摘要
Introuduction
区块链是近十年出现的技术之一，受到了业界和学术界的极大关注。区块链是使用密码学链接的不断增长的记录列表（称为块）。每个块都包含前一个块的加密哈希、时间戳和表示为 Merkle 树的交易数据。区块链以数据不变性的特性而闻名。它实际上是一个运行在点对点 (P2P) 网络上的开放式分布式账本，可以在没有中间人的情况下以可验证和可追溯的方式有效地管理多个实体的交易。区块链的防篡改特性来自这样一个事实，即一旦达成共识并提交一个区块，在不改变所有后续区块的情况下，无法追溯更改区块中的数据，这需要大多数人的共识。区块链最早是由匿名者中本聪在 2008 年比特币的里程碑论文中发明的[1]。比特币是第一个可以在不受信任的权威机构干预的情况下检测双花问题的数字货币。此后，许多其他区块链平台（以太坊、Hyperledger Fabric、Ripple 和 Litecoin 等）和不仅限于金融的应用都受到比特币的启发，区块链成为近年来最热门、最有前途的技术之一。
尽管区块链在未来显示出巨大的前景，但必须考虑和解决一些性能和安全问题。例如，分布式自治组织 DAO 于 2016 年 6 月 18 日遭到黑客攻击，总共有 360 万以太币被引流到一个与 DAO 具有相同结构的子 DAO 中，这损害了以太坊的声誉，并引发了公众对以太坊的怀疑。区块链 [2]。另一个担忧是比特币交易非常缓慢。比特币在线流通的理论最大速度为 7 tps（每秒事务数），而实际可实现的吞吐量仅为 3-4 tps。同时，Paypal 平均达到 193 tps，Visa 平均达到 1667 tps。很难直接将中心化系统（如 Visa）与去中心化系统（如比特币）进行比较，但可扩展性的根本问题使区块链在商业和行业中以 beta 和 alpha 模式运行。所有这些安全和性能问题都归因于所谓的“可扩展性三难困境”，即区块链系统试图提供可扩展性、去中心化和安全性，而不会损害其中任何一个。去中心化是实现抗审查和无许可功能的核心属性。可扩展性是在规模增加的网络上处理事务的能力。安全性是保证账本的不变性及其对一般网络攻击的抵抗力的重要组成部分。不幸的是，人们认为，从根本上讲，区块链一次只能同时保证这些特征中的三分之二。一般来说，公共区块链平台的设计重点是去中心化和安全性，这无疑导致了可扩展性和极低的交易率的妥协。由于区块链技术还很年轻，有许多解决方案仍在开发中，或者目前在市场上，试图解决可扩展性问题。在本次调查中，我们探索了各种替代区块链架构选项，它们在去中心化、可扩展性和安全性之间进行了不同的三向权衡。
有几篇关于区块链的很好的调查论文，我们在本文中的范围和目标是不同的，因为我们从区块链的性能和安全性角度调查了挑战和研究趋势。一些调查论文侧重于区块链的特定方面，例如安全性 [3]、隐私 [4]、架构 [5]、共识协议 [6,7]、智能合约 [8]、应用程序和物联网 (IoT)安全相关的应用程序 [9-11]。一些论文侧重于调查特定区块链平台的安全和隐私问题，例如比特币 [12] 和以太坊 [13]。还对 41 篇精选的区块链相关论文进行了系统调查[14]，目的是分析当前区块链领域的研究趋势。我们专注于区块链的安全和性能方面，讨论主要的性能瓶颈和潜在的安全漏洞，确定性能和安全之间的权衡，并研究未来发展和研究的开放挑战。我们还简要介绍了区块链的主要概念，并介绍了区块链相关行业领域的最新进展。
本文的其余部分安排如下。 我们在第 2 节中介绍了区块链的一般结构和关键技术组件，包括分布式账本、密码学、共识协议、智能合约和基准。 接下来，我们将在第 3 节讨论性能和安全方面的最新进展和挑战。第 4 节讨论不同领域的区块链工业应用。 第 5 节总结了有关性能和安全性的经验教训，并提供了该领域的研究趋势和未解决的问题。 第 6 节总结了论文。
关键技术
?? 区块链最初是链接块，分布在多个对等节点上，并部署在不受信任的环境中。 每个区块都包含交易数据、前一个区块的哈希值以及它自己的哈希值，如图 1 所示。
??[11] 中的调查工作描述了区块链系统中的不同组件，如图 2 所示。分布式账本是存储数据的区块链数据库，旨在防篡改。对等网络在其每个对等点上都携带相同的分类帐副本，运行协议并在没有授权的情况下启用区块链交易。会员服务提供用户认证和管理的功能。智能合约是允许在区块链平台上运行并执行特定功能的程序。密码学用于确保数据的完整性。事件是网络上发生的更新通知，包括新交易、新区块的创建、新对等点的到来等。系统管理提供了创建、监控和修改系统中组件的功能。最后，系统集成组件用于将区块链系统与外部系统集成。接下来，我们介绍区块链架构中这些组件的关键技术和机制。
