區(qū)塊鏈的下一代去中心化經(jīng)濟體HNB介紹

HNB 是下一代基于區(qū)塊鏈的去中心化經(jīng)濟體，旨在建立服務實體經(jīng)濟體的可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟模型。從技術層面來講，HNB 是一個支持具有多側(cè)鏈架構且支持多數(shù)字資產(chǎn)流通的區(qū)塊鏈技術體系，用于建立基于公有區(qū)塊鏈的去中心化經(jīng)濟生態(tài)?；?HNB 的業(yè)務理念和發(fā)展規(guī)劃，我們對市場上現(xiàn)有的區(qū)塊鏈項目和技術進行了分析和梳理，?出了實現(xiàn) HNB 區(qū)塊鏈經(jīng)濟模型的技術方案。

本文詳細闡述了 HNB 公有區(qū)塊鏈的設計原則，整體技術架構，以及核心技術的實現(xiàn)方法。本文主要描述的核心技術包括身份管理，共識機制，數(shù)據(jù)存儲，多資產(chǎn)賬本，交易管理，智能合約，節(jié)點管理，網(wǎng)絡通信和密碼學算法等。同時結(jié)合實體經(jīng)濟應用，技術白皮書還介紹了 HNB 的去中心化應用 DApp 體系、應用場景例如算法銀行等的方面的內(nèi)容。

設計原則

HNB 被設計用于建立服務實體經(jīng)濟體的可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟模型。HNB 為下一代基于區(qū)塊鏈的去中心化經(jīng)濟體打造，目標為上億消費者和商家的生態(tài)圈?供服務，其經(jīng)濟規(guī)模和社區(qū)成員會隨著生態(tài)圈的擴大而不斷壯大。因此，HNB 區(qū)塊鏈的設計原則為：

可擴展性 Scalability

?可支撐HNB社區(qū)的持續(xù)增長， 包括區(qū)塊鏈底層節(jié)點數(shù)的增長、更多商戶的接入、用戶數(shù)增加等

高性能High Performance

?支持數(shù)百萬用戶和并發(fā)事務，可支持大并發(fā)交易峰值的處理，降低交易確認延時，秒級共識效率

安全性 Security

?在應用和基礎設施級別的強安全性，保護商業(yè)數(shù)據(jù)和個人數(shù)據(jù)的隱私性

互操作性 Interoperability

?支持與現(xiàn)有系統(tǒng)的快速集成和持續(xù)開發(fā)，便于與其他區(qū)塊鏈系統(tǒng)和應用系統(tǒng)對接

綜合上述應用場景的考慮，我們設計 HNB 區(qū)塊鏈具備以下的特性：

? 創(chuàng)新的共識機制，可支持多節(jié)點快速共識

? 雙鏈雙數(shù)字資產(chǎn)：HNB 和 HGS; HGS 與法幣錨定的調(diào)控機制；

? 算法銀行調(diào)控匯率穩(wěn)定

? 健壯有機的 DApp 集和靈活的輕量級 SDK 支持商戶應用對接集成

? 支持智能合約和支持多側(cè)鏈模式

? 高性能和高可擴展：支持。鏈外極速網(wǎng)絡等技術

? 強大的安全性和加密處理能力

整體技術架構

1. HNB 生態(tài)技術架構

HNB 生態(tài)技術架構遵循層次化、模塊化的設計理念，強調(diào)框架的可擴展性、可交互性、性能和安全性。HNB 生態(tài)技術架構是包含底層區(qū)塊鏈模塊以及其相關的外圍生態(tài)組件的集合體，是基于用戶層、HNB 業(yè)務服務層、區(qū)塊鏈核心層、基礎組件層和通用服務層的結(jié)構化設計。

用戶層

用戶層是終端用戶的接入點。用戶通過用戶層訪問 HNB 區(qū)塊鏈服務。從技術角度來看，HNB 終端用戶服務的特性由后續(xù)章節(jié)的去中心化應用DApp 服務支持，包含數(shù)字錢包、數(shù)字資產(chǎn)管理等功能。

HNB 業(yè)務服務層

HNB 業(yè)務服務層實現(xiàn)了 HNB 去中心化經(jīng)濟社區(qū)的所有核心業(yè)務邏輯。從技術角度來看，HNB 的 DApp 去中心化應用為該層提供服務支持。

區(qū)塊鏈核心層

區(qū)塊鏈核心層，即 HNB 區(qū)塊鏈底層，具備共識機制、賬本管理、多資產(chǎn)管理、資產(chǎn)交易管理、智能合約等區(qū)塊鏈核心功能。

基礎組件層

主要為區(qū)塊鏈核心層?供分布式基礎組件，包括：分布式數(shù)據(jù)庫、分布式存儲、分布式網(wǎng)絡。其中，數(shù)據(jù)庫和存儲服務支持可插拔，為社區(qū)參與者?供了更多的選擇空間和更廣泛的業(yè)務支撐能力。

通用服務層

通用服務層為上述四層的模塊?供服務，包括：安全、審計、運維等功能。

2. HNB 底層鏈技術體系

HNB 底層區(qū)塊鏈技術體系，是針對生態(tài)技術架構的區(qū)塊鏈核心層、基礎組件層和通用服務層的進一步細化設計。

HNB 區(qū)塊鏈技術體系同樣采用層次化和模塊化的設計思想，分為合約層、共識層、激勵層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、安全層、基礎層的七層架構。

合約層

合約層即智能合約服務層，為智能合約的生命周期管理、運行成本管理、運行環(huán)境、形式化證明邏輯提供服務。HNB 的智能合約支持采用 golang、JavaScript 等高級語言編寫，滿足圖靈完備的特性，其成熟的運行環(huán)境保障合約運行的安全可靠。

共識層

共識層，采用 DPoS 與 Algorand 結(jié)合的混合共識算法，鼓勵 HNB 社區(qū)內(nèi)貢獻多的節(jié)點參與記賬，同時基于加密抽簽保證共識提案人的公平選舉，最終以 bft 共識算法保證共識的高效和一致。

激勵層

激勵層，基于 HNB 生態(tài)中算法銀行的設計，公開、透明、統(tǒng)一的管理激勵策略，對社區(qū)內(nèi)貢獻度較高的節(jié)點，進行激勵 HGS 數(shù)字資產(chǎn)。

數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層，作為 HNB 基礎設施層中分布式數(shù)據(jù)庫和分布式存儲模塊的細化，在區(qū)塊鏈底層技術架構中體現(xiàn)出來。主要為區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)庫、分布式文件存儲?供基礎存儲服務，同時支持 HNB 雙資產(chǎn)賬本管理。

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層，作為區(qū)塊鏈底層的網(wǎng)絡通信基礎模塊，主要包含：區(qū)塊鏈底層對應用層提供的訪問接口、區(qū)塊鏈節(jié)點間 P2P 組網(wǎng)、區(qū)塊鏈節(jié)點間廣播數(shù)據(jù)的用途。

安全層

安全層，從通信安全、數(shù)據(jù)安全、合約安全、密碼安全的維度分析 HNB 對高安全區(qū)塊鏈底層的方案設計。

基礎層

基礎層，為區(qū)塊鏈底層?供通用的基礎服務。包含：密碼學算法庫、節(jié)點管理、多資產(chǎn)鏈管理、賬戶管理、交易管理、事件管理等。

身份管理

1. 身份標識

1.1 去中心化身份標識

傳統(tǒng)身份標識是對人本身進行識別，識別方式有：身份證、戶口簿、駕照等。隨著技術發(fā)展，指紋、DNA 等新興身份識別方法逐步應用。在互聯(lián)網(wǎng)世界中，所有事物非實體存在，需要網(wǎng)絡標識來映射與管理實體身份。

HNB-ID 是根據(jù)用戶的 HNB 公鑰進行數(shù)學算法計算得到。HNB-ID 不需要通過中心化系統(tǒng)計算生成，也無需通過中心化系統(tǒng)進行沖突檢測，由用戶自身生成與管理。

1.2 隱私保護

HNB-ID 生成算法決定根據(jù) ID 無法推導公鑰信息，根據(jù)公鑰信息也無法與用戶其他身份屬性信息進行關聯(lián)。真正意義的做到了保護用戶隱私。

1.3 自證身份

HNB-ID 與用戶公鑰具有一一映射關系，用戶可通過身份驗證算法證明該 HNB-ID 屬于某線下實體，以便進行其他商業(yè)活動。

2. 身份注冊

HNB 支持可配置的節(jié)點準入機制，加入 HNB 生態(tài)需要進行節(jié)點授權。該授權需要由 HNB證書授權中心 CA（Certificate Authority ）中心頒發(fā)證書，表示允許某 HNB-ID 加入到 HNB 生態(tài)。與 HNB-ID 關聯(lián)的屬性信息將不會被發(fā)送至 HNB 公鏈底層。節(jié)點啟動、網(wǎng)絡組建時，將帶有 CA頒發(fā)的證書信息發(fā)送至其他節(jié)點，表明被授權身份。

3. 信任模型

3.1 密鑰生成安全

密鑰生成過程在離線錢包中進行，用戶私鑰不能以任何形式在網(wǎng)絡上傳輸，保證攻擊者無法盜取用戶密鑰，杜絕盜取 HNB 的可能。

3.2 密鑰托管安全

根據(jù)用戶需求，HNB 支持密鑰托管服務。用戶可將密鑰交給分布式私鑰服務器進行管理，密鑰存儲過程使用對稱加密，加密密鑰由用戶以其他形態(tài)進行管理。即使私鑰服務器被攻破，攻擊者無法還原用戶私鑰。

3.3 身份注冊安全

用戶進行身份注冊過程中，用戶將實體屬性信息與 HNB-ID 進行綁定，并發(fā)送至證書授權中心 CA 中心，CA 中心驗證實體身份后頒發(fā)證書。HNB 系統(tǒng)對用戶實體屬性信息進行非對稱算法加密，中間人無法解析交易報文并獲取關聯(lián)信息，從而在最大程度上保護用戶隱私。

如下圖所示，Alice 身份注冊時，需要將實體信息與用戶公鑰信息進行打包，使用證書授權中心 CA （CerTIficate Authority ）的公鑰對信息數(shù)據(jù)進行加密，保證傳輸安全。同時使用 HTTPS協(xié)議進行安全通信，這樣使用了雙重加密機制來保護數(shù)據(jù)安全和用戶隱私。

共識機制

對于任何一個去中心化自治系統(tǒng)，其共識機制往往是社區(qū)信任建立的根基。共識是用來來描述了整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)中多個節(jié)點之間，對某個狀態(tài)達成一致結(jié)果的過程。要保障系統(tǒng)滿足不同程度的一致性，往往需要共識算法來達成。有效的共識算法解決的是對某個提案達成一致意見的過程，這里的提案可以指任何能達成一致的信息，無論是基礎的區(qū)塊產(chǎn)生和校驗還是社區(qū)運行的規(guī)則。

1. 區(qū)塊鏈不可能三角

CAP 定律（一致性 Consistency，可用性 Availability，分區(qū)容錯性 ParTITIon Tolerance Theorem）是指在一個分布式計算機系統(tǒng)中，一致性，可用性和分區(qū)容錯性這三種特性，無法保證同時得到滿足，最多同時滿足其中的兩個特性；系統(tǒng)設計者需要根據(jù)不同的需求進行取舍。

在區(qū)塊鏈共識算法設計上，我們把焦點集中在了 SDE（安全 Security， 去中心化DecentralizaTIon， 和效率 Efficiency） 三大核心特性上。 安全，去中心化和效率構成一個不可能三角形，三者不能同時滿足。如果我們設計一個安全的去中心化系統(tǒng)，它必然是以犧牲效率，以付出能源與計算力為代價（比如比特幣的工作量證明機制）。我們要求設計一個既保證效率又去中心化的密碼學貨幣，它將會是不足夠安全的。

目前的主流的共識機制為 PoW／PoS／DPoS／PBFT，經(jīng)典的 PoW，滿足安全和去中心化的要求，但是效率非常低下，達成共識的時間很長; PoS 滿足去中心化和效率，但是安全性不足，其確認僅僅為概率上的表達而沒有所謂的“最終確認”，具有遭受攻擊的可能，此外在機制設定上很難避免無利益攻擊（nothing-at-the-stake attack）。DPoS 滿足效率，但是去中心化不足，容易被少數(shù)利益集團的節(jié)點把持，導致單個節(jié)點存在作惡的可能。單純的 PBFT 雖然滿足去中心化和效率，但是當節(jié)點數(shù)增多時網(wǎng)絡開銷就會變得很大，很難在短時間內(nèi)得出共識，并不適合大型網(wǎng)絡。

我們分析了 HNB 當前應用場景與經(jīng)濟模型，效率應當是首先被考慮的，需要支持更大的并發(fā)事務和高性能。同時作為一個圍繞支付作為核心的系統(tǒng)，在保證低延遲的前提下，需要避免出現(xiàn)雙花問題，因此安全可靠也是至關重要的。基于上述分析，HNB ?出了 DPoS+Algorand 的算法，通過 DPoS 進行共識組的選舉，然后 Algorand 進行區(qū)塊的生成。

基于這樣組合的共識算法，主要的優(yōu)勢為：

· 利用身份屬性的 Dpos 選出的節(jié)點充分考慮了利益分配和公平性，避免了單一群體作惡的情況。

· 共識達成速度較快，且速度不會隨著系統(tǒng)節(jié)點增多而降低，能夠支持海量節(jié)點。此外利用Dpos 來競選候選節(jié)點會比利用 Algorand 來純粹隨機挑選普通用戶更為穩(wěn)定和相對高性能的配置

· 記賬者完全隨機且隱秘，無法對其產(chǎn)生特定攻擊

· 在保證安全性的前?下不做無意義的運算，節(jié)省算力資源

· 單一記賬者出現(xiàn)分叉的概率接近 0，容錯率高

2. HNB 共識算法

2.1 共識算法概要

HNB 底層鏈采用 DPoS + Algorand 共識算法，提議者為從 HNB 社區(qū)選出的 99 名委員會成員，被分成 3 組，代表 3 個不同的利益集團，分為：消費者、生產(chǎn)者（或商戶）和貢獻者。DPoS 將從三大利益團體中選舉提議者，并且保證沒有單一利益群體持續(xù)獲得提議權。

塊提議流程將使用加密抽簽方法（Verifiable Random Function，簡稱 VRF），隨機選擇提議者，加密抽簽每次根據(jù)前塊數(shù)據(jù)信息選擇提議者，保證提議者選擇的絕對隨機性。攻擊者無法預測、修改下一輪次的提議者，增加系統(tǒng)容錯能力。

BA*流程將使用拜占庭容錯算法在提議者間進行共識，HNB BA*算法利用多輪交互保證最終提議塊在提議者間絕對一致性。BA* 兩輪投票必須票數(shù)大于 2/3 才能進入下一流程，保證永遠不會出現(xiàn)共識分區(qū)、區(qū)塊分叉等問題。

2.2 提議流程

? 具體步驟

1. 廣播自己最新塊的狀態(tài)信息，并接收其他節(jié)點的狀態(tài)信息。

2. 檢查自己是否落后，如果落后則進入同步流程，否則進入步驟 3。

3. 更新配置信息，更新共識節(jié)點資產(chǎn)表。

4. 各個節(jié)點獨立計算提議者列表。（根據(jù)上一個塊的信息和資產(chǎn)表來計算）

5. 如果自己是提議者，去交易池獲取交易構建提議消息。（提議者不止一個）

6. 把提案消息廣播給 BA*共識組。

? 實現(xiàn)說明

抽簽需要一個角色（role）參數(shù)來區(qū)分用戶可以選擇的不同角色; 例如，用戶可能在某個回合中被選擇提出一個塊，或者在 BA?的某個步驟他們被選擇為委員會的成員。 Algorand 指定了一個閾值τ，用于確定為該角色選擇的用戶的預期數(shù)量。

在 VerifySort 算法中顯示了用于驗證抽簽證明的偽代碼，遵循相同的結(jié)構以檢查是否選擇了該用戶。 該函數(shù)返回所選子用戶的數(shù)量，如果用戶沒有被選中，則返回 0。

2.3 同步流程

? 具體步驟

1. 判斷自己是否可以快速同步，可以進入步驟 2，否則進入步驟 3。

2. 遍歷內(nèi)存中的所有未處理的共識信息。

3. 2.1 根據(jù)當前塊號構建提案信息。

4. 2.2 根據(jù)當前塊號構建最終提案信息。

5. 2.3 打包塊，并更新狀態(tài)。

6. 向其他節(jié)點發(fā)送塊請求，并等待收到響應塊，驗證塊并落塊。

? 實現(xiàn)說明

2.4 BA*流程

? BA*處理流程簡述

1. 提議者將提議塊發(fā)送給參與 BA*的提議者，其中參與 BA*的提議者總數(shù) N = 3f + 1。

2. 對參與 BA*的提議者信息進行 Hash 計算進行降序排序，得到序號 n。

3. 獲取本輪次共識編號 R。

4. 確定本輪次共識發(fā)起者編號 curNum = R mod N。

5. 取提議塊 Hash 最小值最為最終提議塊。

6. 共識發(fā)起者將最終提議塊的 Hash 廣播至其他參與 BA*的提議者。

7. 參與 BA*的提議者對該提議塊進行預投票，預投票需要包含自身節(jié)點編號 n、預投票輪次 R、投票的塊 Hash、validater 投票簽名 S。

8. 參與 BA*的提議者在超時時間內(nèi)等待接受投票數(shù)，對投票報文進行身份識別操作。

9. 收集預投票個數(shù)，超過 2/3 進入 preCommit 流程。

10. 參與 BA*的提議者對 preVote 塊進行預提交，預投票需要包含自身節(jié)點編號 n、預投票輪次 R、投票的塊 Hash、validater 投票簽名 S。

11. 收集預提交個數(shù)，超過 2/3，完成 preCommit 流程。

12. 更新塊高度 H、輪次 R，廣播共識結(jié)果。

? 實現(xiàn)說明

為了提高效率，BA?投票表決塊的散列，而不是整個塊的內(nèi)容。在 BA?算法的最后，使用BlockOfHash（）函數(shù)來表明，如果 BA?還沒有收到商定散列的前映像，它必須從其他用戶那里獲得。BA?算法還決定是否建立最終的或暫定的共識，其主函數(shù)流程如下：

ProcessMsg（）不僅返回消息中包含的值，還返回與該值關聯(lián)的投票數(shù)。如果消息不是來自選定的委員會成員，則 ProcessMsg（）返回零票。如果委員會成員多次被選中，ProcessMsg（）返回的選票數(shù)量也反映了這一點。ProcessMsg（）也返回抽簽散列。

Reduction（）程序?qū)⒃谌我庵瞪线_成一致的問題轉(zhuǎn)換為在兩個值中的一個上達成一致：或者是特定建議的塊散列，或者是空塊的散列。Turpin 和 Coan 的兩步技術啟發(fā)了我們的減少。這種減少對于確?；盍Ψ浅Ｖ匾?/p>

3. 共識激勵

虛擬貨幣的生態(tài)體系的可持續(xù)發(fā)展，離不開完善的生態(tài)體系模型，也離不開合理優(yōu)化的共識激勵模型。中本聰創(chuàng)造的新型經(jīng)濟激勵模型保證比特幣 10 年的長治久安，擁有強大的支持者群體，并因此建立新型的行業(yè)生態(tài)?？梢姽沧R激勵模型在數(shù)字貨幣生態(tài)發(fā)展中占有舉足輕重的作用。

HNB 激勵算法是根據(jù)經(jīng)濟學模型建立，極大程度提高持幣用戶參與生態(tài)建設的積極性、維護生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。HNB 為每輪共識成功出塊的記賬節(jié)點提供 HGS 獎勵，對于 HNB 作惡節(jié)點將扣除一定比例 HGS 以示懲戒。

HNB 經(jīng)濟體的激勵機制遵循以下準則：

1. HNB 根據(jù)幣齡與持幣數(shù)量計算權重 w，被選為共識組概率與 w 值正相關。

2. 共識成功后，明確本次共識的提議者及參與 BA*的提議者。將 HGS 獎勵數(shù)量根據(jù)比例發(fā)放至本次共識相關成員。

3. HGS 獎勵數(shù)量與該塊內(nèi)交易復雜度總和正相關，存在相關系數(shù) k。

4. HNB 支持分級懲罰，區(qū)分節(jié)點作惡及節(jié)點故障。若提議者發(fā)送虛假、錯誤提案，參與BA*的提議者發(fā)送異常共識協(xié)議判定為節(jié)點作惡。若節(jié)點共識期間網(wǎng)絡交互無響應判定為節(jié)點故障。

5. HGS 獎勵的相關系數(shù) k 根據(jù)出塊總數(shù)負相關。