他区块链之间的互操作性它的机制/协议旨在链接许可和非许可区块链（Investopedia，2019 c）。它允许并行区块链与自己的令牌一起工作，用于特定的应用程序。在以太坊中，开发人员可以使用自己的安全措施创建分散的应用程序，其中Polkadot，开发人员可以使用内置的安全设施创建自己的区块链（Investopedia，2019 c）。一个点被用作这种 加 密 货 币 的 令 牌 Polkadot 架 构 有 三 个 主 要 层 ， 即Parachains，Relay chains和Bridges。副链代表异构区块链，中继链控制和管理交易共识和交付，而桥则作为副链之间的连接器与其共识（Qasse et al.，2019年）。私有/许可区块链：这是一个封闭的区块链环境，预定义的节点可以加入并根据为其定义的权限进行操作。许多组织可以参与，每个组织都有不同的权利。写入权限集中在一个组织。读权限可以是公开的，也可以限制到任意级别。私有区块链是一种利用区块链技术的方式，通过建立可以在内部验证交易零售、保险、供应和物流、医疗保健、政府和公共部门是各行业许可区块链的巨大应用/用例。在这里，我们将讨论授权区块链的两个成功用例1. Ubin项目（Ubin URL，2019年）：Ubin项目是新加坡政府与业界的合作项目，旨在探索使用DLT（以太坊）进行支付和证券的清算和以太坊在使金融交易和流程更加透明、强大和成本更低方面表现出了潜力。该项目是新加坡金融管理局（MAS）和业界的合资企业，旨在了解该技术并利用实际实施的潜在利益。该项目分两个阶段实施：(a) 第一阶段：第一阶段确定了需要包括哪些金融组成部分。他们已经决定开始使用区块链技术进行银行间支付。该公司包括美银美林、信贷瑞士银行、星展银行、香港上海汇丰银行有限公司、摩根大通、三菱UFJ金融集团、华侨银行、R3、新加坡交易所、大华银行和BCS信息系统公司作为该项目的技术提供商（Ubin URL，2019年）。(b) 第二阶段：第二阶段强调在多个DLT平台上重新构想实时全额结算（RTGS）此外，具有流动性储蓄机制的分散式银行间支付和结算已成功引入三个不同的DLT平台（Quorum，HyperledgerFabric和R3 Corda）。此外，它还实现了支付数字化、分散化、处理、支付队列、交易隐私、结算和最终性等目标。Ubin项目专注于使用央行数字货币进行跨境支付的新方法，作为下一阶段的未来工作（Ubin URL，2019）。2. We.trade （We-trade主页，2019年）：它是一个基于IBM区块链平台的数字贸易平台，使用Hyper- ledger fabric（Androulaki等人，2018年），为银行客户提供简单的用户界面，利用创新的智能合约，开辟潜在的新交易机会。它能够提供准确的交易态势信息、结算控制、风险覆盖、跟踪和追踪选项。近实时的信息交换，交易融资和其他复杂流程的数字化，持续的业务和合规准备，可扩展性和安全性是在区块链上实施交易的好处。2.2.3. 应用区块链成为这个数字世界的新机遇。它可以应用于各种领域。本节介绍了区块链的两个非常重要的现实应用1. 区块链与5G工业自动化：物联网（IoT）和第五代网络（5G）是这个时代的需要。特别是当有不同的消费者和各种数字应用程序。启用5G的IoT（5G-IoT）将以实时方式连接数万亿个彼此通信的IoT设备，而无需任何第三方干预，这使得能够部署具有大量设备的应用程序，而无需担心网络流量或网络相关问题。然而，启用5G的物联网设备环境存在隐私和安全问题，因为它具有更容易受到攻击者攻击的集中式系统。为了解决同样的问题，区块链集成作为一种有前途的技术出现，因为它由于其分布式和对等网络架构而为5G物联网提供了一个安全，透明，可靠和防篡改的环境（Surati等人，2021年）。许多研究人员（Liu等人，2019年;Zhang等人，2019;Xiaoding et al.，2021; Jia等人，2021年;Wu等人， 2020年）提出并要求将区块链与5G工业物联网集成的方法，以提高安全性，隐私性，不变性和透明度方面的性能。2. 5G医疗保健中的区块链：医疗保健是直接影响人类生活的最重要行业之一。5G为数字医疗行业带来了很多机会。通过5G，远程手术、远程监护和远程医疗实践成为可能。 其中，隐私、安全和不变性的问题可以通过区块链在5G医疗中的整合来解决。许多研究人员（Khujamatov等人， 2020; Srinivasu等人， 2021; Chamola等人，2020; Wazid等人，2020; Hewa等人，2020年）已经讨论，提出并声称将区块链与5G医疗保健整合的部署可能性，以解决安全性，隐私性，不变性和透明度问题。●B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报68003. 区块链中的分布式共识区块链是分布式计算的一个典型例子，其中分散的共识是一个原始的问题，因为没有集中的权威来获得共同的协议。 各种算法（如图所示）。（5）在过去三十年中提出了各种假设，以解决共识问题。简单地说，共识是关于多个实体/成员/服务器同意相同的值。根据维基百科（Wikipedia，2019），共识通常是指团体或社区成员之间的普遍协议。维基百科将共识、协作、合作、民主化、包容性和参与定义为共识的关键组成部分对我们来说，区块链中的共识基本上是多个不可信实体之间通过消息传递机制协调博弈的决定，以实现多智能体系统中的可靠性和容错性。与投票不同的是，在投票中，多数人选出一个领导人，然后由他做出决定，而共识则是一个达成共同协议的过程（由一组成员中的一名成员提出），适用于所有成员。许多共识算法都基于“收集/验证/订购/记录/丢弃”交易的简单原理，并将一致和确认的结算（在挖掘过程之后）发送到共享的分布式公共账本，该账本这些算法的最先进的理论含义是一个可以进行大量工作的领域在本节中，我们旨在描述区块链技术的各种平台所使用的各种共识算法。存在各种性质（Watanabe等人， 2015年），贡献的一致性算法即（i）终止-由授权实体生成某个值作为一致性机制的结果（ii）有效性-如果所有实体都提出相同的值，则授权实体同意该值（iii）完整性-每个授权实体必须同意某个授权实体先前提出的一个值（iv）同意-每个授权实体必须同意相同的值。为了达成共同的协议或价值，必须满足这些属性。即使在分布式系统中出现各种类型的故障，如崩溃故障、网络分区故障或拜占庭故障，也应该实现一致性。如图 5，算法分为两大类，即。许可区块链和无许可区块链区块链市场上可用的大多数数字货币都属于无许可区块链类别，任何人都可以成为区块链的一部分，而不需要任何认证或其他障碍。用户可以简单地创建他们的个人地址，并开始与区块链网络进行交互，而无需任何审查。去中心化、匿名性和透明度是无权限区块链的关键问题。比特币 （ Nakamoto ， 2008 ） 是 无 许 可 区 块 链 和 工作证 明 （ PoW ）（Vukoli c' ，201 5），权益证明（PoS）（Zheng et al.，2017），活性 证 明 （ PoA ） （ Bach 等 人 ， 2018 ） ， 位 置 证 明 （ PoL ）（Migliorini，2018），重要性证明（PoI）（Bozic等人，2016）和时间流逝证明（PoET）（Bach等人，2018）是无许可区块链类别中的少数共识机制。另一方面，许可区块链是一个封闭的或私有的网络，用户在没有许可/授权/审查的情况下不允许加入。用户应该在这类区块链中相互了解许可型区块链用于任何组织，如私人公司或财团，其中一些权威实体仅允许参与。与矿工需要使用电力，时间和/或加密货币的无权限算法不同，许可区块链避免了挖掘（计算）开销。然而，用户之间的共识是一个原始的挑战，可以通过状态机复制的概念来处理。在许可区块链中实现分布式共识的主要挑战是故障，例如崩溃故障、网络故障和拜占庭故障。Ripple（Gomez等人，2019年）是授权区块链的一个例子。不同的去中心化，透明度，匿名性和治理是许可区块链的关键挑战它适用于两种网络场景，即。同步环境和异步环境。在同步环境中，通信系统必须在具有有限延迟的公共时钟（通常称为先验时钟）下运行 RAFT（Mingxiao等人， 2017）、Paxos（Lamport等人，2001）和拜占庭容错（BFT）（Cachin和Vukoli c'，201 7）是同步环境下许可区块链中使用的共识机制。在异步环境中，例如Internet，延迟没有限制，因此不应该存在时间限制显然，后者在性质上更为复杂，因为有许多不同的动态问题需要考虑，如安全和生活，这将在讨论个人时讨论图五. 共识算法的分类。B. Shrimali和H.B. 帕特尔沙特国王大学学报6801类中的算法 实用BFT（PBFT）（Abraham等人， 2017年）。委托BFT（DBFT）（Nguyen和Kim，2018）和Federated ByzantineFault Tolerance（FBFT）（Nguyen和Kim，2018）是异步环境下许可区块链中使用的共识机制。在随后的讨论中，我们详细研究了这些算法中的每一个 我们在同步网络场景中的许可区块链类别下主要有三种算法，即RAFT （ Baliga ，2017 ）和Paxos （Lamport 等人，2001），其解决了崩溃和网络故障以及BFT（Abraham等人，2017），这是拜占庭容错算法。Paxos（Lamport等人，2001）基于一个简单的想法，即提出来自多个提议者的提议（具有唯一的编号），并且接受者基于其编号接受或拒绝该提议。接受较高的建议编号，而丢弃其他较低编号的建议获得多数票的提议人最终的结果被传送到网络中的所有节点，有时也被称为学习者。3.1. 许可的区块链许可区块链共识机制根据其工作环境分为两大类，即（i）同步（ii）异步在我们开始理解同步或异步环境下的协议之前，我们需要了解状态机复制（SMR）的思想，这对在许可区块链中实现共识非常有帮助。智能合约可以通过有限状态机（FSM）来表示。众筹应用程序是通过FSM呈现的合同的一个很好的例子。不是在网络的每个机器/节点上运行（智能）合约，而是建议在节点的（子）集合上运行它，并且网络确保通过某种共识机制将相同的状态广播到网络的其他节点。典型的状态机包括一组状态（ST），每个状态具有一组输入（IN）、一组输出（OUT）、转换函数（ST X IN -> ST）、输出函数（ST X OUT ->ST）和开始状态（例如ST 1）。通过分布式SMR，状态机在多个服务器之间同步，以避免任何可能的故障。1. 同步网络环境：在此类别下，有不同的协议。我们在这里逐一讨论PAXOS：分布式共识中存在各种类型的故障。碰撞断层、网络断层或分区断层、拜占庭断层。拜占庭故障进一步细分为恶意行为节点、硬件故障和软件错误。为了处理崩溃和网络故障，PAXOS （ Lamport 等 人 ， 2001 ） 和 RAFT （ Huang 等 人 ，2019），而要解决拜占庭故障（包括崩溃和网络故障），BFT（Hackfeld，2019）和PBFT（Castro等人，1999年）使用。PAXOS的工作原理很简单。在网络中的所有节点中，一个或多个节点提出一个值（以具有唯一且不断递增的数字的建议的形式），该值被传播到整个网络。这些节点被称为提议者。其他节点（称为接受者）根据与当前提议相关联的数量与接收到的提议的数量的比较来接受或拒绝提议。第三类节点称为学习者，通过多数投票原则学习接受者选择的值。RAFT：RAFT主要是作为Paxos的替代品，同时考虑到容错和性能等因素，它主要致力于将主要问题划分为子问题并解决单个问题的思想。独立解决子问题。协作地，系统的所有节点选择领导者，并且其他节点成为领导者的追随者。在选择领导人时，在候选人中采用多数表决的概念。领导者维护并复制跟随者之间的状态转换（例如日志）。领导者通过发送一个特殊的消息（称为心跳）来通知所有的追随者它的存在。追随者不会自己发出任何请求，而只是响应领导者的请求。如果没有收到来自领导者的心跳（在一定的超时之后），追随者开始重新选举领导者的过程。如果leader节点发生故障或崩溃，新的引线被选择（在预定义的超时之后），并进行同步。当故障节点恢复时，它将变为以下内容。与Paxos一样，RAFT遵循多数表决的概念，即只要N/2 + 1个节点工 作 （ 或 者 换 句 话 说 ， N/2-1 个 节 点 失 败 ） ， 它 就 能 抵 抗Byzantine容错。RAFT的问题是，领导者应该是正确的（或诚实的），因为所有其他节点都盲目地跟随领导者。BFT（拜占庭容错）：分布式系统的基本问题是通过在系统的多个参与者所做的各种决策之间达成共识来实现可靠性当系统中存在错误或行为不端的行为者时，这个问题就变得非常重要，这可能会使系统变得不一致。因此，容错对于达成共识是必要的。为了理解这种担忧，拜占庭将军问题在（Lamport etal.， 2019年），其中有多个军队将军（一个是指挥官，另一个是中尉）通过消息传递系统进行通信。各种情况下已经讨论了考虑一个或多个中尉要么忠诚或叛徒，包括指挥官也被认为是忠诚或叛徒的情况。该问题可以形式化为可以在具有3N个节点（将