国内外区块链对比论文

『壹』 区块链在金融领域的前景分析论文

区块链在金融领域的前景分析论文

区块链技术诞生于2008年，第一个应用是毕特币。区块链技术使用去中心化共识机制，维护一个完整的、分布式的、不可篡改的账本数据库，在无需建立信任关系的前提下，能够让区块链中的参与者实现一个统一的账本系统。2015年，欧美的很多主流金融机构认识到了该技术的应用前景，纷纷探索在金融领域应用区块链技术。国际货币基金组织在一份报告中指出“它具有改变财政金融的潜力”，也有人认为区块链技术将会像复式记账法和股份制一样深刻改变人类社会。

区块链将使所有个体都有可能成为金融资源配置中的重要节点，也将促进现有金融体系与金融规则的改良，构建共享共赢式的金融发展生态体系。区块链技术的出现是人类信用创造的一次革命，它能让交易双方在无需第三方信用中介的情况下开展经济活动，从而实现低成本的价值转移。可以说，区块链技术是互联网时代效率更高的价值交换技术，互联网由此从传递信息的信息互联网向转移价值的价值互联网进化，这有利于传统金融机构借势转型，将内生的业务流程和应用场景互联网化。

一、区块链的特征与不足

(一)区块链的主要特征

(1)去中心。在区块链中，不存在中心化的硬件或管理机构，分布式的结构体系和开源协议让所有的参与者都参与数据的记录和验证，再通过分布式传播发送给各个节点，每个参与的节点都是“自中心”，权利和义务都是均等的。区块链又不是简单的去中心，而是多中心或弱中心。当物联网使所有个体都有可能成为中心节点时，传统金融中介的中心地位发生改变，从垄断型、资源优势型的中心和强中介转化为开放式平台，成为服务导向式的多中心当中的差异化中心。

(2)去信任。从信任的角度来看，区块链采用一套公开透明的数学算法，基于协商一致的规范和协议，使所有节点能够在去信任的环境下自动安全地交换数据。区块链实质上是通过数学方法解决信任问题，所有的规则都以算法程序的形式表达，参与方不需要知道交易对手的信用水平，不需要第三方机构的交易背书或者担保验证，只需要信任共同的算法，通过算法为参与者创造信用、产生信任、达成共识。

(3)时间戳。区块是一段时间内的数据和代码打包而生成的，下一区块的页首包含上一区块的索引信息，首尾相连便形成了链。记录完整历史的区块与可进行完整验证的链，形成了可追朔完整历史的时间戳，可为每一笔数据提供检索和查找功能，并可借助区块链结构追本溯源，逐笔验证。所以，区块链生成时都加盖了时间戳，形成不可篡改、不可伪造的数据库。单个节点上对数据库的修改是无效的，除非能够同时控制系统中超过51%的节点，因此区块链的数据可靠性很高。

(4)非对称加密。区块链使用非对称加密算法，即在加密和解密过程中使用一个“密钥对”，“密钥对”中的两个密钥具有非对称特点。在区块链的应用场景中，一方面，密钥是所有参与者可见的公钥，参与者都可用公钥来加密一段真实性信息，只有信息拥有者能用私钥来解密。另一方面，使用私钥对信息签名，通过对应的公钥来验证签名，确保信息为真正的持有人发出。非对称加密将价值交换中的摩擦边界降到最低，能够实现透明数据的匿名性，保护个人隐私。

(5)智能合约：由于区块链可实现点对点的价值传递，传递时可以嵌入相应的编程脚本，通过这种智能合约的方式去处理一些无法预见的交易模式，保证区块链能够持续生效。这种可编程脚本本质上是众多指令汇总的列表，实现价值交换时的针对性和条件性，实现价值的特定用途。所以，基于区块链的任何价值交换活动都可通过智能编程的方式对其用途、方向和各种限制条件等做到硬控制，省去了以法律或者合同软约束的成本。

(二)区块链存在的主要问题

(1)高能耗问题。传统货币银行学体系中存在不可能三角，即不可能同时达到去中心化、低能耗和高度安全，在区块链构建中也同样存在不可能三角。比如，在毕特币的实际应用中，其发展带来了计算机硬件的快速膨胀，在“挖矿”过程中的主要成本转移到硬件成本和电力成本等。所以，应用区块链技术实现权益成本收益后，让其技术功效发挥至最大化成为急需解决的问题。

(2)存储空间问题。由于区块链记录系统中自初始信息的每一笔交易信息，并且每个节点都要下载存储并实时更新数据区块，所以，每个节点的数据都完全同步的话，网络压力较大，每个节点的存储空间容量要求可能会成为制约其发展的关键问题。

(3)抗压能力问题。基于区块链构建的.系统遵循木桶理论，要兼顾所有网络节点中处理速度和网络环境最差的，所以，如果将区块链技术推广至大规模交易环境下，其整体的抗压能力还有待验证。如果每秒产生的交易量超过系统(最弱节点)的设计容纳能力，交易就自动进入到队列进行排队，带来不良用户体验。

二、区块链在金融领域的应用

(一)金融基础设施

区块链可能作为互联网的基础设施，在很多领域都表现出广阔的应用前景。在金融行业中，区块链技术将首先影响支付系统、证券结算系统、交易数据库等金融基础设施，随后该技术也会扩及一般性金融业务，比如信用体系、“反洗钱”等。这是因为，基于区块链技术的特点，其将首先切入信任要求高且传统信任机制成本高的基础设施领域，过去，基础设施都是公共产品，而区块链新技术和新制度使更多人有可能参与公共产品供给。未来的互联网金融是要利用区块链等互联网技术，改造传统金融机构的核心生产系统，把金融企业架构在互联网上。

当前的信息互联网可统称为TCP/IP模型，HTTP是应用层中最重要的应用协议。在价值互联网中，区块链是在应用层里的一个点对点传输的协议。它的价值与信息互联网中HTTP协议的价值是一样的。区块链的巨大潜力和前景就是可以重构传统金融业的基础设施与核心生产系统，而不仅仅停留在APP等应用层面。这是因为，在网络层次，区块链是建立在IP通信协议基础上的，是建立在分布式网络基础上的;在数据层面，区块链这一数据库系统是崭新的，明显优于现有金融体系的数据库;在应用层面，基于区块链的登记结算、清算系统以及智能合约、物联网能大幅提升效率，区块链上的金融活动是可编程的金融。.

(二)数字的货币

从安全、成本等角度看，纸币被新技术、新产品取代是大势所趋。数字的货币发行、流通体系的建立，对于金融基础设施建设和经济发展都是十分必要的。遵循传统货币与数字的货币一体化的思路，数字的货币的发行、流通和交易应由央行主导，体现便利性和安全性，做到保护隐私与维护社会秩序、打击违法犯罪行为的平衡，要有利于货币政策的有效运行和传导，要保留货币主权的控制力，数字的货币是自由可兑换的，同时也是可控的可兑换。

区块链技术在毕特币上的成功证明了可编程数字的货币的可行性。英国央行的研究表明，中央银行可以考虑发行基于区块链的数字的货币，这可增加金融稳定性。数字的货币的技术路线可分为基于账户和不基于账户两种，也可分层并用而设法共存。区块链技术的特点是分布式簿记，不基于账户，而且无法篡改，如果数字的货币重点强调保护个人隐私，可选用这一技术。不过，目前区块链占用的计算资源和存储资源太多，应对不了现在的交易规模，需要解决这一问题才能得到推广应用。

(三)自金融

如果从服务的角度、从非货币创造角度来看，现代金融都是通过中介机构实现的。互联网时代，有可能实现去中介化的真正意义上的直接金融。不过，这种可能性还不完全，最主要的原因是目前互联网金融是在原有金融基础之上的，无法跳出来，区块链技术提供了一种可能性。区块链可分为公有区块链和私有区块链。公有区块链就是像毕特币这样的，认可了协议，就成为区块链的组成部分。私有区块链仍然是要获得许可的，银行系统的区块链技术，需要对每一个参与者进行审核。私有区块链非常近似于一种自金融的形态，公有区块链更类似于对私有区块链底层的支持和保障。当区块链技术普遍应用，金融管理技术的第三方化普通呈现，基于区块链技术的自金融就完全成为可能。

三、区块链应用与金融监管

区块链技术是目前唯一无需第三方就可用于记录和证明交易一致性和公司财务准确性的工具。因此，它可以满足潜在监管者和公众对于审计有效性、准确性和时效性的要求，在金融领域有着广阔的应用前景。但其发展仍受到现行制度的制约。一方面，区块链对现行体制带来了冲击，因为其去中心、自治的特性淡化了国家、监管等概念。比如，以毕特币为代表的数字的货币挑战了国家的货币发行权和货币政策调控权，导致货币当局对数字的货币的发展持保守态度。另一方面，监管部门对这项新技术也缺乏充分的认识和预期，法律和制度建立将会严重滞后，导致区块链运用缺乏必要的制度规范和法律保护，增大了市场主体的风险。

区块链金融技术一旦在金融业普遍展开以后，监管的去金融属性化就产生了，监管职能、监管方式和监管手段将会被重新界定。比如，证券借贷、回购和融资融券如能通过区块链交易，监管部门就可考虑利用这个公共账本的信息对市场中的系统性风险进行监控，不仅高效而且可靠。从宏观金融视角看，当自金融时代产生以后，货币创造和传导机制以及信用创造格局将会变化。从微观金融视角看，随着区块链技术的进一步发展，金融与商业已经难以区分，将超越分业和混业监管的含义，金融监管体系的改革需要从这个视角来探讨。

区块链技术带来的“去中心化”仍需要中心化的部门提供规范和保障支持。监管机构可主动拥抱互联网金融的新技术，美国证监会委员Kara Stein认为，监管机构需要处于引导位置，利用区块链技术的优势并快速响应其潜在的弱点。比如，区块链技术希望打破特权和人为操纵，让计算机算法实现“信用自由公证”。但从实践来看，由于缺乏监管，毕特币等数字的货币交易面临的投机和洗钱风险就很高。因此，区块链技术应用需要监管部门制定相关标准和规范，保证金融创新产品得到合理运用。同时，还要提高消费者权益的保护，加强金融消费权益保护的教育工作，提高消费者的风险防范意识。

『贰』 区块链论文结尾可以引用文献吗

在论文的结尾引用文献是一种很常见的做法，无论是区块链论文还是其他类型的论文都可以采用这种方式。在引用文献时，需要注意以下几个方面：

• 引用格式：在论文结尾引用文献时，需要按照所使用的引用格式规范将所有文献资料进行排版。常用的引用格式包括APA、MLA、Chicago等，需要根据题目、作者、出版社等元素进行格式化排版。

• 引用内容：在引用文献时，应该只引用与论文主题相关的资料，避免引用和主题无关的内容。此外，引用的内容需要与论文中的文字和内容相符，保持论文的逻辑关系和连贯性。

• 引用数量：在论文的结尾引用文献时，不应该引用过多的文献。袭燃引用的文献数量应该根据实际需要进行适当控制，避免引用过多无关的文献。

在区块链论文的结尾引用文献时，可以参考一些典型的区块链论文或书籍，并将其列入参考瞎皮文献表中。这有助于钩子性结尾，引出一个新的研拍神虚究方向，也可以为分析论文的主题提供更加充分的理论依据。

以下是一些值得推荐的关于区块链的论文和书籍：

• 尼克·萨博：《区块链应用：其工作原理及重要的领域》， O'Reilly Media出版社，2017年

• 安东·安德森和唐·塔普斯科特：《区块链革命：如何改变贸易、金融、公司和我们的未来》，出版社： Portfolio，2016年

• 乔丹·多卡诺斯基和比塞塔·纳拉亚南：《区块链识别和解释：技术、工具和应用（识别和解决）》，Manning Publications，2018年

• A.B. Călin， A. Turcanu， F. Drăgănescu：《Blockchain - A Primer》，出版社： Universe，2019年

• 苏黎普银行集团经济研究团队：《区块链：创造价值的多元应用》，2017年。

这些书籍和论文涵盖了区块链技术在金融、贸易、智能合约等方面的应用，以及区块链技术的本质和未来发展趋势。阅读这些资料，可以帮助您深入了解区块链技术及其应用，掌握相关技术和概念，为区块链相关研究和论文写作提供有价值的参考资料。

『叁』 各区块链架构的横向比较

各区块链架构的横向比较
时常听人们谈起区块链，从 2009 年比特币诞生至今，各式各样的区块链系统或基于区块链的应用不断被开发出来，并被应用到大量的场景中，而区块链技术本身也在不停地变化和改进。
区块链又被称为分布式账本，与之对应的则是中心化账本，比如银行。与中心化账本不同的是，分布式账本依靠的是将账本数据冗余存储在所有参与节点中，来保证账本的安全性。简单地说，区块链会用到三种底层技术：点对点网络技术、密码学技术和分布式一致性算法。而通常，区块链系统还会“免费附赠”一种被称为智能合约的功能。智能合约虽然不是区块链系统的必要组成部分，但由于区块链天生所具备的去中心化特点，使它可以很好地为智能合约提供可信的计算环境。
为了适应不同场景的需求，区块链系统在实际应用的过程中往往会需要进行各种改造，以满足特定业务的要求，比如身份认证、共识机制、密钥管理、交易频次、响应时间、隐私保护、监管要求等。而实际应用区块链系统的公司往往没有进行这种改造的能力，于是市场上慢慢出现了一些用于定制专用区块链系统的框架，采用这些框架就可以很方便地定制出适用于企业自身业务的区块链系统。
本文将对目前市场上几个典型的区块链框架进行横向对比，看看它们都有哪些特点，以及它们之间到底有哪些区别。为了保持对比的公正性，本文将只针对开源的区块链框架进行讨论。
各区块链架构的简单介绍
1、比特币
比特币(bitcoin)源自一名叫做中本聪(Satoshi Nakamoto)的人在 2008 年发表的一篇名为《比特币：一种点对点的电子现金系统》(Bitcoin: A Peer-to-PeerElectronic Cash System)的论文，文中描述了一种被他称为“比特币”的电子货币及其算法。在之后的几年里，比特币不断成长和成熟，而它的底层技术也逐渐被人们认识并抽象出来，这就是区块链技术。比特币作为区块链的鼻祖，在区块链的大家族中具有举足轻重的地位，基于比特币技术开发出的山寨币(altcoins)的数量有如天上繁星，数不胜数。
从论文中可以得知，中本聪设计比特币的目的，就是希望能够实现一种完全基于点对点网络的电子现金系统，使得在线支付能够直接由一方发起并支付给另外一方，中间不需要通过任何的中介机构。总结来说，他希望比特币的设计能够实现以下这些目标：
● 不需要中央机构就可以发行货币
● 不需要中介机构就可以支付
● 保持使用者的匿名性
● 交易无法被撤销
从电子现金系统的角度来看，以上这些目标在比特币中基本都得到了实现，但是依然有一些技术问题有待解决，比如延展性攻击、区块容量限制、区块分叉、扩展性等。
在应用场景方面，目前大量的数字货币项目都是基于比特币架构来设计的，此外还有一些比较实际的应用案例，比如彩色币、t? 等。
彩色币(coloredcoin)，通过仔细跟踪一些特定比特币的来龙去脉，可以将它们与其他的比特币区分开来，这些特定的比特币就叫作彩色币。它们具有一些特殊的属性，从而具有与比特币面值无关的价值，利用彩色币的这种特性，使得开发者可以在比特币网络上创建其它的数字资产。彩色币本身就是比特币，存储和转移不需要第三方，可以利用已经存在的比特币的基础。
t? 是比特币区块链在金融领域的应用，是美国在线零售商 Overstock 推出的基于区块链的私有和公有股权交易平台。
2、以太坊
以太坊(ethereum) 的目标是提供一个带有图灵完备语言的区块链，用这种语言可以创建合约来编写任意状态转换功能，用户只要简单地用几行代码来实现逻辑，就能够创建一个基于区块链的应用程序，并应用于货币以外的场景。
以太坊的设计思想是不直接“支持”任何应用，但图灵完备的编程语言意味着理论上任意的合约逻辑和任何类型的应用都可以被创建出来。总结来说，以太坊在比特币的设计目标之外，还需要实现以下几个目标：
● 图灵完备的合约语言
● 内置的持久化状态存储
目前基于以太坊的合约项目已达到数百个，比较有名的有 Augur、TheDAO、Digix、FirstBlood 等。
Augur 是一个去中心化的预测市场平台，基于以太坊区块链技术。用户可以用数字货币进行预测和下注，依靠群众的智慧来预判事件的发展结果，可以有效地消除对手方风险和服务器的中心化风险。
限于篇幅，基于以太坊智能合约平台的项目就不多介绍了。基于以太坊的代码进行改造的区块链项目也有不少，但几乎都是闭源项目，只能依靠一些公开的特性来推断，所以就不在本文展开讨论了。
3、Fabric
Fabric 是由 IBM 和 DAH 主导开发的一个区块链框架，是超级帐本的项目成员之一。它的功能与以太坊类似，也是一个分布式的智能合约平台。但与以太坊和比特币不同的是，它从一开始就是一个框架，而不是一个公有链，也没有内置的代币(token)。
超级账本(hyperledger)是 Linux 基金会于 2015 年发起的推进区块链技术和标准的开源项目，加入成员包括：荷兰银行(ABN AMRO)、埃森哲(Accenture)等十几个不同利益体，目标是让成员共同合作，共建开放平台，满足来自多个不同行业各种用户案例，并简化业务流程。
作为一个区块链框架，Fabric 采用了松耦合的设计，将共识机制、身份验证等组件模块化，使之在应用过程中可以方便地替换成自定义的模块。除此之外，Fabric 还采用了容器技术，将智能合约代码(chaincode)放在 docker 中运行，从而使得智能合约可以用几乎任意的高级语言来编写。
以下是 Fabric 的一些设计目标：
● 模块化设计，组件可替换
● 运行于 docker 的智能合约
目前已经有不少采用 Fabric 架构进行开发的概念验证(POC)项目在实施过程中，其中不乏一些金融机构做出的尝试，不过由于项目刚刚起步，还没有比较成熟的落地应用。
4、DNA
DNA(Distributed Networks Architecture，分布式网络架构)，是由总部位于上海的区块链创业公司“分布科技”开发的区块链架构，可以同时支持公有链、联盟链、私有链等不同应用类型和场景，并快速与业务系统集成。
与以太坊、Fabric不同的是，DNA 在系统底层实现了对多种数字资产的支持，用户可以直接在链上创建自己的资产类型，并用智能合约来控制它的发行逻辑。对于绝大部分的区块链应用场景，数字资产是必不可少的，而为每一种数字资产都开发一套基于智能合约的转账、发行逻辑是非常浪费且低效的。因此，由区块链底层提供直接的数字资产功能是十分必要的。而对于那些完全不需要数字资产的应用场景，同样可以基于 DNA 提供的智能合约架构来编写任意的自定义逻辑来实现。
DNA 的设计目标主要有以下几点：
● 多种数字资产的底层支持
● 图灵完备的智能合约和状态持久化
● 跨链互操作性
● 交易的最终性
目前已有不少金融机构采用 DNA 架构来进行区块链概念验证产品的开发。除此之外，还有一些已经落地的区块链项目，如小蚁区块链、法链等。
小蚁(antshares)是一个定位于资产数字化的公有链，将实体世界的资产和权益进行数字化，通过点对点网络进行登记发行、转让交易、清算交割等金融业务的去中心化网络协议。它采用社区化开发的模式，在架构上与 DNA 保持一致，从而可以与任何基于DNA 的区块链系统发生跨链互操作。
法链是全球第一个大规模商用的法律存证区块链，一个底层基于 DNA区块链技术，并由多个机构参与建立和运营的证据记录和保存系统。该系统没有中心控制点，且数据一旦录入，单个机构或节点无法篡改，从而满足司法存证的要求。
5、Corda
Corda 是由一家总部位于纽约的区块链创业公司 R3CEV 开发的，由其发起的 R3区块链联盟，至今已吸引了数十家巨头银行的参与，其中包括富国银行、美国银行、纽约梅隆银行、花旗银行、德国商业银行、德意志银行、汇丰银行、三菱 UFJ 金融集团、摩根士丹利、澳大利亚国民银行、加拿大皇家银行、瑞典北欧斯安银行（SEB）、法国兴业银行等。
从 R3 成员的组成上也可以看出，Corda 是一款专门用于银行与银行间业务的区块链架构。尽管 R3 自己声称 Corda 不是区块链，但从各项特征来看，它具备区块链的一些特性。
技术对比
1、数字资产
接下来，将对前文中提到的这些区块链框架进行一系列的技术对比，并从多个维度展开介绍它们的区别与相似之处。

区块链的内置代币通常是一种经济激励模型和防止垃圾交易的手段。比特币天生就有且只有一种内置代币，所以在比特币系统中所有的“交易”本质上都是转账行为，除非通过外部的协议层来给比特币增加额外的数字资产。
以太坊和 DNA 具有内置代币，它们的作用除了以上提到的经济激励和防止垃圾交易之外，还具有为系统内置功能提供一个收费的渠道。比如以太坊的智能合约运行需要消耗 GAS，而 DNA 的数字资产创建也需要消耗一定的代币。
以太坊和 Fabric 没有内置的多种数字资产支持，而是通过智能合约来实现相应的功能。这种方式的好处在于，系统设计可以做到非常简洁，而且资产的行为可以任意指定，自由度极高。然而这样的设计也会带来一系列的负面影响，比如所有的资产创建者不得不自己编写重复的业务逻辑，而用户也没有办法通过统一的方式去操作自己的资产。
相比之下，DNA 和 Corda 采用了在底层支持多种数字资产的方式，让资产创建者可以方便地创建自己的资产类型，而用户也可以在同一个客户端中管理所有的资产。对于逻辑更加复杂一点的业务场景来说，他们同样可以利用智能合约来强化资产的功能，或者创建一种与资产无关的业务逻辑。
2、账户系统

UTXO(Unspent Transaction Output)是这样一种机制：每一枚数字货币都会被登记在一个账户的所有权之下，一枚数字货币有两种状态，即要么还没有被花费，要么已经被花费。当需要使用一枚数字货币的时候，就将它的状态标记为已经花费，并创造一枚新的与之等额的数字货币，将它的所有权登记到新的账户之下。在这个过程中，被标记为已花费的数字货币就被称为交易的输入，而创造出来的新的数字货币被称为交易的输出，在一笔交易中，可以包含多个输入和多个输出，但是输入之和与输出之和必须相等。要计算一个账户的余额时，只要将所有登记在该账户下的数字货币的面额相加即可得出。
比特币和 Corda 就采用了 UTXO 这样一种账户机制，而以太坊则采用了更加直观的余额机制：每个账户有一个状态，状态中直接记录了账户当前的余额，转账的逻辑就是从一个账户中减去一部分余额，并在另一个账户中加上相应的余额，减去的部分和加上的部分必须相等。DNA 在账户机制上同时兼容这两种模式。
那么 UTXO 模式和余额模式，究竟有什么优缺点呢？UTXO 最大的好处就是，基于 UTXO 的交易可以并行验证且任意排序，因为所有的 UTXO 之间都是没有关联的，这对区块链未来的伸缩性是有很大帮助的，而基于余额的设计就没有这个优势了；反过来，余额设计的优点是设计思想非常简洁和直觉化，便于程序实现，特别是在智能合约中，要处理 UTXO 的状态是非常困难的。这也是为什么以智能合约为主要功能的以太坊选择余额设计的原因，而比特币、OnchainDNA、Corda 这些以数字资产为核心的架构则更倾向于 UTXO 设计。
关于身份认证，比特币和以太坊基本没有身份认证的设计，原因很简单，因为这两者的设计思想都是强调隐私和匿名，而反对监管和中心化，而身份认证就势必要引入一些中心或者弱化的中心机构。Fabric、DNA 和 Corda 不约而同地选择了采用数字证书来对用户身份进行认证，原因在于这三者都有应用于现有金融系统的设计目标，而金融系统必然要考虑合规化并接受监管，此外现有的金融系统已经大范围地采用数字证书方案，这样便可以和区块链系统快速集成。

『肆』 区块链论文做什么,区块链论文做什么题目

论文主要提出了一种针对共识机制PoS的多重签名算法Pixel。

所有基于PoS的区块链以及允许的区块链均具有通用结构，其中节点运行共识子协议，以就要添加到分类账的下一个区块达成共识。这样的共识协议通常要求节点检查阻止提议并通过对可接受提议进行数字签名来表达其同意。当一个节点从特定块上的其他节点看到足够多的签名时，会将其附加到其分类帐视图中。

由于共识协议通常涉及成千上万的节点，为了达成共识而共同努力，因此签名方案的效率至关重要。此外，为了使局外人能够有效地验证链的有效性，签名应紧凑以进行传输，并应快速进行验证。已发现多重签名对于此任务特别有用，因为它们使许多签名者可以在公共消息上创建紧凑而有效的可验证签名。

补充知识：多重签名

是一种数字签名。在数字签名应用中，有时需要多个用户对同一个文件进行签名和认证。比如，一个公司发布的声明中涉及财务部、开发部、销售部、售后服务部等部门，需要得到这些部门签名认可，那么，就需要这些部门对这个声明文件进行签名。能够实现多个用户对同一文件进行签名的数字签名方案称作多重数字签名方案。

多重签名是数字签名的升级，它让区块链相关技术应用到各行各业成为可能。在实际的操作过程中，一个多重签名地址可以关联n个私钥，在需要转账等操作时，只要其中的m个私钥签名就可以把资金转移了，其中m要小于等于n，也就是说m/n小于1，可以是2/3,3/5等等，是要在建立这个多重签名地址的时候确定好的。

本文提出了Pixel签名方案，这是一种基于配对的前向安全多签名方案，可用于基于PoS的区块链，可大幅节省带宽和存储要求。为了支持总共T个时间段和一个大小为N的委员会，多重签名仅包含两个组元素，并且验证仅需要三对配对，一个乘幂和N-1个乘法。像素签名几乎与BLS多重签名一样有效，而且还满足前向安全性。此外，就像在BLS多签名中一样，任何人都可以非交互地将单个签名聚合到一个多签名中。

有益效果：

为了验证Pixel的设计，将Pixel的Rust实施的性能与以前的基于树的前向安全解决方案进行了比较。展示了如何将Pixel集成到任何PoS区块链中。接下来，在Algorand区块链上评估Pixel，表明它在存储，带宽和块验证时间方面产生了显着的节省。我们的实验结果表明，Pixel作为独立的原语并在区块链中使用是有效的。例如，与一组128位安全级别的N=1500个基于树的前向安全签名（对于T=232）相比，可以认证整个集合的单个Pixel签名要小2667倍，并且可以被验证快40倍。像素签名将1500次事务的Algorand块的大小减少了约35％，并将块验证时间减少了约38％。

对比传统BLS多重签名方案最大的区别是BLS并不具备前向安全性。

对比基于树的前向安全签名，基于树的前向安全签名可满足安全性，但是其构造的签名太大，验证速度有待提升。本文设计减小了签名大小、降低了验证时间。

补充知识：前向安全性

是密码学中通讯协议的安全属性，指的是长期使用的主密钥泄漏不会导致过去的会话密钥泄漏。前向安全能够保护过去进行的通讯不受密码或密钥在未来暴露的威胁。如果系统具有前向安全性，就可以保证在主密钥泄露时历史通讯的安全，即使系统遭到主动攻击也是如此。

构建基于分层身份的加密（HIBE）的前向安全签名，并增加了在同一消息上安全地聚合签名以及生成没有可信集的公共参数的能力。以实现：

1、生成与更新密钥

2、防止恶意密钥攻击的安全性

3、无效的信任设置

对于常见的后攻击有两种变体：

1、短程变体：对手试图在共识协议达成之前破坏委员会成员。解决：通过假设攻击延迟长于共识子协议的运行时间来应对短距离攻击。

2、远程变体：通过分叉选择规则解决。

前向安全签名为这两种攻击提供了一种干净的解决方案，而无需分叉选择规则或有关对手和客户的其他假设。（说明前向安全签名的优势）。

应用于许可的区块链共识协议（例如PBFT）也是许多许可链（例如Hyperledger）的核心，在这些区块链中，只有经过批准的方可以加入网络。我们的签名方案可以类似地应用于此设置，以实现前向保密性，减少通信带宽并生成紧凑的块证书。

传统Bellare-Miner模型，消息空间M的前向安全签名方案FS由以下算法组成：

1、Setup

pp←Setup(T),pp为各方都同意的公共参数，Setup(T)表示在T时间段内对于固定参数的分布设置。

2、Keygeneration

(pk,sk1)←Kg

签名者在输入的最大时间段T上运行密钥生成算法，以为第一时间段生成公共验证密钥pk和初始秘密签名密钥sk1。

3、Keyupdate

skt+1←Upd(skt)签名者使用密钥更新算法将时间段t的秘密密钥skt更新为下一个周期的skt+1。该方案还可以为任何t0t提供“快速转发”更新算法skt0←$Upd0（skt，t0），该算法比重复应用Upd更有效。

4、Signing

σ←Sign(skt,M),在输入当前签名密钥skt消息m∈M时，签名者使用此算法来计算签名σ。

5、Verification

b←Vf(pk,t,M,σ)任何人都可以通过运行验证算法来验证消息M在公共密钥pk下的时间段t内的签名M的签名，该算法返回1表示签名有效，否则返回0。

1、依靠非对称双线性组来提高效率，我们的签名位于G2×G1中而不是G2^2中。这样，就足以给出公共参数到G1中（然后我们可以使用散列曲线实例化而无需信任设置），而不必生成“一致的”公共参数（hi，h0i）=（gxi1，gxi2）∈G1×G2。

2、密钥生成算法，公钥pk更小，参数设置提升安全性。

除了第3节中的前向安全签名方案的算法外，密钥验证模型中的前向安全多重签名方案FMS还具有密钥生成，该密钥生成另外输出了公钥的证明π。

新增Keyaggregation密钥汇总、Signatureaggregation签名汇总、Aggregateverification汇总验证。满足前向安全的多重签名功能的前提下也证明了其正确性和安全性。

1、PoS在后继损坏中得到保护

后继损坏：后验证的节点对之前的共识验证状态进行攻击破坏。

在许多用户在同一条消息上传播许多签名（例如交易块）的情况下，可以将Pixel应用于所有这些区块链中，以防止遭受后继攻击并潜在地减少带宽，存储和计算成本。

2、Pixel整合

为了对区块B进行投票，子协议的每个成员使用具有当前区块编号的Pixel签署B。当我们看到N个委员会成员在同一块B上签名的集合时，就达成了共识，其中N是某个固定阈值。最后，我们将这N个签名聚合为单个多重签名Σ，而对（B，Σ）构成所谓的区块证书，并将区块B附加到区块链上。

3、注册公共密钥

希望参与共识的每个用户都需要注册一个参与签名密钥。用户首先采样Pixel密钥对并生成相应的PoP。然后，用户发出特殊交易（在她的消费密钥下签名），注册新的参与密钥。交易包括PoP。选择在第r轮达成协议的PoS验证者，检查（a）特殊交易的有效性和（b）PoP的有效性。如果两项检查均通过，则使用新的参与密钥更新用户的帐户。从这一点来看，如果选中，则用户将使用Pixel登录块。

即不断更换自己的参与密钥，实现前向安全性。

4、传播和聚集签名

各个委员会的签名将通过网络传播，直到在同一块B上看到N个委员会成员的签名为止。请注意，Pixel支持非交互式和增量聚合：前者意味着签名可以在广播后由任何一方聚合，而无需与原始签名者，而后者意味着我们可以将新签名添加到多重签名中以获得新的多重签名。实际上，这意味着传播的节点可以对任意数量的委员会签名执行中间聚合并传播结果，直到形成块证书为止。或者，节点可以在将块写入磁盘之前聚合所有签名。也就是说，在收到足够的区块证明票后，节点可以将N个委员会成员的签名聚集到一个多重签名中，然后将区块和证书写入磁盘。

5、密钥更新

在区块链中使用Pixel时，时间对应于共识协议中的区块编号或子步骤。将时间与区块编号相关联时，意味着所有符合条件的委员会成员都应在每次形成新区块并更新轮回编号时更新其Pixel密钥。

在Algorand项目上进行实验评估，与Algorand项目自带的防止后腐败攻击的解决方案BM-Ed25519以及BLS多签名解决方案做对比。

存储空间上：

节省带宽：

Algorand使用基于中继的传播模型，其中用户的节点连接到中继网络（具有更多资源的节点）。如果在传播过程中没有聚合，则中继和常规节点的带宽像素节省来自较小的签名大小。每个中继可以服务数十个或数百个节点，这取决于它提供的资源。

节省验证时间