[论文解读] A Framework for Blockchain-Based Applications

Ephraim Feig|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 5被引用 17

一句话总结

本文提出了一种通用框架，用于设计基于区块链的应用程序，通过识别比特币和Git等不同系统中共有的核心结构和操作要素。该框架引入了一组基础性问题，以评估区块链是否适用于特定用例，并指导早期设计，强调必须从一开始就明确处理信任模型、验证机制、共识机制和不可变性。

ABSTRACT

Blockchains have recently generated explosive interest from both academia and industry, with many proposed applications. But descriptions of many these proposals are more visionary projections than realizable proposals, and even basic definitions are often missing. We define "blockchain" and "blockchain network", and then discuss two very different, well known classes of blockchain networks: cryptocurrencies and Git repositories. We identify common primitive elements of both and use them to construct a framework for explicitly articulating what characterizes blockchain networks. The framework consists of a set of questions that every blockchain initiative should address at the very outset. It is intended to help one decide whether or not blockchain is an appropriate approach to a particular application, and if it is, to assist in its initial design stage.

研究动机与目标

• 解决基于区块链的应用缺乏清晰定义和设计指南的问题，这些问题往往过于理想化且缺乏技术基础。
• 识别不同区块链系统（如加密货币和Git仓库）之间的共同结构和操作原语，以建立统一的概念基础。
• 创建一个实用的、基于问题的框架，帮助设计者判断区块链是否适用于特定应用，并从一开始就规划其核心组件。
• 挑战不可变性是区块链必要属性的假设，认为在某些情境下它可能成为负担。
• 阐明信任、验证、共识和激励在区块链网络中的作用，表明这些机制在不同信任模型下存在显著差异。

提出的方法

• 将“区块链”定义为使用密码学技术链接的数据块序列，其中每个块（除第一个外）通过密码学方法链接到其前驱块。
• 将“区块链网络”定义为对等网络，其中节点维护并验证区块链，通过特定协议达成共识。
• 分析两种对比模型：比特币（信任规避、工作量证明、公开、不可变）与Git（基于信任、权限制、私有或公开、可修改分支）。
• 从这些模型中提取共享的原语要素（如区块创建、验证、共识、节点通信和激励机制），以构建通用框架。
• 开发一组14个核心问题，涵盖数据结构、区块形成、验证、共识、信任模型、不可变性和激励机制，以指导应用设计。
• 使用这些问题评估实际应用案例，展示其如何防止区块链技术的误用。

实验结果

研究问题

• RQ1 无论信任模型如何，定义区块链网络的基本结构和操作组件是什么？
• RQ2 如何构建一个框架，以评估区块链是否适用于特定应用？
• RQ3 在比特币等信任规避系统与Git等基于信任的系统之间，信任、验证和共识机制的关键差异是什么？
• RQ4 在多大程度上应将不可变性视为区块链的必要属性？强制不可变性存在哪些风险？
• RQ5 激励机制和节点行为如何影响区块链网络的可靠性和安全性？

主要发现

• 该框架识别出14个根本性问题，每个区块链项目在设计初期都必须回答，涵盖区块形成、验证、共识和激励机制。
• 不可变性虽然常被视为核心属性，但可能成为负担——尤其当私钥丢失或泄露时，例如在比特币中，估计有数百万枚代币永久丢失。
• Git表明，成功的类似区块链的系统可在基于信任的模型下运行，无需工作量证明，而是通过人工参与的共识和版本控制实现。
• 比特币中的工作量证明成本高昂：截至2018年3月，每笔交易平均消耗约791千瓦时电力，凸显可扩展性和能效挑战。
• 权限制和私有区块链（如企业环境中使用的）通常依赖访问控制和集中治理，与比特币的无信任模型存在显著差异。
• 本文表明，区块链并非天生比传统系统更可信；其信任模型必须根据应用需求明确设计并加以论证。