区块链平台Coursera（第四周）替代去中心化解决方案

课程链接 https://www.coursera.org/learn/blockchain-platforms/home/week/4

为自己学习记的笔记，翻译可能存在问题，望谅解。

替代去中心化解决方案 Alternative Decentralized Solutions

星际文件系统 (IPFS)

使用 IPFS (Demo)

哈希图 Hashgraph

区块链：社会责任

区块链平台：关键要点

Week One: Permissioned Blockchains

Week Two: Decentralized Application Platforms

Week Three: Challenges and Solutions

Week Four: Alternative Decentralized Solutions

自从区块链问世以来，出于各种目的，已经提出了几种去中心化系统的替代解决方案。社区的这种大力支持正在加强去中心化系统的概念。这是一些杰出的贡献。星际文件系统 IPFS 旨在解决分散数据存储问题，哈希图旨在解决分散共识问题。完成模块后，您将能够解释IPFS的结构，描述IPFS的操作，讨论哈希表的结构，解释哈希表的异步拜占庭容错ABFT共识协议。

星际文件系统 (IPFS)

Interplanetary File Systems (IPFS)

从根本上说，区块链是一个去中心化的系统。可替代地，可以独立于区块链来实现去中心化的对等系统。与集中化名称空间和HTTP系列协议提供的传输相比，IPFS是文件传输的分散模型。HTTP或超文本传输协议在集中式分层名称空间中运行。

点对点数据传输并不是新事物。回忆一下 Napster 和 Gnutella 媒体共享服务以及 Bittorrent 服务，这是我们目前许多数据表面服务的基础。IPFS的创建者Juan Benet 将 IPFS 称为 “内容寻址 Content Addressed，版本控制 Versioned，P2P” 文件系统白皮书。在本课程中，我们将研究分散式文件共享协议 IPFS 的详细信息。

学习目标：
您将能够讨论IPFS的体系结构，
解释IPFS的操作，
列出基于区块链的解决方案的优势，
讨论IPFS +区块链解决方案。

类似于比特币，IPFS利用了许多成功的点对点系统构想。
1. 全局分布式文件系统 Global distributed file system：IPFS是关于分配分散化。
2. 使用内容的安全哈希作为文件位置标识符的基于内容的标识，并使用分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）解析位置。
3. 使用流行的基于Bittorrent的点对点文件分发协议进行区块交换。
4. 使用比特交换 Bitswap 协议激励区块交换。
5. Merkel DAG，有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG），基于版本的文件组织，类似于Git版本控制系统。
6. 存储节点服务器的安全自我认证。

这是IPFS体系结构的高层视图。文件位于分布式系统中。
最下方的方块显示，应用程序将哈希用作返回文件位置的 DHT 中的键key。一旦确定了文件的位置，就会进行点对点传输。存放构成全局文件系统的分散文件对象的计算机节点。它们保存了构成要交换文件的对象。文件对象由安全哈希标志，任何对象都可以包含子对象，每个子对象都有自己的哈希，这些哈希为创建对象的根哈希。

还记得课程一中的 Markel 树吗? 在当前的万维网协议中，我们通常通过存储它们的服务器来引用Web资源或数据。例如，https://www.coursera.org/ 实际上是指托管 Coursera 页面的服务器，以及该服务器上的特定目录和文件。这是一种集中的方法。

如果资源在多个分布式位置可用，该怎么办？IPFS为此提供了一种分散的解决方案。那么，IPFS如何识别资源？哈希。 IPFS不是通过其位置作为HTTP来标识资源，而是通过其内容或内容的安全哈希来标识资源。在这种情况下，该文件由通用唯一标识符 universally unique identifier 而不是其位置寻址。

如何解决位置问题？就像您有一个URL或一个网站链接，您从资源的哈希标识符开始。您向具有该标识符资源的任何人发送请求。成功后将响应，点对点访问它。哈希是键、键值对<Key, value>，而值是文件或资源的位置。

IPFS协议的路由部分维护分布式哈希表（distributed hash table，DHT），用于定位节点以及文件对象。一个简单的 DHT 将哈希作为键，将位置作为值。密钥可以直接映射到 DHT 中存储的位置。

现在我们已经找到了节点和对象的位置，我们如何进行文件中的块交换？
在典型的 IPFS 系统中，DHT 将最接近的位置解析为键值 key-value。保持数据块的对等节点通过称为比特交换 bit swap 的协议来激励。对等节点具有一个需求列表 want list 和一个拥有列表 have list，并形成了某种形式的易货系统 barter system。需求列表是节点想要的所有对象的列表，而拥有列表是其位置上可与他人共享的所有对象的列表。任何不平衡都会以掉期信贷 bit swap credit 或债务 debt 的形式记录下来。

比特交换 bit swap 协议相应地管理涉及节点的块交换。网络的节点确实必须以块的形式向网络提供值。您是否认为这可能是数字代币的理想用例？如果发送块，则会获得一个IPFS令牌 token，该令牌可在需要块时使用。比特交换协议规定了处理异常情况的条件，例如自由加载节点 freeloading nodes，不想要任何节点 nodes wanting nothing，不想要任何节点 nodes having nothing等。文件的多个版本如何维护？使用文件系统顶部的Merkle定向非循环图数据结构 Merkle directed acyclic graph data structure维护文件的多个版本。版本的基本元素包括：块，块列表，代表文件实例的块树 tree of blocks representing the file instance 以及作为树快照 snapshot 的提交。然后，此Merkle还有助于检查是否有贿赂 tampering 行为，并避免任何文件重复 duplication。

对于第一次提交左侧的节点，对于第二次提交右侧的三个节点，您可以观察到两个提交，当然还有四个目录。这是一个 DAG，而不是我们在以太坊状态路线中看到的Merkle树。您还可以在此处观察Hello World文件的重复。这意味着该文件在两次提交之间共享，您会在此图中看到两个共享文件。

IPFS的用例是什么？与区块链去中心化系统的关系如何？
IPFS可以是独立的分散式文件系统。它可以补充现有的基于HTTP的集中式系统。

总结：我们在区块链系统的背景下讨论了IPFS，因为IPFS可以在具有大量数据的区块链应用中起到分散式存储的重要作用。在这种情况下，可以将卷 volume 和此数据存储在IPFS上，将其元数据 metadata 存储在块链上。在这种情况下，它是一个集中存储 centralized store。 IPFS 可以与区块链的分布式账本技术协同存储，可以为许多存储丰富的业务用例创建强大的解决方案。我们讨论了可用于存储区块链链下数据的分散存储系统的详细信息。它在许多基因组数据应用程序中用于存储大型基因组数据，并在Dapp中使用，例如用于文档存储的开放法则 open law for document storage。

使用 IPFS (Demo)

这是对IPFS或星际文件系统的简要介绍。该演示的目的是使您开始使用IPFS。您可以参考IPFS创作者 Juan Benet 的精彩视频。已经在可选阅读部分中链接了该链接。请观看该视频。

**以下截图为视频截图，并非实际操作。实际操作后将补图。
我已经下载了tar文件，解压缩。进入IPFS，进行安装。接下来我将对其进行初始化，并且在您对其进行初始化时，您会获得很多细节。您可以看到该身份（大约32个字节），并且可以看到它是base58，就像在比特币中一样，这样我们就可以在其中容纳更多信息。然后，让我们看看我们的IPFS系统是否工作。所有IPFS命令都以IPFS开头，这里有一句 IPFS cat 或只是Unix的串联，它仅显示文件名和IPFS文件系统。这是对文件夹web的引用，其中包含用于IPFS的当前文件夹web readme。
复制那一句 “ipfs cat /ipfs/QmS4ustL54uo8FzR9455qaxZwuMiUhyvMcX9Ba8nUH4uVv/readme”粘贴到光标指示的位置，回车，进入下一个界面。

初始化成功。我们还能做什么? 我们可以将文件添加到你创建的IPFS文件系统中，我们也可以创建一个文件。

从桌面复制一个文件myIPFSFile过来，其他所有人都应该可以看到这个文件。

打开web界面。它显示你创建的节点的 peer ID，Agent Version，Protocol Version，Public Key，一些network addresses.

有趣的是，一旦我们部署了这个，你应该能够看到连接，你可以看到所有这些都是可用的对等节点。您可以从得克萨斯州休斯顿市看到这一点，而从安阿伯那里来的则是其中之一，而且它们正在协同工作，并且随着您的到来，它们会越来越多。您可以看到更多的对等方出现在这里，并且您始终可以进入其节点，并查看可供您使用的内容。

在 Files 里，可以把桌面上的文件拖过来，它对你是可用的，所以全世界都可以看到和使用它。

还有更多可用的命令。在上方的框框里粘贴添加我们创建的同一个文件的哈希（直接粘贴上次复制的），全世界都可以使用它

阅读材料
What is the InterPlanetary File System?
IPFS Alpha Demo
IPFS white paper
An Introduction to IPFS
An Introduction to The Interplanetary File System
The next Internet Revolution | Juan Benet | TEDxSanFrancisco
What's Yeoman?

测试题

哈希图 Hashgraph

Hashgraph旨在解决当前公共区块链中最有争议的问题之一，这种共识模型可确保对去中心化系统的信任。

回想一下，就比特币和 Ethereum metropolis 而言，POW是通过工作证明来达成共识的。 POW达成共识的代价是什么？
代价确实很高。就该课程视频制作时的记录，确认交易大约需要78分钟。并且向比特币区块链添加一次交易会浪费大约250千瓦的能源，这相当于九天普通房屋中使用的电力。哈希图是一个信任模型，它提供一个共识层来解决事务延迟和能源浪费的公平性，并且还提供了一个计算能力强的算法，可用来设置完全容忍度和最终的一致性。

本节课我们将讨论哈希表的高级细节。
在完成本课程后，您将能够在较高层次上解释定义哈希图算法的数据结构和算法，并解释由哈希表实现的共识协议的工作。

回想一下，在区块链协议中，矿工可以按照他们想要的任何顺序从内存池中收集任何交易，并形成一个区块进行验证，然后将该区块添加到区块链中。这样就可以通过工作证明难题POW解决竞赛或竞赛。这消耗了大量的计算能力。这样做都是为了在交易集和交易顺序上达成共识。

我们可以更好地进行交易排序吗？就公平性而言，最终一致性为100％。在低延迟下，以最小的功耗实现更快的交易确认。这就是hashgraph的目标

哈希图的目标 是在分散的网络中对交易进行排序，以解决公平性 fairness，安全性 security，延迟 latency 和能量集中 energy concentration 以及百分比 percent 和故障 fault。

这是使用我们传统的类图对哈希图元素的可视化。
HashGraph是由参与者同步或传播生成的，正如您在参与节点类上看到的那样。
HashGraph是由事件 Event组成的。如 Round 类所示，也可以将其视为 a rounds of events。
每个事件实例由一个时间戳 timeStamp，两个哈希或两个gossip 以及零个或多个 transaction 组成。事件可以是Witness，FamousWitness 或 NotFamousWitness 这两种类型之一。我们将在讨论算法时解释所有这些问题。这是概述图片，可帮助您理解此复杂算法。

哈希图的元素：
事件event，
交易 transaction，
有向无环图：DAG 哈希图，
Witness，FamousWitness，NotFamousWitness，
Round：Round Created ，Round Received，
consensus by voting 由下一轮目击者的投票达成共识，
Gossip protocol。
最要注意的是，Voting 是通过存储在每个节点中的哈希图的结构得出或计算的。

投票不是通过传统方式传递的。图结构中隐含了几率。由于所有节点都具有哈希图，因此它们都同意投票数和共识。

讨论一下hashgraph的细节。
从理论上讲，图是由一组顶点或节点以及连接它们的边定义的。哈希图增加了时间元素。
分散网络中的每个参与者节点都有一条时间表 timeline。这由哈希图图片上每个参与者从下到上的垂直线表示。

图的节点是称为事件的数据结构，事件从一个参与者到另一参与者的传输代表边缘。这种传输称为 gossip，一种节点将已知的信息转移到另一节点的感觉。这些 gossip 或知识被重新传播，产生了关于 gossip 的概念。此信息用于观察图的属性。这有助于事件集合中事件和交易的最终 eventual、虚拟投票 virtual voting 和排序 ordering。该图也被视为由事件回合 rounds of events 组成。
您可以将事件回合 rounds of events 视为纸牌游戏。一轮定义并定界可以独立排序的哈希图事件的相邻子集。当您将事件回合独立排序时，它们仍将保留交易和事件的全局顺序。一回合包括该回合中最早的事件和最小的事件之间的所有事件。

让我们看看参与者 participants、事件 events 和目击者 witnesses。
每个事件都有一个标准参与者 standard participant 和一个接收者参与者 receiver participant。上图中的事件由包含这些项目或属性的实心圆直观地表示。EventId，hash of the parent，另一个父级发送方的哈希 hash of the other parent（sender）以及包含按时间排序的事务集的有效负载 the payload containing the time ordered set of transactions.。

每个参与者创建的回合 round 中的第一个事件 event 被称为见证人 witness ，因为此事件是图形状态的见证人。也有可能在一个回合中，参与者没有事件或见证人。这些见证人事件 witness events 在未来的回合 rounds 中，根据他们在后续事件 subsequent events 中的所见所闻，被认定为著名或不著名的证人。每个事件都有与之相关联的属性和被称为Round Created 的整数值。roundCreated 第一轮的值为1。我们用驼峰记法表示向量。
我们定义roundCreated 如下：设当前回合 Current Round 为 R。如果所创建的事件C可以全部或绝大多数见证事件回合 R，然后到下一轮，事件C的 Round Created 的值是 R+1。否则，将roundCreated属性值保留在R，并将事件保留在该轮中。

我们将讨论事件的 roundReceived 属性，稍后就该事件达成共识。Limenberg对哈希图实例的描述是一个由四个参与者A、B、C和D组成的小网络。A1、B1、C1、D1是第一回合的基本事件。所以他们是第一回合的目击者。回想一下，参与者的见证事件是特定行的第一个事件。例如，对于第3行，A3，B3，C3，D3将是该行的四个参与者A，B，C，D的见证事件。
事件在参与者之间被创建和交换，peers participate 仍然在第一回合内更新。考虑第一回合中最早的事件，可以看到目击者B1, C1, D1。因为从顶部事件到B1 C1 D1有一条向下的路径。然而，它并没有强烈地看到D1，因为它没有跨越事件从路径中的绝大多数参与者到D1。在这种情况下没有从B到C到D或从B到A到D的路径。这解释了强C的概念。

接下来看第二回合新创建的事件D2（见右图），它看到A1 B1 C1和D1，因为有一条向下的路径从这里到这些节点。其中，它强烈地看到B1, C1和D1。这构成了绝大多数的证人。于是，D2开始了新的回合。

这个图表由许多回合组成，其中的回合是用来计算选票的。计算得出的最早的计算基础 computed base 和所有 gossips 的 gossips 以及图形结构，“看” see 的概念等于投票，“被看得很清楚”strong see 的概念在某种程度上等于对票进行计数。

有一个算法来分类证人，著名和不著名的证人，基于在更高回合 see 和 strong see 的成员。在继续下一步之前，您应该考虑提供的哈希图中的其他节点，并研究这些see和strong see概念。

这是一个连续一致的算法循环
创建一个新事件。
执行 divideRounds 函数，启动下一回合。如果满足该节点的条件，则执行decideFame函数。这根据当前一轮证人的可见性来确定前一轮的见证人是否著名。
执行 findEventOrder 函数。在确定了一回合中所有见证人的声望后，将使用图结构对选票进行计数。见证人的声望， seeing和strongly see的结果。排序包括分配roundReceived和计算事件的时间戳中间值 median timestamp。
最后，我们得到事件的一致顺序。这反过来又决定了交易的顺序。

根据哈希图创建者的说法。虽然这个算法看起来很复杂，但它支持每秒数十万个事务的事务率，从而解决了可扩展性问题。它在Internet 的TCP/IP层中运行的Hashgraph协商层 Hashgraph Consensus Layer。它包含了hashgraph协议的所有数据结构和算法的实现。在这一层之上是用于加密货币、文件系统和智能合约的模块。智能合约模块目前支持虚拟机。以及我们在第二门课中学到的 Solidity 智能合约。在这些模块之上是一组用于开发分散应用程序的api。

哈希图是当前分散系统中最热门的话题。挑战自己。将我们研究的区块链平台的共识模型与哈希图进行比较，因此您也可以参加这些讨论。

阅读材料
Hashgraph Consensus: Detailed Examples
What Is Hedera Hashgraph?
Hashgraph wants to give you the benefits of blockchain without the limitations

测试题

区块链：社会责任

蝴蝶效应被定义为一个初始状态的小扰动，最终达到有重大影响的结果。这是在混沌理论的背景下定义的。毫不夸张地说，比特币对科技产生了蝴蝶效应。比特币创造性地综合了过去四个十年的研究成果，以发布并以一种工作模式建立了点对点数字支付系统 peer to peer digital payment system。这个奇异的想法打开了潘多拉魔盒的技术盒，并引发了努力甚至可能是一场社会革命。比特币的区块链创新源于PKI，ECDSA，SHA等密码学和哈希技术的研究，以及用于P2P传输的互联网技术的巨大进步。这使得区块链的去中心化、去中介化和DLT成为可能。面向对象编程语言中的有限状态机用于开发智能合约。Web技术被用于区块链的DApp开发。从这些中，您可以看到由比特币区块链带来的转变。如您在这里看到的，区块链具有众多不同的应用程序。

你可以参加区块链应用程序开发和教育、设计、开发工具和框架。
从事区块链、法律、医疗、政府、金融科技等领域的应用研究。
提出并开发区块链协议改进。
探索分散系统的区块链替代方案。
对区块链算法进行基础研究。

机会是无限的，每个人都有自己的角色。我们正在经历互联网技术发展的分水岭时刻。我们正在见证区块链技术和加密货币使应用程序从集中式向分散式的转变。这些新兴技术有望在更新的应用中达到顶峰，这超越了人口结构和国家壁垒。通过本专业课程提供的知识和技能，你应该能够选择你的区块链激情和追求的道路。参与你选择的角色，为一个去中心化、包容性的社会做出贡献。

阅读材料
Commentary: How Blockchain Could Replace Social Security Numbers
Blockchain and U.S. state governments: An initial assessment

测试题

区块链平台：关键要点

Week One: Permissioned Blockchains

许可区块链仅允许具有交易权限并参与区块链操作的节点。
基于其在特定垂直业务领域（例如汽车或食品服务联盟）中的常见用例，允许的区块链也称为联盟区块链。

Linux Foundation 的 Hyperledger 是一个生态系统，不仅支持区块链协议，而且还支持用于开发人员，企业和其他利益相关者积极参与和协作的框架和工具。Hyperledger项目的目标是促进安全，可靠，高效，创新，质量驱动的开源组件和平台的开发，以支持企业采用区块链技术。

Hyperledger有五个框架：

Fabric
Sawtooth
Indy
Iroha
Burrow

Hyperledger协议中没有加密货币。

Chaincode 是Hyperledger中的智能合约代码，它定义了一组资产并提供了用于操作资产和更改其状态的功能。它还实现了特定于应用程序的规则和策略。

Hyperledger Fabric是许可的业务区块链。
这是Fabric提供的服务列表：

1. Identity services 身份服务

2. Policy services 政策服务

3. Blockchain services 区块链服务

4. Smart contract services 智能合约服务

身份服务模块管理实体，参与者和分类帐对象（例如智能合约）的身份。对于Fabric，它称为链码。
政策服务模块管理访问控制，隐私详细信息，联盟规则和共识规则。
区块链服务模块管理：
对等通信协议 the peer-to-peer communication protocol,
维护全球状态的分布式分类帐本 distributed ledger maintaining the global state
在许多参与者中复制全局状态 global state replicated at many participants
可插拔共识算法（PBFT或POW）pluggable consensus algorithm (PBFT, or POW)

智能合约服务模块为链码执行提供了安全，轻便的沙盒环境。

API允许应用程序调用基础服务。 SDK可帮助基于这些API的代码开发。 CLI是用于调用这些API以进行测试的命令行界面。

Peers 是启动事务并维护分类帐状态的节点。有三种类型的对等节点：
1. Endorsing peers  接收并验证交易，对其进行签名，然后将其返回给创建的应用程序。他们被称为代言人。
2. Ordering peers  收集已签名的交易，将其排序为大块，然后将其发送给提交的同级。这也称为排序服务。
3. Commiting peers  接收通过订购服务创建的区块，验证条件（如双重支出和签名），然后将其提交到分类账。

Channel 通道 为一组实体提供了隔离的结构，以便私下进行交易。通道还提供了通过跨链链码支持竞争企业和受监管行业之间的多边交易 multi-lateral transactions 的能力。

身份 identity 确定了实体的角色及其访问区块链网络中资源的权限。

共识 Consensus 是对要添加到链中的下一个交易区块的协议，以及对订单的顺序和正确性（包括重复消费和其他条件）的广泛验证和验证。

Microsoft Azure 的主要目标是加速区块链部署。 Azure BaaS功能包括：
·准备部署的分类帐的集合 A Collection of ready to deploy ledgers
·具有多个节点的区块链网络，具有散列，挖掘，节点间的共识以及将复制的分类帐分发到所有节点的功能 Blockchain network with multiple nodes, with hashing, mining, the consensus among the nodes, and the distribution of replicated ledger to all nodes
·用于开发业务逻辑的预配置网络配置 Preconfigured network configurations for developing business logic
·单一位置的工具和基础架构 Tools and infrastructure in a single place
·云平台的数据安全性和可扩展性 Data security and scalability of the cloud platform
·单节点分类帐和多节点分类帐本 Single Node Ledger and Multi Node Ledger

Week Two: Decentralized Application Platforms

Augur是一个基于区块链技术的非信任分散预测市场平台。

参与者在预测市场中可以扮演的角色：
1. Market creator ：预测查询，设置预期结果，支付费用和担保，建立规则并指定初始报告者的市场创建者。
2. Trader ：交易员将赌注押在预期的结果上，并参与该过程的预报告阶段。交易者买入和交易下注于结果赔率的股票。交易货币当前为ETH。
3. Reporter：报告结果的记者。结果不一定是二进制的（是或否）。根据过程的阶段，报告者可以是指定的报告者或开放的报告者。

Grid +是在以太坊区块链上实现的Dapp平台，通过集成区块链和AI创造了能源生态系统。

能源零售商 Energy Retailer ：Grid +将在放松管制的市场中作为商业电力零售商运营。

智能代理 Smart Agent：在用户家中，Grid +智能代理是一种计算设备，托管用于区块链交易软件，多签名加密钱包，PKI安全性和脱链支付的软件，以加快确认速度。

智能用电 Intelligent electricity usage：电力交易是一个复杂的过程，有很多错综复杂； Grid +通过使用智能软件对有效的价格选项进行编码来管理这些内容。

ERC-20令牌支付 ERC-20 Token payments：已创建一个名为BOLT的特殊ERC20兼容令牌用于支付。

集成到物联网设备 Integration to IOT devices：智能代理可以集成到其他智能代理中，例如NEST和电池（Telsa Powerwall）

远程控制 Remote control：网格支持移动电话和计算设备的集成，允许远程控制其操作。

Week Three: Challenges and Solutions

在权益证明（POS）中，选择获益最高或货币最多的完整节点来添加下一个区块。这就是为什么它被称为权益证明。这个想法是，风险最大的节点不会是恶意的，并且冒着风险分叉网络的风险。

在实用拜占庭容错（PBFT）中，节点投票选举一位领导者，然后该领导者将下一个区块添加到链中。该负责人添加了已验证交易的块。

可扩展性 Scalability 是系统在所有实际负载水平下都能令人满意地运行的能力。区块链上下文中的负载可能是：交易时间，节点数，参与者和帐户数以及区块链的其他属性。

托管协议 Escrow 是“一种合同协议，其中第三方接收并支付主要交易方的款项或文件，而支出则取决于交易方所同意的条件。”

Week Four: Alternative Decentralized Solutions

与HTTP协议家族提供的集中式命名空间和传输相比，IPFS 是一种用于文件传输的分散模型。

Bitswap 协议相应地管理涉及节点的块交换。

哈希图 Hashgraph是一种信任模型，它提供了一个共识层来解决事务延迟，能源浪费，公平性问题，还为拜占庭式容错和最终的一致性提供了计算能力强的算法。分叉是增加了区块链框架健壮性的机制。

哈希图的元素包括：

Event
Transactions
Directed acyclic graph: DAG The hashgraph
Witness
Famous Witness
Round: Round Created, Round Received
Consensus by voting by the witnesses of the next round and
Gossip protocol

一回合 round 由年龄最大的参与者和年龄最小的参与者之间的所有事件组成。

比特币对技术产生了蝴蝶效应，其概念打开了潘多拉魔盒的技术框，并为技术和社会的革命带来了努力。