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高并發區塊鏈架構及其在數字彩票系統中的應用研究

日期:2021年01月11日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:5
論文價格:150元 論文編號:lw202101071255108808 論文字數:28255 所屬欄目:計算機軟件論文
論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

本文是一篇計算機軟件論文研究,本文從區塊鏈的研究背景出發,研究了如何構建一個區塊鏈網絡,主要包括存儲的方式、怎樣進行加密和達成一致的機制。介紹了目前基于 DAG 的高并發區塊鏈架構,主要包括有向無環圖、雙層共識機制以及同構多鏈架構。本文設計研究了基于可延時驗證的高并發區塊鏈系統,提出了利用區塊鏈網絡中的超級節點和隨機抽樣節點驗證來提高交易確認速度,并在普通節點的交易信息驗證出錯時,可延時提出全網共識,以保證區塊鏈系統的安全性?;诳裳訒r驗證的區塊鏈設計了一個數字彩票發行系統,主要包括分層架構、關鍵技術、需求和架構設計以及軟件設計。


第1章 緒論


1.1研究背景及意義

近年來隨著互聯網信息技術的發展,價值的傳遞方式也在不斷改變。價值的傳遞方式經歷了從紙幣到移動支付為主的電子貨幣?;ヂ摼W的發展提高了信息的傳輸效率,在整個網絡中點對點的傳輸高效且廉價。然而,對于信息傳輸可靠性的保護卻存在很多問題,在網上復制和篡改一些信息的成本幾乎為零。傳統互聯網無法保證點對點傳遞帶有所有權信息的可靠性?;ヂ摼W的發展雖然做到了讓貨幣以數字的形式流通,但是都依賴第三方機構,會產生第三方的信任問題,同時也提高了交易成本。

區塊鏈技術就是在這樣的背景下誕生的。信息和價值是不可分割的,利用區塊鏈技術在互聯網中進行信息傳輸時,能夠確保有價值的信息被可靠地傳輸。區塊鏈技術的核心是建立了一個獨立于第三方的可信網絡?;ヂ摼W具有信息傳遞功能,區塊鏈技術能確保在信息傳遞中價值的可靠性。區塊鏈技術通過特殊的數據結構和加密算法來保證數據的不可篡改,通過共識算法來達到去中心化的目的。

區塊鏈技術具有去中心化和安全的特性,這使得它非常適用于涉及多方間安全的場景、需要獲取真實性信息的企業以及基于分布式的市場商業新模型。在物聯網中,隨著新的分布式經濟模型的普及,覆蓋著數以億計的機器,機器之間會涉及大量的交易情況,安全、分布式的交易模型就顯得極其重要,區塊鏈對于處理這種分布式交易情況高效且安全。區塊鏈技術也適用于解決金融業的問題,金融業的核心之一是風險評估,獲得的真實信息越多,風險就會越低。目前,跨境支付都是由第三方機構完成清算支付,這同時也將存在信息同步時差,并且成本將非常高。通過區塊鏈技術應用的分布式數據庫和一致性賬本可以實現即時清算。區塊鏈適用于各種各樣的場景和行業,并不局限于各種代幣,區塊鏈在未來還將有更大的發展空間。

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1.2國內外研究現狀

2008 年,一位化名“中本聰”的學者發表了一篇題為《比特幣:一種點對點電子現金系統》的論文[1],并在該論文基礎上創建了比特幣,從而產生了區塊鏈技術。目前,區塊鏈技術的發展經歷了三個重要過程。區塊鏈 1.0 是一種用來建立加密賬戶和進行數字支付的貨幣,它具有去中心化、數據不可篡改、不可偽造、可追溯等特點。區塊鏈 1.0 的主要代表是比特幣,它是目前最成功的區塊鏈應用程序,它通過分布式和分散的數據庫分散存儲貨幣、金融交易、數據和信息,并通過分布式和分散的數據庫存儲信息。區塊鏈 1.0 不需要可信的第三方,如銀行或其他金融機構,來驗證金融交易。區塊鏈 2.0 在區塊鏈 1.0 的基礎上增加了智能合約,采用了不同的共識機制。智能合約是在滿足某些條件時自動運行得到結果的函數方法。區塊鏈 2.0 的主要代表是 ethereum,所有人可以在 ethereum 平臺上開發其他區塊鏈應用程序。在 ethereum 平臺,每秒交易量相較于比特幣有很大的提高。區塊鏈發 3.0 的主要代表是 EOS,其目標是為各行各業提供去中心化的解決方案,包括通過區塊鏈進行資歷認證、數據存儲、產權的確認等[2]。

區塊鏈 1.0 到 3.0 都是對應用層或者共識層進行改進,目前也出現了很多對區塊鏈底層的研究,其中被研究的最多的就是基于 DAG 的區塊鏈架構。DAG 即有向無環圖,在基于 DAG 的區塊鏈中,沒有區塊的概念,通過所有的交易組成一個有向無環圖。具體來說,在基于 DAG 的區塊鏈中,要驗證新的交易前,必須直接驗證之前的兩個交易,這也使得在這兩個交易之前所有被驗證過的交易得到間接驗證。通過 DAG 的拓撲結構來存儲區塊,可以解決區塊鏈的效率問題。區塊鏈只有一條單鏈,打包出塊無法并發執行。如果將區塊的鏈式存儲結構變成DAG 的網狀拓撲,則可以并行寫入。在區塊打包時間不變的情況下,網絡中可以并行打包 N 個區塊,網絡中的交易就可以容納 N 倍[3]。

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第2章 相關技術的研究


2.1分布式存儲傳統的互聯網采用的是集中式存儲,把數據存儲在一臺足夠大的服務器上。部署的方式簡單,部署一個服務節點即可,維護起來也很方便。因為它將所有數據保存在同一臺服務器上,所以對數據的操作就變得簡單了,例如存取。隨著互聯網的發展,移動互聯網的興起,主機數據和計算量越來越大,用戶的并發訪問也越來越多,那么在單一的大型主機服務器上進行擴容是非常難的,還存在嚴重的單點故障問題。目前大型企業基本都會部署多臺服務器,部署的成本也非常高。在節約成本方面,區塊鏈的分布式存儲有著巨大的優勢[48]。

區塊鏈由多個區塊連接而成,一個完整的區塊包括作為區塊分隔符的神奇數,區塊大小,區塊頭,交易列表以及交易數。具體如下表 2-1 所示:

表 2-1 區塊鏈的區塊

區塊鏈的分布式存儲是將數據分成很多塊,每個塊的數據都記錄在區塊鏈上,這樣可以防止被修改,我們在區塊鏈上讀取數據時就是讀取每一個塊的數據,然后拼接成完整的數據。區塊鏈分布式存儲采用全網絡節點共同參與數據的存儲,每個節點都是對等的,沒有中心機構的控制,每個節點都保存了完整的數據賬本,整個區塊鏈共用一個賬本來保證數據的可靠性[13]。區塊鏈存儲是將數據同步到全網節點,所有節點都參與數據的維護,這樣還可以降低數據維護的難度。

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2.2加密算法

區塊鏈底層的實現離不開加密算法,區塊鏈的核心是去中心化和安全透明,所有相互不信任的節點都必須在加密算法下保證數據的不可修改性[32]。區塊鏈用到的密碼學算法有兩大類算法:哈希算法和非對稱加密算法。

2.2.1哈希算法

哈希算法是區塊鏈中用的最多的一類算法,它主要用于構建區塊鏈和確認交易的完整性[22]。哈希算法是一類數學函數算法,也被稱為散列函數。哈希函數一般是輸入任意的字符串,由確定的哈希函數產生固定的輸出,并能在較快的有效時間內得到輸出[11]。哈希算法在區塊鏈中要達到密碼學安全還要求具備三個條件,一是要有碰撞阻力,即保證不同的輸入會產生不同的輸出,二是要有不可逆性,在哈希函數 y=Has(x)中可以通過輸入 x 得到輸出 y,但無法通過輸出 y 推出輸入 x,三是對于算法中 y=Hash(x)在已知 y 的情況下只能通過暴力枚舉的方式不斷嘗試得到 x。

區塊鏈中常用的哈希函數是 SHA256。SHA256 是一種安全散列函數,對于任意長度的消息,SHA256 都會產生一個 256 位的 hash 值,將這個 hash 值作為消息摘要。SHA256 哈希計算前要進行兩個步驟[27]:

1. 對消息進行補位處理,保證最終的長度為 512 位的倍數

2. 以 512 位為單位對消息進行分塊為 M(1),M(2),….M(N)

SHA256 的壓縮函數對 512 位的消息區塊和 256 位的中間哈希值進行操作,本質上,它是一個通過將消息區塊作為密鑰對中間哈希值進行加密的 256 位加密算法。

圖 2-1 橢圓曲線加法

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第 3 章 高并發區塊鏈架構............................... 14

3.1從區塊鏈 1.0 到區塊鏈 3.0...................... 14

3.2區塊鏈的發展難點和解決方案 ...................... 14

3.3基于 DAG 高并發區塊鏈原理................................ 15

第 4 章 基于高并發區塊鏈的數字彩票發行系統的實現.............................. 25

4.1引言....................... 25

4.2系統的分層........................... 26

4.3系統的需求................ 27

第 5 章 總結與展望 ............................... 42

5.1總結.................... 42

5.2展望...................... 42


第4章 基于高并發區塊鏈的數字彩票發行系統的實現


4.1引言

隨著彩票事業的大力發展,彩票的種類也越來越多,比較流行的就是數字型彩票,給定一組數字,一般是在其中選取六個數字,開獎后選中的數字越多獎金越多。

數字型彩票在整個發展過程中,存在一些無法解決的難題,最主要的就是彩票中心不可信任的問題。彩票中心控制著抽出中獎號碼的搖獎機器,搖獎器真正的運行過程是不可知的,所有得到的結果是否可以人為控制也是未知的;還有一些數據,比如彩民購買彩票的具體時間、購買金額的多少等情況也只有彩票中心自己知道;最后中獎者的身份也是保密的。存在如此多的彩票中心人為可控的因素,購買彩票的用戶多少也會對這種購買模式產生懷疑,長此以往購買彩票的用戶也會越來越少。

為了擴大彩票市場,彩票中心又引入了互聯網彩票發行模式,這種代購模式引發了更多的問題。由于買彩票的金額會達到千萬級別,而中獎金額只有百萬級別,中獎的幾率非常小,互聯網彩票站點會想方設法將這些彩票私吞,這就是“吃票”。而與此同時,這些

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