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8355952_曹洋华_基于区块链的法定数字货币和资产系统研究.pdf

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基于区块链的法定数字货币和资产系统研究 摘要 由于现金的功能单一，发行和维护成本高，流通性、可监管性不 如虚拟货币，如今，电子支付已经成为大多数人的首选支付方式。然 而，电子支付中的私人虚拟货币的稳定性和安全性难以得到保障，因 此，国家发行的法定数字货币在信用上有天然优势。法定数字货币还 具备优秀的货币政策行使能力，能够开展法定数字资产和第三方数字 金融应用的建设。当前数字货币的技术路线主要分为账户和UTXO （UnspentTransactionOutput）两种，前者在运行效率上有优势，但维 护成本高；后者运行效率较低，但在表示形式上更适用于建设数字货 币和资产。在网络架构上，目前普遍采用的对等架构在协同处理方面 较为薄弱，而常见的联盟链架构在设计侧重点上不契合和法定数字货 币场景。在共识算法方面，传统的公有链算法的共识速率不高，而BFT 算法在法定数字货币场景下仍存在改进空间。针对这三个维度，目前 国内外缺少较为全面的研究和解决方案。 为此，本文以构建分布式高可用的系统为目标，基于区块链和经 济学理论，从技术层面对法定数字货币系统进行深入探索，测试并提 出了一套基于混合型技术路线的结构化联盟链网络，主要工作和创新 点如下： （1）在技术方案上，对基于账户和UTXO的方案进行了研究， 提出一种混合型的方案。采用账户模式来记录流通频繁的数字货币， 从而提高海量小额支付相关操作的处理速度。使用UTXO的形式记 录价值波动大，流动性较弱的数字资产，以提升数字货币功能的扩展 性，减少智能合约消耗对货币职能的挤兑。在运行机制方面，设计并 论证了数字货币的流通过程、央行的发行和回笼过程。在安全性方面， 提出以央行单核心为主，辅以区块链共识的监管模式。 （2）在网络架构方面，对传统对等网络和联盟链网络进行了研 究，提出一种侧重于法定数字货币场景的结构化架构。将监管核算、 区块生产和共识、支付交易处理和资产智能合约处理等进行模块化分 配，形成协同处理的联盟链网络，提高可扩展性和总体性能。采用结 构化的网络架构，和在横向将节点功能独立化的处理策略，提高系统 的处理速率和并发能力。提出将区块链数据进行的分级分片的存储策 略及宕机保护机制，以减少系统存储消耗，增强数据的安全性。 （3）在共识方面，研究分析了传统PoX算法、RCP算法、PBFT 和DPOS算法，设计了一种优化的DPOS-BFT算法。去除DPOS算 法中的选举机制，引入由央行链外异步控制的出块顺序，和固定块号 机制，减少节点内部通信以提高效率。提出一种跳块策略，避免在极 短共识周期下，BFT算法中引发的块分叉问题，从而将两轮BFT共 识减少为一轮，大幅缩短交易达成不可逆的时间。 （4）为了验证所提出系统的可用性，搭建了基于Java和Docker 的单服务器区块链网络实验平台。对账户、UTXO和混合型技术方案 的区块链节点轻量化实现，在对等网络架构中对交易处理能力进行测 试和对比分析。实现本文所提出的网络架构，对其交易处理能力进行 测试，与对等网络架构进行比较分析。实现节点间的PBFT算法和本 文所提出的DPOS-BFT算法，测试了算法的共识速率，并进行对比分 析。 关键字：数字货币区块链共识算法网络架构数字资产 RESEARCHONFIATDIGITALCURRENCYANDASSET SYSTEMBASEDONBLOCKCHAIN ABSTRACT Cashhasasinglefunction,highissuanceandmaintenancecosts,and isnotasliquidandsupervisableasvirtualcurrency.Atpresent,electronic paymenthasbecomethefirstchoiceformostpeople.However,the stabilityandsecurityoftheseprivatevirtualcurrenciesusedinelectronic paymentaredifficulttoguarantee,whenthefiatdigitalcurrencyissuedby thecountryhasanaturaladvantageincredit.Fiatdigitalcurrencyhas excellentabilitytoexercisemonetarypolicy,andalsobringsbenefitto constructionoffiatdigitalassetsandthird-partydigitalfinancial applications.Thecurrentdigitalcurrencytechnologyrouteismainly