基于钛链区块链产品架构、技术特色与优势介绍

钛链（Ti-Blockchain），致力于发展现有区块链之外的公有链生态，结合 IPFS系统解决现有金融问题和大量网络储存闲置问题。

钛链的主要特色是基于石墨烯技术开发的拥有智能合约的加密分布式存储。智能合约可以控制存储文件的加密等级，在商业应用中可以很好的保护用户的隐私。分布式存储称为永不消逝的硬盘，在有效利用闲散硬盘空间的同时，通过合理冗余的设计，达到安全存储的目的。 钛链的开发将围绕加密分布式存储继续进行，同时将落地更多的商业项目。主要从中国医院的电子病历系统、中国教育部的电子学历系统、电子合同系统、不同等级的加密通讯系统进行应用。

去中心化可以显著减轻数据中断的风险及其损失等，增加安全性、保密性。云存储依赖于第三方大型存储商来传输和存储数据，如 360 云盘、百度云盘等。但是受限于中心化的架构，非常容易受到各种安全威胁。冗余和去中心化的分布式存储可以有效改善这种状况，有效抵制篡改和未经授权的访问。文件在上传服务器之前就能得到加密，这样可以保护数据的内容，数据所有者保留对加密秘钥的完全控制，从而可以限制其他人对数据的访问。

本文主要介绍钛链区块链的产品架构、技术特色与优势等。区块链的核心价值在于构建可信任的分布式多中心体系，它有潜力成为构建价值互联网的基础设施。钛链项目方致力于打造企业级区块链产品并提供行业解决方案，已经开发了高性能、高可扩展的区块链金融、企业服务平台，瞄准企业级产品化运营能力，钛链区块链已取得多项技术突破和创新，在性能、扩展性、安全和运维等方面形成一系列技术特色和优势。在与产业合作伙伴共同深入探索区块链应用场景的基础上，钛链区块链已应用于数字资产、贸易金融、股权债券、公示公证、数据安全等领域。其以多中心化信任为核心，打造 ABS+云存储网络，让企业信息数据更加可信。

1 钛链的技术特征

1.1 数据存储

钛链将提供一种 DPOS 模式的代币来支撑钛链的运行。钛链将提供智能合约+多场景应用+在线云存储功能。钛链将在智能合约的基础上，提供存储空间，在公司运营过程中，保存公司的基本信息，例如：营业执照、税务、人员以及每个月的财务报表。

文件和数据能够储存在利用分片技术构架的系列片段中，数据所有者可以单独确定文件如何分片以及碎片在网络中的位置。如果没有事先了解碎片的位置，随着网络的扩散，找到任何给定的分片的难度是指数级增长的。这意味着该文件的安全性与网络大小的平方成比例。碎片尺寸是可协商的合同参数。标准化大小劝阻侧线试图确定给定分片的内容，并且可以屏蔽通过网络的分片流。分割大型文件，如视频内容，并分发碎片节点，减少内容传递对任何节点造成的影响。云状存储系统中的所有设备对使用者来讲都是完全透明的，任何地方的任何一个经过授权的使用者都可以通过一根接入线缆与云存储连接，对云存储进行数据访问。通过各种数据备份和容灾技术及措施可以保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。

钛链利用 Kademlia（简称 Kad）来为分布式存储提供数据索引和快速路由的支持。Kademlia 协议是美国纽约大学的 PetarP. Maymounkov 和 David Mazieres.发布的一项研究结果《Kademlia： A peerto -peer informaTIon system based onthe XOR metric》。它是一种分布式哈希表（DHT）技术，不过和其他 DHT 实现技术比较，如 Chord、CAN、Pastry 等，Kad 通过独特的以异或算法（XOR）为距离度量基础，建立了一种全新的 DHT 拓扑结构，相比于其他算法，大大提高了路由查询速度。Kademlia 属于一种典型的结构化 P2P 覆盖网络（StructuredP2P OverlayNetwork），以分布式的应用层全网方式来进行信息的存储和检索是其尝试解决的主要问题。在 Kademlia 网络中，所有信息均以哈希表条目形式加以存储，这些条目被分散地存储在各个节点上，从而以全网方式构成一张巨大的分布式哈希表。我们可以形象地把这张哈希大表看成是一本字典：只要知道了信息索引的 key，我们便可以通过 Kademlia 协议来查询其所对应的 value 信息，而不管这个 value 信息究竟是存储在哪一个节点之上。在 eMule、BitTorrent 等 P2P文件交换系统中，Kademlia 主要充当了文件信息检索协议这一关键角色，但 Kad网络的应用并不仅限于文件交换。

在 Kad 网络中，所有节点都被当作一颗二叉树的叶子，并且每一个节点的位置都由其 ID 值的最短前缀唯一的确定。对于任意一个节点，都可以把这颗二叉树分解为一系列连续的，不包含自己的子树。最高层的子树，由整颗树不包含自己的树的另一半组成；下一层子树由剩下部分不包含自己的一半组成；依此类推，直到分割完整颗树。

1.2 共识机制

目前主流的共识机制有：Pow、Pos、DPos。

Pow 工作量证明，即挖矿，通过与或运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，发出本轮需要记录的数据，全网其它节点验证后一起存储；

优点：完全去中心化，节点自由进出；

缺点：目前 bitcoin 已经吸引全球大部分的算力，其它再用 Pow 共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长，不适合商业应用

Pos 权益证明，Pow 的一种升级共识机制；根据每个节点所占代币的比例和时间；等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。

优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间

缺点：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点

DPos 股份授权证明机制，类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。

优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证

缺点：整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的

钛链决定使用 DPOS 共识机制。POW 算法对算力的要求很高，并且由于利益的驱动，算力最终会集中到少量的矿池中，因此并不能达到完全去中心化的目的。DPOS 则无需消耗大量的计算资源，提供快速的共识方式。投票选举代理出块的方式确保了网络不会被少数人控制（在后期代币大量分散的情况下）。这个和现实中的选举机制非常类似，并且更加公平，只要代理能够提供足够的稳定性，那么大家自然愿意选举他出块。

1.3 多重签名

多重签名是采用多个私钥持有人共同管理一个账户的方式。

不同于传统的加密货币主要使用明确的签名来验证交易， 多重签名使用多个私钥签名的方式来对某一个账户进行操作。多重签名采用 n/m（m 》= n 》 0）的方式管理账户。在创建账户的 m 个私钥中，只要有 n 个私钥签名，就可以对账户进行转账等操作。这可以在很多场景下得到应用。例如：

防止单个用户的私钥丢失导致账户无法使用；

对于公司等组织集体的资产可以共同管理，防止个人或少数人私自动用；

可以应用到投票/选举等场景。

1.4 合约和共识机制

合约语言：我们使用类 Lua 语言作为钛链上智能合约使用的默认编程语言，支持静态编译成字节码然后在区块链网络中根据需要执行字节码。Lua 是一种图灵完备的编程语言，编译器和字节码虚拟机为在区块链中做了针对性设计和优化。

合约解释器：合约解释器是 Lua 的字节码的解释器，在区块链网络中涉及到智能合约的操作或块同步验证中，区块链节点需要时会从区块链中取出合约字节码，用 Lua 字节码解释器加载字节码，然后使用合适的参数调用需要的 API，得到的运行结果和上下文状态变化会被区块链使用。

一次对智能合约的操作，可能在很多不同节点不同时间调用不定次数，但是同一个操作在不同节点不同时间每次调用的结果和对上下文状态的改变都是一样的。智能合约的操作，因为需要不同节点的计算机资源进行执行以及占用区块链容量和网络流量，所以智能合约的操作需要扣除一定的执行花费。

2 钛链的安全性

安全性是我们设计钛链的主要关注点。钛链使用所谓的 “可证明安全的 DPOS区块链协议”。该算法具有以下五个特性， 使其成为一个非常安全的 DPOS 模型。

第一， 该模型侧重于持久性和活跃性， 这是一个健康的交易分类帐的两个正式属性。持久性是指， 一旦系统的某个节点宣布某一交易为 “稳定”， 其余的节点（如果被查询和如实响应） 也将报告其为稳定的。在此， 稳定性将被理解为一个谓语，它将被一些安全参数 k 参数化， 并影响财产持有的确定性。（例如， “超过 k 个区块那么深”。） 活跃性保证了一旦将一个真实生成的交易提供给时间足够多的网络节点， 比如说 u 时间步骤，那它将变得稳定。活跃性和持久性的结合保证了一个健康的交易分类帐， 其意义是采用真实生成的交易并使其恒定。

第二， 我们描述了一种新的基于 DPOS 的区块链协议。我们的协议假定参与方可以自由地创建帐户、接收并付款， 而这些利权随时间推移而变化。我们利用一个非常简单的、安全的、多方实施的投票协议来达成首项选举过程中的随机性。

这能够防止所谓的研磨式攻击，将我们的方法和以前的其他解决方案区分开来（之前的方案要么定义此价值基于当下的区块链或使用集体掷币这种方式引入熵。此外， 我们方法的独特点在于， 系统忽略了一轮又一轮的利权修改。相反， 当前的利权人群被有间隔规律地记录下来，称为纪元；在每个这样间隔内，一个安全的多方计算会发生，利用区块链本身作为广播频道。具体地说， 在每个纪元中，一组随机选择的利权人组成一个委员会， 然后负责执行掷币协议。该协议的结果决定了下一纪元执行协议的下一个利权人的集合， 以及该纪元所有首项选举的结果。

第三， 我们提供了一套正式的论据， 证明没有任何对手能够打破持久性和活跃性。根据一些合情推理的假设， 我们的协议是安全的：

1. 网络高度同步；

2. 所选择的大多数利权人可根据需要参与每个纪元；

3. 利权在很长一段时间内不会一直处于离线状态；

4. 自适应性的损坏从属于一个小的延迟， 安全参数呈线性。或者， 参与者可以访问一个发件人匿名的广播频道。

第四， 我们将注意力转向该议定书的激励架构。我们提出了一个新的奖励机制，激励参与者加入到被我们证明为大概是一个纳什均衡的系统中。通过这种方式， 我们的设计减轻了例如区块扣押和私自挖矿这样的攻击。奖励机制背后的核心思想是为那些与协议行为一致的参与方提供积极的回报。通过这种方式， 我们可以证明，在合理的假设下， 某些协议执行成本是很小的， 当所有参与者都是理性的时候，忠实地遵循协议达成了一种平衡。

第五， 我们引入了一个股份委托机制， 可以无缝地添加到我们的区块链协议中。股份委托在我们的语境下特别有用， 因为我们希望我们的协议能够在一群利权者高度分散的环境中扩大规模。在这种情况下， 委托机制可以让利权人委派他们的“表决权”， 即参与每个纪元的首项选举协议的委员会的权利。

3 钛链的技术方案

3.1 总体架构

首先有两个独立的分布式网络：

区块链构成一个控制和业务网络，主要负责账本数据的维护，包括出块，转账和合约功能。

分布式存储的各个节点构成一个存储网络，主要负责存放实际数据，以及做权限控制，同时能同步区块数据。

3.2 主要流程

分布式存储的节点之间有简单的共识，就是接收区块链数据，根据链上数据来执行权限控制。因为数据是分块存储的，因此即使少部分节点不遵循共识，也无法访问到完整的数据。用户所有对文件的访问都需要在区块链上发起请求（具体就是调用合约，比如给合约充钱）。然后区块链会给用户的请求生成访问凭证，并记录在链上。用户拿到这个凭证之后，可以用自己的私钥进行签名，并带着这个凭证向数据节点发起请求。数据节点通过同步链上数据，可以验证这个凭证，同时通过前面可以验证这个请求属于对应的用户。然后会把数据发送给对应的用户。

3.3 智能合约

智能合约是链提供的扩展性功能，但是为了安全起见，并不会任意的注册合约。链上会提供一些合约模板，对于文件的上传，下载提供基本的管理功能。客户端必须通过合约来对文件进行访问。

整个生态完善之后，会有更多的需求，链上也可以提供更多的合约模板，这些功能都不需要改动底层的链，只需要注册新的合约。

虚拟机

链上智能合约使用图灵完备的语言开发。语法可以通过适配支持 Lua，C#语言等。虚拟机执行的结果在链上记录，无需所有节点都运行虚拟机，减少了整个区块链网络的负载。

合约

在类似以太坊这样的系统内，合约是可以任意注册并调用的。这对于扩展性和试验有很大的好处。但是在我们的存储系统内，我们支持任意的合约，但需要有一定的权限才能注册上链。一定程度上限制了合约的种类，但是对于整个网络的稳定，以及未来的发展方向上，是受控的。同时，对于未来发展需要新增的合约来说，它的扩展性和灵活性没有受到任何影响。

1 私有股权等级转让

应用区块链技术的加密股权、债券等证券化资产，有助于完善登记与流转服务，尤其是区块链构建的多中心体系，能够大幅地提升资产跨域流通效率，降低交易成本，使管理更安全、高效、可信、低成本、合规。目前，股权登记需要人工处理，股东名册维护繁琐、历史交易维护与跟踪十分困难。

传统股权交易，以双方信用为基础，需要建立双边授信后才可进行交易，信用风险由交易双方自行承担，而交易平台集中承担市场交易参与者的信用风险。唯一真实的数字凭证，适于股权债券等证券化资产的登记；跨域的多中心化信任，便于加密证券化资产的转让与交易；增强的信息披露记录，易于符合监管合法合规性要求。

钛链可应用于众筹平台、区域股权交易中心、区域金融资产交易中心、私募管理平台等。

2 资产的自由流通

相比于传统中心化系统，区块链应用于数字资产领域的优势在于：资产一旦在区块链上发行，后续流通环节可以不再依赖发行方系统，在流通中，资产由单中心控制变成社会化传播，任何有资源的渠道都可能成为资产流通的催化剂。因此，区块链能极大地提升数字资产流通效率，真正达到“多方发行、自由流通”。传统的资产服务，需要相应的中间商，如资产所有者证明、真实性公证等均需要第三方的介入才可以完成，只有通过资产发行方、资产接收方、流通平台的三方介入，资产才可以完成整个流通过程。在目前的三方模式中，存在以下几个痛点：

资产进入流通后，仍必须依赖资产发行方系统才能完成使用、转移，这就将资产流通范围限制在发行方系统用户群内；

传统的资产流通渠道有限，几乎都依赖于大渠道，行业大渠道由于垄断地位大幅增加费用，从而导致流通成本显著提高，小渠道及个人难以在流通环节发挥作用。

3 区块链云存储

云存储依赖于第三方大型存储商来传输和存储设备，如 360 云盘，百度云盘等。但是受限于非标准的客户端加密系统，非常容易受到各种安全威胁。基于数据中心的分散式存储可以有效改善这种状况，有效抵制审查，篡改和未经授权的访问。文件应该在客户端加密前进行分段，这样可以保护数据的内容，数据所有者保留对加密秘钥的完全控制，从而可以限制其他人对数据的访问。

数据所有者可以单独确定文件如何分片以及碎片在网络中的位置。如果没有事先了解碎片的位置，随着网络的扩散，找到任何给定的分片的难度是指数级增长的。这意味着该文件的安全性与网络大小的平方成比例。碎片尺寸作为可协商的合同参数。标准化大小劝阻侧线试图确定给定分片的内容，并且可以屏蔽通过网络的分片流。分割大型文件，如视频内容，系统会分发碎片节点以减少内容传递对所有节点产生的影响。云状存储系统中的所有设备对使用者而言都是完全透明的，任何地方的任何一个经过授权的使用者都可以通过一根接入线缆与云存储连接，对云存储进行数据访问。通过各种数据备份和容灾技术和措施可以保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。

CDN 的基本原理是广泛采用各种缓存服务器，将这些缓存服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中，在用户访问网站时，利用全局负载技术将用户的访问指向距离最近的工作正常的缓存服务器上，由缓存服务器直接响应用户请求。CDN 内容分发系统、数据加密技术保证云存储中的数据不会被未授权的用户所访问，同时，通过各种数据备份和容灾技术保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。钛链建立在一个分布式哈希表，这个分布式哈希表可以用来存储数据位置信息或其他信息。

4 智能存储

前面提到过，结合智能合约和分布式存储，我们可以做的事情很多很多。

首先是基本的分布式文件存储功能，传统的分布式存储要么需要中心化的公司来提供服务，要么就是像 p2p 网络那样免费使用。前者是一个强控制的系统，一旦中心化服务因故不再提供服务，那么所有的用户都会蒙受巨大的损失。后者则由于免费，很难激励参与者持续共享他的存储或文件。通过智能合约，可以给存储提供者/文件提供者代币的奖励。无论是提供存储，还是分享文件，都可以获得一定的收益，以此鼓励大家分享（包括存储空间和数据资源）。

有了基础的文件存储的保障，再利用智能合约，可以实现复杂的商业逻辑。比如用户可以把自己的遗嘱上链，定期向合约支付一定的费用，以保证合约内容不公开。一旦用户确实过世，则由于发起人无法再继续支付费用，合约内容可以被任何人访问。

用户可以把一些需要存证的文档上传到钛链，定期支付费用以保证内容一直有效。在需要的时候随时取出作为证据使用。

用户可以通过合约，指定一些文档在少部分用户之间分享。或者在一定的时间之后才能分享给其他用户。

用户可以发布一些求购合约，付费的方式购买一些自己需要的资料。而持有这些重要资料的人则可以选择自由交易。这也是一个简单的价值交易市场。

其他还有更多的想象空间。目前的区块链都是基于账本的分布式数据库，很难存放大量的数据。如某些做公证业务的链，也只是把源文件的 hash 存放在一个比较小的字段内，无法复原源文件。而区块链加上无限的存储空间，带来的组合效应，足以大大提升区块链的应用场景，加速区块链应用在各个行业的落地。