探索私有以太坊

目录

1. 私有以太坊的背景和类型

1.1 私有以太坊的背景

1.2 私有以太坊的类型

1.2.1 Hyperledger Besu

1.2.2 Consensys Quorum

2. 私有以太坊与以太坊的区别

2.1 共识算法

2.2 权限控制

2.3 私有交易（Tessera）

2.4 实现私有以太坊

3. 结论
4. 参考文献

1. 私有以太坊的背景和类型

1–1. 私有以太坊的背景

最近，越来越多的企业开始利用区块链作为基础设施提供服务。在构建区块链网络时，这些企业主要面临的一个问题是决定使用哪个主网作为其基础设施。目前，54% 的开发者正在以太坊区块链上开展区块链项目，使其成为最广泛使用的区块链之一。然而，交易速度慢和区块数据公开的特性使得企业的使用变得困难。

图 1. 区块链三难困境

这导致了企业导向的以太坊的创建，保留了以太坊的技术特性，但由特定授权的组织或团体控制的节点管理。由于节点和区块数据不被公开，这种方法放弃了区块链三难困境中的去中心化，但使企业能够由于更快的交易处理实现更高的安全性和可扩展性。

在本文中，我们将检查基于开源以太坊构建的企业网络的区块链项目，并探讨每个项目的特性及其与以太坊的区别。

1–2. 私有以太坊的类型

以太坊客户端是指能够连接到以太坊网络以创建和发送交易、执行智能合约等任务的软件。

图 2. 截至 2024 年 4 月，以太坊共识客户端和执行客户端的状态（来源: clientdiversity）

在这些客户端中，geth 是望用于利用以太坊功能的最常用客户端。除了图 2 中列出的公共客户端外，还有像 Hyperledger Besu 和 GoQuorum 这样的私有执行客户端，设计上仅允许有限数量的参与者。本文将探讨被称为私有以太坊的 Hyperledger Besu 和 Quorum，并检查它们与公共以太坊的不同之处。

表 1. 以太坊客户端比较

Hyperledger Besu

Hyperledger Besu 是 Linux 基金会的 Hyperledger 项目 下的一个区块链项目。它支持以太坊虚拟机 (EVM) 的实现，并且是一个开源项目。它由 Consensys 的 Pegasys 工程团队于 2018 年作为 Pantheon 项目开始，2019 年时 转移到 Hyperledger 并继续开发。与用 Go 开发的 geth 不同，Hyperledger Besu 使用 Java 开发为其自己的以太坊客户端。

Hyperledger Besu 提供私有网络和公有网络两种模式，可以形成自己的网络，并且可以与以太坊进行互操作。

图 3. Besu 私有网络配置（来源: Besu Docs）

图 4. Besu 公共网络配置（来源: Besu Docs）

私有网络可以形成一个独立于以太坊主网或测试网的网络，并且具有在保持交易隐私的同时处理参与者之间交易的能力。

在 Besu 的公共网络中，它能够与以太坊主网进行互联，并作为以太坊的执行客户端。在 以太坊合并升级 之后，以太坊客户端可以分为“共识客户端”和“执行客户端”，而 Hyperledger Besu 也作为执行客户端与公共以太坊节点配合使用。

因此，在图 4中所示的 Besu 公共网络示意图中，共识部分位于 Besu 核心之外，主要使用 Consensys 的 Teku 作为共识客户端。通过参考 linked 资源可以实现将 Besu 和 Teku 连接到以太坊主网以便操作。

在图 3 所示的私有网络示意图中，使用 QBFT、IBFT2.0 和 Clique 等共识算法。私有区块链通过企业或组织之间的共识使用，从而显著减少网络内恶意攻击的可能性。因此，共识过程的要求比以太坊的要求宽松，使用诸如 QBFT 和 IBFT 等简单高效的共识机制。关于具体共识算法的详细信息将在下面的第 2 章中介绍。

Consensys Quorum

Quorum 是 J.P. Morgan 于 2016 年创建的一个私有以太坊项目，并于 2020 年 8 月 被 Consensys 收购。在收购前，J.P. Morgan 和 Consensys 曾在创建企业以太坊联盟 (EEA) 和开发 Hyperledger Besu 上合作，而收购使 Quorum 与 Consensys 的其他 web3 产品具有互操作性。

Quorum 是通过分叉公共以太坊客户端 geth (go-ethereum) 开发的，由于 Hyperledger Besu 也是以太坊客户端的 Java 版本，因此两者之间的功能差异并不显著。Hyperledger Besu 最初由 Consensys 开发，而 Quorum 也是在 Consensys 与 J.P. Morgan 的合作下开发的，因此两个项目紧密合作，正在开发的功能是共享的。

下面是一个表格，说明 Hyperledger Besu 和 Quorum 之间的差异。最显著的区别是，Besu 可以配置为与公共以太坊网络互操作，而 Quorum 只能私用。

表 2. Hyperledger Besu 和 Quorum 比较（来源: Visa Crypto Blog）

这两个项目的一个共同特征是它们遵循企业以太坊联盟 (EEA) 的规范。EEA 是一个支持企业使用以太坊技术进行业务应用的组织，通过提供标准规范来帮助企业更轻松和安全地使用以太坊区块链。接下来，我们将探讨私有以太坊有何规范以及它与以太坊的不同。

2. 私有以太坊与以太坊的区别

2–1. 共识算法

共识算法是在区块链中确保参与节点达成一致的最关键因素。它使区块链网络中的参与者能够就新区块或交易的有效性达成一致，从而确保所有参与者之间的一致性和可靠性。

在私有以太坊中，由于仅有验证过或受信任的公司和组织的批准参与者进行通信，网络内恶意活动的可能性降低。因此，通常选择 PBFT（实用拜占庭容错）家族的共识算法，这些算法在节点数较少的情况下提供高吞吐量和低时延。Hyperledger Besu 和 Quorum 中可用的共识算法包括：

• QBFT（Quorum Byzantine Fault Tolerance）：由 Consensys 和 J.P. Morgan 合作开发的共识算法，是现有 IBFT 算法的扩展，提供适合商业用例的增强特性。
• IBFT（伊斯坦布尔拜占庭容错）：IBFT 解决了在传统区块链中应用 PBFT 时遇到的几个问题，确保交易的最终性。
• CliquePoA：go-ethereum 中包含的默认权威证明 (PoA) 共识算法。
• 基于 Raft 的共识：快速区块时间、交易最终性和需求驱动的区块创建的共识算法。

私有以太坊保留了以太坊的概念，但由于网络由有限节点组成，因此在交易速度上有优势。主要区别在于，不同于以太坊需要考虑交易顺序的天然费用概念，私有以太坊中仅有限数量的节点创建区块，因此不需要思考交易的排序。

虽然在以太坊中提出了各种技术方法来解决 MEV（最大可提取价值）问题，但在私有以太坊中，由于在节点参与者的共识下无需设置天然费用，因此以太坊面临的挑战并不存在。

2–2. 权限控制

接下来，私有以太坊的一个特性是它仅允许有限数量的参与者获得权限。在 Besu 和 Quorum 中，有两种限制权限的方法：限制节点权限和限制账户权限。

1. 节点权限控制

图 5. 节点权限控制图（来源: Besu Docs）

在 Besu 中，节点权限控制仅允许授权节点参与网络。为了实现这一点，Besu 在配置文件中定义了一份允许的节点列表，只有在列表中的节点可以参与网络。这可以通过在配置文件中使用选项 — permissions-nodes-config-file-enabled 和 — permissions-nodes-config-file=<file path> 来激活。

2. 账户权限控制

图 6. 账户权限控制图（来源: Besu Docs）

同样，可以限制特定账户是否可以发送交易或创建合约。可以使用账户权限列表来管理可以发送交易的账户地址。与节点权限控制类似，这可以通过在配置文件中使用选项 — permissions-accounts-config-file-enabled 和 — permissions-accounts-config-file=<file path> 来开启。

节点权限和账户权限都可以通过参与者的共识进行控制，当两个或多个机构建立网络时，事先达成协议以确保跨所有节点均匀应用十分重要。除了配置文件，区块链网络的访问权限也可以通过智能合约进行控制或管理，因此不强制要求通过配置文件中的选项进行控制。

2–3. 私有交易（Tessera）

最后，像 Besu 和 Quorum 这样的私有以太坊平台可以使用 Tessera 来加密交易数据。Tessera 是由 Consensys 为 Quorum 和 Besu 提供的隐私管理工具，负责处理在区块链网络上创建、传输和存储私有交易。与公共以太坊不同，在公共以太坊中，网络中的所有参与者都可以看到数据，而 Tessera 使用 PKI（公钥基础设施）来加密交易数据，并使用接收者的公钥再次加密以安全地传输交易。

加密的交易数据存储在 Tessera 节点中，每个 Tessera 节点仅存储其用户参与的私有交易的数据。

图 7. Quorum 节点与 Tessera 节点之间隐私交易处理的过程（来源: Tessera Docs）

图 7 展示了在 Quorum 网络中使用 Tessera 处理加密私有交易的过程。此过程涉及参与者 A（发送者）、参与者 B（接收者）和参与者 C（未参与交易的节点），从他们的角度按照以下步骤进行。

1. 参与者 A（发送者）：

- A 通过 DApp（去中心化应用）生成私有交易 A 并将其发送到 Quorum 节点 A。

2. Quorum 节点 A：

- 接收交易 A，加密其内容，并将其发送到 Tessera 节点 A。

- 计算交易 A 的哈希并将其作为一般交易 B 广播到 Quorum 网络。

3. Tessera 节点 A：

- 接收私有交易 A 并将其存储。

- 发送确认信号回 Quorum 节点 A，确认已收到私有交易 A。

4. 参与者 B（接收者）：

- Quorum 节点 B 接收一般交易 B，并使用私有交易 A 的哈希向 Tessera 节点 B 请求数据。

5. Tessera 节点 B：

- 使用私有交易 A 的哈希来检索交易。

- 将检索到的交易发送给 Quorum 节点 B。

6. Quorum 节点 B：

- 准备执行交易 A，并开始呼叫“隐私预编译”及所需数据。

7. 隐私预编译：由参与者 B 调用，这是一个执行私有交易 A 的智能合约。
8. 结果返回：执行私有交易 A 的结果返回给参与者 B。

在上述过程中，参与者 C 收到了一般交易 B，但由于 Tessera 节点 C 不拥有隐私交易 A 的数据，因此无法查询相关隐私数据。

通过这种方式，Tessera 可用于隐私至关重要的各种领域，如个人信息、医疗数据、财务信息和供应链管理。它在特定节点或公司之间安全共享和处理重要数据方面非常有效。

2–4. 构建私有以太坊

由于私有以太坊是基于以太坊开源代码的项目，因此其大部分功能都基于以太坊。即使是 ConsenSys 和 J.P. Morgan 以外的公司，也可以利用公开的 go-ethereum 源代码在本地 PC 上创建私有区块链网络。

创世文件由参与区块链网络的所有节点记录，并可以定义区块链网络的初始配置和设置。让我们看看私有区块链如何通过 Hyperledger Besu 提供的创世文件来管理共识算法和访问控制。

{
  "config": {
    "chainId": 2018,
    "berlinBlock": 0,
    "ibft2": {
      "blockperiodseconds": 2,
      "epochlength": 30000,
      "requesttimeoutseconds": 4
    }
  },
  "nonce": "0x0",
  "timestamp": "0x58ee40ba",
  "extraData": "0xf83ea00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000d5949811ebc35d7b06b3fa8dc5809a1f9c52751e1deb808400000000c0",
  "gasLimit": "0x1fffffffffffff",
  "difficulty": "0x1",
  "mixHash": "0x63746963616c2062797a616e74696e65206661756c7420746f6c6572616e6365",
  "coinbase": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
  "alloc": {
    "9811ebc35d7b06b3fa8dc5809a1f9c52751e1deb": {
      "balance": "0xad78ebc5ac6200000"
    }
  }
}

上面的文件是定义 Besu 网络初始配置的 创世文件 的示例。

• chainId：网络的唯一标识符
• ibft2：包含 IBFT2.0 共识算法的设置
• alloc：为特定地址分配初始余额

在上面提到的 alloc 设置中，主要放置组成网络的节点的公钥信息，以为节点分配初始余额。如前所述，在企业以太坊中，只有获批准的用户参与到区块链网络中，因此天然费用通常是多余的，但由于使用了以太坊的开源，因此创世文件中保留了这一概念。

因此，通过查看 Hyperledger Besu 的创世文件，可以了解正在配置的网络的共识算法和节点信息。然而，由于节点是内部管理而非外部管理，私有网络的配置文件信息只能在内部进行验证。

结论

通过本文，我们探讨了私有以太坊的背景、各种类型及其构建示例。私有以太坊在现代商业环境中发挥着至关重要的作用，而企业和组织需要安全性、效率和定制化的区块链解决方案。特别是私有以太坊可以确保数据的透明性和不可篡改性，同时确保必要的隐私。

尽管构建私有以太坊看起来复杂，但如果正确构建，可以显著提高企业运营的效率并提供新创新的机会。因此，其应用范围和影响预计将在未来进一步扩大。

参考文献

https://usa.visa.com/solutions/crypto/enterprise-blockchain.html

https://blog.web3labs.com/a-comparison-of-ethereum-clients

https://blog.web3labs.com/web3development/comparing-byzantine-fault-tolerance-consensus-algorithms

https://www.hyperledger.org/blog/why-hyperledger-besu-is-a-top-choice-for-financial-use-cases

• 原文链接： medium.com/@chaisomsri96...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～