[论文解读] A Survey of State-of-the-Art on Blockchains: Theories, Modelings, and Tools

Huawei Huang, Wei Kong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 162被引用 26

一句话总结

本综述对区块链理论、分析模型和实验工具进行了全面分析，填补了现有文献中主要聚焦于应用而忽视理论基础的空白。它对共识机制、分片、可扩展性和互操作性等前沿研究进行了分类，为区块链系统与网络领域的研究人员和从业者提供了研究路线图。

ABSTRACT

To draw a roadmap of current research activities of the blockchain community, we first conduct a brief overview of state-of-the-art blockchain surveys published in the recent 5 years. We found that those surveys are basically studying the blockchain-based applications, such as blockchain-assisted Internet of Things (IoT), business applications, security-enabled solutions, and many other applications in diverse fields. However, we think that a comprehensive survey towards the essentials of blockchains by exploiting the state-of-the-art theoretical modelings, analytic models, and useful experiment tools is still missing. To fill this gap, we perform a thorough survey by identifying and classifying the most recent high-quality research outputs that are closely related to the theoretical findings and essential mechanisms of blockchain systems and networks. Several promising open issues are also summarized finally for future research directions. We wish this survey can serve as a useful guideline for researchers, engineers, and educators about the cutting-edge development of blockchains in the perspectives of theories, modelings, and tools.

研究动机与目标

• 解决现有文献中缺乏专注于区块链系统理论基础、分析模型和实验工具的专门综述的问题。
• 识别并分类与区块链核心机制和理论基础相关的高质量研究成果。
• 为共识协议、分片、可扩展性和互操作性等关键领域提供区块链研究的结构化分类体系。
• 突出区块链理论、建模与工具领域中尚未解决的问题及未来研究方向，以推动学术与工业发展。

提出的方法

• 系统性地收集并分析了67篇近期区块链综述论文，以识别研究趋势与研究空白。
• 根据研究重点将现有综述划分为七个主题类别：区块链基础、客户端行为、人工智能/博弈论融合、通信技术，以及特定应用的综述。
• 对理论模型进行了详细审查，包括排队论、概率模型和博弈论框架在区块链行为分析中的应用。
• 评估并分类了现有的区块链仿真与模拟工具，用于实验验证。
• 识别了在隐私保护机制、防加密挖矿攻击以及加密货币区块链安全建模方面的关键挑战。
• 通过批判性分析未解决的问题，提出了未来在可扩展性、性能建模和安全协议设计方面的研究方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 近期区块链研究中主要采用的理论与建模方法有哪些？
• RQ2 当前的分析模型在多大程度上能够捕捉现实条件下交易到达、区块挖矿和系统性能的表现？
• RQ3 现有区块链仿真与模拟平台在实验验证方面存在哪些关键局限性？
• RQ4 区块链安全领域仍存在哪些开放性问题，特别是关于隐私保护、加密挖矿攻击以及多链攻击动态方面？
• RQ5 像广义排队论和概率模型这样的先进建模技术，如何提升对区块链系统行为的理解？

主要发现

• 尽管已有大量面向应用的综述，但在专注于区块链理论、建模与工具的综合性综述方面仍存在显著研究空白。
• 共识协议、分片和可扩展性是当前最活跃的理论研究方向，且对形式化建模与性能分析的兴趣持续增长。
• 现有区块链仿真工具在可扩展性和部署便捷性方面存在局限，对新研究者和协议评估者构成障碍。
• 隐私保护机制与防加密挖矿策略仍发展不足，尤其在形式化建模与威胁分析方面。
• 迫切需要广义的概率模型与排队论模型，以更准确地反映区块链系统中现实的交易与区块到达模式。
• 未来研究应优先整合博弈论与激励机制模型，以分析多链环境中矿工行为与攻击鲁棒性。