摘要:In recent years, Blockchain has attracted tremendous attention due to its salient features including auditability, immutability, security, and anonymity. Resulting from these salient features, blockchain has been applied in multiple non-monetary applications including the Internet of Things (IoT). However, blockchain is computationally expensive, has limited scalability and incurs significant bandwidth overheads and delays which are not suited for most IoT applications. In this paper, we propose a Lightweight Scalable blockchain (LSB) that is optimized for IoT requirements while also providing end-to-end security. Our blockchain instantiation achieves decentralization by forming an overlay network where high resource devices jointly manage the blockchain. The overlay is organized as distinct clusters to reduce overheads and the cluster heads are responsible for managing the public blockchain. We propose a Distributed Time-based Consensus algorithm (DTC) which reduces the mining processing overhead and delay. Distributed trust approach is employed by the cluster heads to progressively reduce the processing overhead for verifying new blocks. LSB incorporates a Distributed Throughput Management (DTM) algorithm which ensures that the blockchain throughput does not significantly deviate from the cumulative transaction load in the network. We explore our approach in a smart home setting as a representative example for broader IoT applications. Qualitative arguments demonstrate that our approach is resilient to several security attacks. Extensive simulations show that packet overhead and delay are decreased and blockchain scalability is increased compared to relevant baselines.

摘要:In recent years, the rapid development of cryptocurrencies and their underlying blockchain technology has revived Szabo’s original idea of smart contracts, i.e., computer protocols that are designed to automatically facilitate, verify, and enforce the negotiation and implementation of digital contracts without central authorities. Smart contracts can find a wide spectrum of potential application scenarios in the digital economy and intelligent industries, including financial services, management, healthcare, and Internet of Things, among others, and also have been integrated into the mainstream blockchain-based development platforms, such as Ethereum and Hyperledger. However, smart contracts are still far from mature, and major technical challenges such as security and privacy issues are still awaiting further research efforts. For instance, the most notorious case might be “The DAO Attack” in June 2016, which led to more than $50 million Ether transferred into an adversary’s account. In this paper, we strive to present a systematic and comprehensive overview of blockchain-enabled smart contracts, aiming at stimulating further research toward this emerging research area. We first introduced the operating mechanism and mainstream platforms of blockchain-enabled smart contracts, and proposed a research framework for smart contracts based on a novel six-layer architecture. Second, both the technical and legal challenges, as well as the recent research progresses, are listed. Third, we presented several typical application scenarios. Toward the end, we discussed the future development trends of smart contracts. This paper is aimed at providing helpful guidance and reference for future research efforts.

摘要:随着物联网技术的进步，物联网结构变得日益复杂，采集的数据量呈现爆发式增长，如何在不同的参与方间安全地共 享数据成为了一个巨大的挑战． 传统的数据共享模型往往依赖于可信的第三方中心化机构，但这种方案易发生单点故障，对参 与方不透明，数据可能遭到篡改． 本文利用区块链能够去中心解决信任问题这一特点，提出一种基于区块链的物联网数据共享 模型． 本文首先分析了现有的物联网数据共享模型以及Hyperledger Fabric 区块链平台的关键组件，然后介绍了本文所述模型的 网关组成方式和数据存储到区块链账本的内容，并对安全性和数据隐私性提出了增强改进设计方法，最后分析了模型的安全和 可用性，通过测试简化模型的性能证明了模型实施的可行性．

摘要:区块链是一个全球性的去中心化分布式数据库账本。智能合约作为一段由事件驱动的、具有状态的、运行于 区块链系统之上的程序，能够保管、处理区块链账本上的数字资产；运行在通用平台上的智能合约还能够实现传统应 用系统的部分功能。区块链技术的发展为智能合约提供了很好的运行基础，智能合约在区块链上能够发挥重要作用。 随着比特币和以太坊等区块链平台的迅速发展，智能合约具备了良好的发展契机。然而，智能合约应用还处于早期发 展阶段，相关研究相对较少，实际应用中智能合约的适用场景不够丰富。文中从智能合约编程语言、实现技术、发展现 状和存在的挑战、未来前景等几个方面进行研究和探讨，重点描述了不同智能合约开发语言的特性，以及相互 之 间 的 对比；以智能合约运行环境为标准进行分类，研究了各种区块链系统中智能合约的开发、部署和运行机制，并探讨了不 同类型智能合约平台的应用范围，对不同区块链系统在智能合约开发、社区支持以及相应的生态系统等方面进行了全 面的比较；然后，介绍智能合约的研究现状和面临的挑战，从安全性、可扩展性、可维护性等方面进行深入分析；最 后， 分析了区块链和智能合约技术的发展趋势，探讨了未来的应用场景。

摘要:Blockchain technology has received extensive attention recently, but still a large of technical challenges such as scalability and security. This paper helps to find where recent studies have been focused on and offers a broad perspective relating blockchain applications and smart contracts, their main problems and corresponding solutions and will help to specify gaps and future research. The study extracted 292 articles from top Digital Libraries such as IEEE, ACM, Science Direct and Springer. After a detailed review process only 28 publications were considered based on defined inclusion and exclusion criteria.

摘要:IoT devices are quickly becoming a critical source of information about the physical world considered in business processes. Blockchains are a promising platform for such processes if they involve multiple parties with no shared, commonly trusted IT infrastructure. Transacting with a blockchain, however, requires software whose footprint overwhelms many lightweight IoT devices. In this paper we introduce the concept of a blockchain proxy to which an IoT device can offload a large part of this software footprint. The proxy only requires a slim proxy SDK on the device that holds a regular blockchain identity with its own private key, retaining full control of the transactions in the device. We discuss security implications and present cold-chain monitoring as a use case. Preliminary results show significant savings in CPU time and communication bandwidth for the IoT device.

摘要:With the advent of blockchain, smart contracts have become one of the most sought-after technologies because of the high customisability they add to transactions. This has given rise to many smart contract applications in areas ranging from financial services, life sciences and healthcare to energy resources and voting. However, due to their infancy, smart contracts still pose many challenges that encumber the stakeholders who interact with them: users, developers and the organisations that are built on top of smart contracts. This study aims to contribute to the body of knowledge of smart contracts within blockchain technology. Based on a systematic mapping study, we offer a broad perspective on their problems and corresponding solutions, present the research trends within the area and compile the 64 papers identified, grouped by top publication sources, channels, methods and approaches. We conclude that, since 2016, there has been an increasing trend towards the publication of blockchain-based smart contract articles at conferences and journals, mainly reflecting experiments and presenting methods, tools and models. According to the results, the most commonly discussed problems and solutions in the literature are related to the security, privacy and scalability of blockchain and the programmability of smart contracts.

摘要:针对传统电力调度过程中难以调控能源、易产生网络损耗等缺陷，提出基于区块链的能源电力 供需网调度优化模型。结合区块链的去中心化、可信任、交易透明化的特性，建立能源电力供需网模型；利用 区块链激励机制，实现能源电力供需网协调控制分布式能源独立并网的行为；在此基础上，根据运营成本最 低、有功损耗最小等目标函数建立调度优化模型，运用协作型协同进化算法（CCEA）对模型进行求解，并通 过区块链的ＰＯＷ 共识机制，安排能源电力供需网各节点进行分布式计算，实现调度方案的二次验证与优 化。算例结果表明，与传统的电力能源调度模型相比，本文所提出的方法可使总运营成本降低９．９％，有功 网络损耗降低３．５％，日负荷方差等因素也有所改善，提高了电力系统的稳定性，为优化能源电力调度问题 提供决策支持和理论支撑。

摘要:区块链构建了一个分布式点对点的系统，作为一种安全可验证的分散确认事务的机 制，广泛应用于金融经济、物联网、大数据、云计算和边缘计算领域. 边缘人工智能计算(edge AI computing) 即面向边缘网络应用场景的群智AI 计算模式. 在无人驾驶等高动态、超低延 时、资源受限、数据与计算解耦的边缘网络应用场景下，跨域可信、隐私保护、入侵监测、细 粒度激励等需求对区块链研究提出了进一步的挑战. 关注到人工智能向边缘网络下放的趋势， 该文讨论区块链在新兴的边缘人工智能计算领域的应用. 首先介绍了区块链技术的基础架构， 概述了相关研究和应用方向；接着从边缘人工智能计算的概念与兴起出发，详细分析并讨论 了区块链技术在面向边缘人工智能计算领域的应用需求，包括相关研究综述、应用趋势和未 来研究方向. 此外，还总结了区块链技术应用在边缘人工智能计算方面的优势和未来仍需关注 的问题.

摘要:As a popular consortium blockchain platform, Hyperledger Fabric has received increasing attention recently. When executing transactions on such platform, it usually costs a lot of time and hardly to achieve high efficiency. Although efficiently handling transactions can be leveraged to support various use-cases, it presents significant challenges as data on Hyperledger Fabric is organized on file-system and exposed via limited API. We tackle the problem in two ways: conditional queries and data storage. In this paper, we propose the following novel methods. To improve the performance of conditional queries on Hyperledger Fabric, we use all attributes of the query to create composite keys before executing it. In order to achieve further performance improvements, we build an index called AUP in the second method, where we also study the update of AUP during transactions. To speed up data storage on Hyperledger Fabric, We create a cache for the data in the block header. The extensive experiments conducted on the real-world dataset demonstrate that the proposed methods can achieve high performance in terms of efficiency and memory cost. Finally,We implement a prototype system.

摘要:区块链技术因其去中心化、防篡改以及可追溯的特点受到各方青睐。可编程的 智能合约的出现则将区块链技术的应用领域拓展到传统行业的方方面面。然而单 线程串行的智能合约执行模型愈发成为系统的性能瓶颈，如何高效地并发执行智 能合约交易进而提升系统性能成为现如今区块链技术落地的一大挑战。由于区块 链环境中拜占庭节点的存在，智能合约交易的执行与传统数据库有着很大的区别， 故传统的数据库并发控制协议不能直接应用到智能合约交易的执行中。已有的遵 循“主节点执行-验证节点回放”这种两阶段执行框架的并发执行工作仅仅考虑了 主节点的执行效率，而忽视了针对验证节点回放效率的优化。本文在沿用上述两 阶段并发框架的前提下，创新性地提出了一种兼顾主节点执行和验证节点回放的 并发执行协议——2PX（Two-Phase Execution）协议。在结合 PBFT 这种三轮网络 交互的共识算法时，本文在执行方面进一步优化了 2PX，并在开源的拜占庭容错 （BFT）系统中实现该优化协议。

摘要:区块链智能合约为不可信的分布式环境提供了去中心化的可信一致存储服 务。但是相比于传统中心化数据库，目前区块链平台的吞吐量的过于低下导致 它在多数应用中无法替代传统数据库。该性能问题部分源于目前的区块链不支 持区块交易的并发执行，因此通过设计并发控制算法来并发执行智能合约可以 提升区块链平台处理能力。在区块链网络中，验证者需要按照生产者采用的交 易顺序确定性地重新执行区块并产生一致的最终状态，因此传统DBMS中的并 发控制算法由于其结果的不确定性而无法直接应用在区块链中。 针对智能合约的确定性并发问题，本文通过引入多版本交易排序（MVTO） 的方法，提出了一个适用于区块链上的智能合约并发执行的并发框架。在该框 架中，矿工使用传统事务并发控制发现某冲突可串行化的调度，在执行中记录 交易写集以及调度的等价串行交易顺序到新区块中。其后，验证节点在执行该 区块前，利用区块中交易的写集和执行顺序为每个冲突的合约状态上预先构建 一个有序的版本链，静态地定义冲突操作之间的优先级关系。最后验证节点在 执行该区块时，基于上述版本链使用MVTO算法来实现以相同的等价串行交易 顺序确定性地并发执行该区块中的交易，从而达成分布式网络中合约状态一致 性的最终目的。 实验结果表明，相比于顺序执行，MVTO可以用3个线程的线程池执行实验 智能合约达到2.5倍左右的提升。

摘要:随着互联网信息技术的快速发展，价值的传递方式也在不断改变，经历了从 纸币到移动支付为主的电子货币。互联网的发展虽然做到了让货币以数字的形式 流通，但都依赖于第三方机构，从而就会产生依赖第三方的信任问题。区块链技 术的迅速发展，为第三方信任依赖问题提供了新的解决方案。区块链最大的特点 就是“去中心化”和“安全透明”，在区块链技术的基础上已经有了很多成功的 应用和开发平台。区块链技术不仅适用于电子货币，而且适用于社会各行业的商 业场景。 区块链技术的研究和基于高并发区块链架构的项目都处于快速发展的阶段。 区块链技术能高效的解决很多行业的痛点。当前，区块链技术的发展与进步主要 集中在应用层和共识层。通过对区块链应用层的改进，使区块链技术应用于不同 的商业场景；通过对区块链共识层的改进，提高了区块链的并发能力和减少了能 源消耗。本文的研究方向是通过对区块链技术的分析以及对当前基于高并发区块 链架构的项目的缺陷进行对比，提出自己的改进方案。 本文介绍了区块链的发展历程以及发展历程中具有代表性的区块链应用，介 绍了构建区块链的相关技术——分布式存储、加密算法、共识机制以及智能合约。 本文介绍了构建高并发区块链架构的难点，介绍了基于DAG 的高并发区块链— —主要包括增强的有向无环图；增强DAG 共识和公证人选择的BA-VRF 共识机 制的双层共识机制；同构多链架构。 本文研究了基于可延时验证的高并发区块链系统，提出了利用超级节点验证 交易信息来提高交易确认速度。在区块链中超级节点不作为唯一的验证中心，普 通节点通过随机抽样方式与超级节点共同参与验证交易信息。交易信息在验证出 错的情况下由普通节点提出全网共识验证，既保证了交易的安全性又提高了区块 链的吞吐量。通过与基于DAG 的区块链项目的实验数据对比，验证了本方法的 可行性。 在高并发区块链架构的基础上设计了一套完整的数字彩票发行系统方案。在 中国，发行彩票必须通过民政部门的彩票中心，我们不可能设计一种完全无中心 化的区块链来应用到彩票系统上。本文研究的可延时验证的高并发区块链架构存 在超级节点可作为彩票中心，并且超级节点可提高彩票系统的并发量，但是超级 节点的加入增加了作恶的可能性。本文设计了一种延时验证的方法来防止超级节 点的作恶。具体来说，首先通过随机抽样方式抽取普通彩民节点与超级节点共同 参与验证购买彩票信息，防止了超级节点的完全中心化；同时在验证出现错误时， II 彩票系统针对出错的情况提出全网共识，保证了购买彩票信息的安全性和一致性。 基于可延时验证区块链的数字彩票系统根据区块链的特性改造了现有彩票系统 的发行流程，并设计了一套完全随机的中奖号码产生算法。该方案包括彩票中心 在内的任何机构或个人都无法控制开奖与中奖过程，中奖结果对所有人都公开可 查，同时又保护了用户隐私，大大提高了数字彩票发行的可信度。

摘要:区块链技术作为一个新兴技术这些年获得了广泛关注。Hyperledger Fabric是一 个联盟区块链平台，由于其模块化的架构被用于开发企业级商业应用。它本质.上作 为一个去中心化的分布式数据库，是一个较传统数据库系统更安全透明的交易记录 平台。但是，和传统数据库相比，HyperledgerFabric区块链平台的处理事务的速度 还有很大差距，尤其在处理有并发冲突的事务时，它的处理效率较低。为此，本文 针对该平台的并发性能进行研究并提出了改进方案，并最终实现了一个交易原型系 统。本文主要的工作包括以下三个部分。 (1)本文针对Hyperledger Fabric区块链平台上存在的“写写”并发冲突提 出LMLS方法，该方法通过在交易流程中引入锁机制使--些有冲突的事务在交易流 程开始时就被标记，并且对有冲突的事务添加索引来优化账本的存储。 (2)本文针对Hyperledger Fabric区块链平台，上存在的“读-写”并发冲突提 出RWL方法和CM方法，前者通过读写锁来保证有冲突事务的正确执行顺序;后者 通过引入缓存有效改善了数据处理的效率，并通过缓存日志来保证账本和缓存数据 的一-致性。 (3)本文基于上述两个改进方案，以Hyperledger Fabric区块链平台作为底层架 构，设计了一个可以处理高并发交易的原型系统，该系统可以实现用户转账，存取 款，查询余额等功能，并具有较好的并发能力。 通过在大量数据集上的实验表明，本文提出的方案能大幅提高该平台的并发能 力，并且适用于不同的应用场景，具有良好的扩展性。

摘要:区块链的本质是一个所有参与节点共同维护，公开透明的分布式账本，但并 非某个单独的用户可以对它随意修改，只有通过共识机制选出的区块链节点才可 对其更改。具有去中心化，不可篡改，数据加密等特性的区块链为智能合约提供 了一个良好的运行环境。 目前智能合约的执行效率严重阻碍了它在许多领域的应用。智能合约是通过 区块链交易来实现调用的，因而提升智能合约的执行效率也即提高区块链交易的 处理速度。为了提升交易的处理效率，论文提出了交易分组并行化策略，将非冲 突交易并行处理。策略中的智能合约平台是基于 AElf 的，它的智能合约是支持 元数据的。在处理交易时，根据元数据对智能合约函数占用的资源进行标记，之 后根据资源标记的结果构建资源的并查集，再通过函数（交易）占用的某个资源 查询交易所在的并查集子集，根据所在子集的 ID 将交易放入对应分组中，实现 所有交易的分组，然后再根据并发度将交易分组结果进行合并，最终将结果交由 Akka.Net 实现的 Actor 模型执行。实验证明，通过使用交易分组并行化策略，交 易的处理速度得到了很大提升。 交易分组并行化策略对计算机性能有一定的要求，因为单机的并发度太低， 在一定程度上会限制策略的效率，为此，论文在交易分组并行化策略基础上引入 集群，这样便可以提高策略的并发度，减少交易分组合并的机率，使得 Actor 处 理更少的交易，提高策略的效率。经实验证明，基于 Actor 集群的交易分组并行 化策略，交易的处理速度再度得到了提升。