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基于区块链技术的数字货币研究


2018-05-13        撰稿人: 韩璇


学科专业:软件工程

研究方向:信息安全

指导教师:王鲲鹏 研究员

摘要

数字货币是互联网技术革新和密码学技术发展的产物,是继实物货币、金属货币、纸质货币之后的又一种新型货币形式,反映了人类对于无现金支付方式在安全性、匿名性、便捷性等多方面的更高需求。早在1982年,Chaum就提出了数字货币的概念。此后,对数字货币的研究迅速兴起,备受瞩目。直至2008年,化名为“中本聪”的团体或个人设计并开发了比特币——一种点对点的电子现金支付系统,首次解决了数字货币长久以来依赖可信第三方的问题,是第一个真正实现了去中心化的数字货币方案,开启了去中心化数字货币研究的新时代。区块链技术作为比特币系统的底层技术,解决了P2P网络中的一致性问题。随后,基于区块链技术的各种数字货币层出不穷,在学术领域和金融领域都产生了重大影响。包括中国在内的多国政府也将法定数字货币的相关研究工作提上日程。

然而目前基于区块链技术的数字货币的设计尚不完善,存在效率、能源损耗、安全性等诸多问题。共识机制是区块链技术的核心,也是数字货币方案设计的关键。现有的基于区块链技术的数字货币方案多数采用工作量证明机制,存在交易处理时间长、可扩展性差等问题。同时,工作量证明机制需要大量计算资源,能源损耗大。目前,对工作量证明机制的很多改进方案在解决能耗、效率问题的同时,削弱了安全性,引入了新的安全性隐患。因此,在提高效率、降低资源能耗的同时,设计高安全性的共识机制对基于区块链技术的数字货币的方案设计至关重要。

本文的主要工作是对比分析现有的区块链技术中的共识机制,提出安全、高效、低能耗的共识机制,设计高扩展性的基于区块链技术的法定数字货币方案。我们的工作可以分为以下三个部分。

第一部分,我们从通讯代价的角度对Danezis等人提出的法定数字货币框架RSCoin方案进行了改进,提出了用户友好型的法定数字货币方案;通过引入代表机制优化区块链的形成过程,在保证系统总通讯量基本不变的情况下,降低了用户的通讯代价。

第二部分,我们对现有的区块链上支持的共识机制进行对比分析,包括工作量证明、权益证明、拜占庭一致性协议以及各种共识机制的改进方案;从共识机制的安全性、性能效率、扩展性、能源消耗等多角度对现有的共识机制进行对比分析,总结各种共识机制的特点、设计关键和尚未解决的问题,提出将不同共识机制相互结合的共识机制设计方向。

第三部分,我们通过上面对区块链技术中的共识机制的对比,提出了信用证明的概念;将与交易无关的信用值定义为节点的权益,从而削弱权益优势节点对区块链的控制。在Kiayias等人提出的Ouroboros权益证明机制的基础上进行改进,结合掷币协议,提出了基于信用证明的区块链数字货币方案,并证明了该方案可抵御二次支付攻击、可削弱区块扣留攻击。

关键词:数字货币,区块链技术,法定数字货币,共识机制


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