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人民网:运用交叉学科思维 推动高通量区块链技术发展

区块链是未来构建价值互联网的基石。然而,通量低成为制约区块链技术发展及其在关键行业应用的主要瓶颈之一。现有通量提升方案大都集中在完善算法和数据结构来提升通量,效果和提升空间有限。本文运用交叉学科思维,提出了三个未来值得重点关注的研究方向和技术路线,通过多学科交叉融合的方式发展高通量区块链技术,推动区块链技术的完善与落地。

区块链的通量之痛

区块链是一种以密码学为基础的点对点分布式账本技术,其首次从技术上解决了中心化信任模型带来的安全问题。区块链技术基于密码学算法保证价值的安全转移,基于哈希链及时间戳机制保证数据的可追溯、不可篡改,基于共识算法保证节点间数据的一致性。
区块链以其去中心化、公开透明等特性使得人们可以在互联网上方便快捷、低成本地进行价值交换,是实现价值互联网的基石。

区块链技术自2008年比特币提出以来获得了快速应用。最初,区块链技术主要应用于数字货币领域,多种类型的数字货币被相继提出,例如:莱特币、点点币等。

2015年后,区块链技术逐渐渗透至金融服务、社会管理等诸多领域,催生了广阔的应用前景。图1展示了近年来与区块链技术相结合的一系列领域。

区块链应用领域

然而,虽然区块链技术已应用到诸多领域,但是其主要局限在存证、清算等低频交易场景中,面对实时支付、物联网等高频交易场景,区块链通量严重不足,无法满足现实需求,这也限制了其应用领域的进一步扩展。

目前,比特币每秒只能处理7笔交易,以太坊平均每秒只能处理15笔交易。与之形成鲜明对比的是,现阶段支付宝平均每秒处理交易5000笔,峰值时达到了25万笔;微信支付平均每秒处理交易7000笔,峰值时达到了76万笔;大型物联网系统的数据吞吐量也要求至少支持每秒数千笔交易。

由此可见,现有区块链系统的通量实测结果与重要领域高频交易场景的通量实际需求至少相差了几个数量级,低通量已成为制约区块链技术发展和其在关键行业应用落地的重要障碍之一。

因此,研究与发展高通量区块链技术,提升区块链系统通量水平,对于推进区块链技术的核心行业应用具有重要意义。

国内外研究现状

国内外现有区块链通量提升的相关研究工作,大多从共识机制、链上扩容、支付通道、区块链并行化(分片)等几个方面展开。

共识机制

共识机制用于确保各节点维护相同内容和顺序的交易记录,是区块链系统的核心构件。不同共识机制会对区块链通量产生很大影响。
中本聪为比特币设计了工作量证明共识[1](Proof of Work, PoW)。在该共识中,各节点通过求解数学难题争夺记账权,最先计算出答案的节点将其记录的交易集合(即“区块”)发送至其他节点,其他节点把收到的区块添加到自身维护的区块链上。
工作量证明共识是比特币的关键技术之一,在保证其去中心化、维护自身安全性等方面发挥着重要作用。然而,在其共识过程中,区块生成频率不宜过快,否则将导致交易记录的暂时不一致,即所谓“分叉”(fork),进而诱发一系列安全问题,这就导致了比特币区块链系统的通量严重不足。此外,工作量证明共识还面临电力资源浪费等一系列问题。
在传统方案的基础上,近年来,国内外学者提出了一系列的改进措施。康纳尔大学的研究人员提出了Bitcoin-NG[2]共识机制。Bitcoin-NG通过前述工作量证明机制选举出“主节点”,在下一个主节点被选举出之前,仅由当前主节点以较快频率生成记账区块。
与比特币相比,Bitcoin-NG可以在单位时间内将更多交易写入区块链,但是某个节点在成为主节点后,可能存在遭受攻击的隐患。以太坊创始人Vitalik试图在区块链系统中引入权益证明共识[3](Proof of Stake, PoS)。在这一共识中,各参与方以自身持有的股权为依据,获得区块链系统记账权。
然而,权益证明共识会导致记账权偏向于股权持有量高的参与方,牺牲了区块链系统的去中心化特性。
还有部分区块链系统(多见于联盟链)引入了传统分布式系统中采用的PBFT共识[4](PracticalByzantine Fault Tolerance),但该共识将系统的容错强度从原有的50%降低至33%,削弱了区块链系统的健壮性。此外PBFT共识因为引入了投票机制在节点数量众多的时候共识效率受限。
事实上,在区块链系统优化方面存在所谓的“不可能三角”,即任何一种区块链共识机制,均无法同时满足性能(可扩展性)、安全性和去中心化三项相互制约的需求。从共识层面进行通量优化,不可避免地会遭遇这个“三难困境”,在提升通量的同时会以牺牲安全性、去中心化程度为代价。

链上扩容

链上扩容通过更改区块链结构,使每个区块能尽可能多地容纳交易。通过这种方式,每当在区块链上添加一个区块,就会有更多交易写入区块链,进而实现通量的提升。链上扩容的方法可分为两类:
(1)在保持交易大小不变的情况下提升区块大小,以比特币现金为代表,2017年底,比特币业界产生了一次著名的分裂,诞生了“比特币现金(Bitcoin Cash)”[5]这一数字货币。
比特币现金的重要特性是,区块的大小能够动态调整,最大可达比特币的8倍。因而,比特币现金的各区块能够容纳更多交易,从而在一定程度上提升了通量。但是,如果不加限制地增加区块大小,可能影响区块在全网的传播效率,增大分叉的可能性,进而影响系统的安全性。
(2)在保证区块大小不变的情况下降低其所包含的交易大小,以隔离见证为代表。
隔离见证[6](Segregated Witness, Segwit)最早是为解决比特币“交易延展性”问题而提出,但其在客观上也提升了区块中的交易数。隔离见证将交易发起者签名信息从交易中取出,置于专设的“见证(witness)”字段中。
在统计区块中交易规模时,并不将该字段计算在内。通过这种方式,隔离见证可视作缩减了交易大小。但是,由于交易中必须包含收发方、转账金额等最基本信息,交易不可能进行无限度地压缩,因而,Segwit等压缩交易的方法对通量的提升作用十分有限。

支付通道

以支付通道为代表的二层方案(L2方案)选择绕开较为低效的区块链系统,从链外开辟资产流动的渠道,而仅把区块链作为最终的清结算工具。目前较为典型的支付通道包括闪电网络[7](Lightning Network)和雷电网络[8](Raiden Network)等。
虽然链外通道实现了通量的大幅度提升,但是本质上这些二层方案并没有提升区块链本身的通量水平,大多数交易均在链外发生,资产的流动情况并未在区块链上留下记录,也就牺牲了区块链的透明、可验证、可追溯等优良特性。同时,随着时间推移,支付通道网络也存在着通道阻塞、路由选择“中心化”等问题。

区块链分片

以分片为代表的区块链并行化技术是近年来新兴的通量提升方案。这一类方案将原有的区块链系统拆分为多条子链(即“分片”),每个节点仅维护特定分片,并验证该分片内部的交易。通过这种方式,每笔交易仅由一部分节点处理,各分片间实现了交易处理的并行化,进而实现了通量的提升。
由学术界在2016年提出的ELASTICO[9]协议是对区块链分片的最早探索。该协议的基本思想是,各节点通过类似工作量证明的方式,将区块链网络随机划分为多个分片,每个分片独立处理映射至自身内部的交易。在每轮共识结束前,对所有分片的共识结果进行汇总,并生成相应区块。
另一种被广泛认识的分片技术是以太坊的Sharding[10],其属于以太坊2.0的重要研究内容。Sharding的基本思想是在保证安全性的前提下将区块链在网络层面和数据存储层面拆分成多个子区块链,各子区块链并行处理交易并生成区块。
此外,Sharding的分片链都锚定在主链之上,分片链借助主链进行更高层次的共识,主链约束并管理分片链,同时协助分片链完成跨分片通信。
目前,区块链分片处于早期的发展阶段,仍面临诸多亟待解决的问题。例如,如何验证跨片交易的有效性、如何保证分片方法的安全性,以及如何权衡跨片交易的成本与并行化收益等。

小结

通过对已有工作的分析可以发现,当前工作主要针对区块链系统区块产生、交易打包等相关过程进行了不同程度的优化,这些上层算法和数据结构层面的优化,对于性能提升的效果相对有限,区块链分片仍处于初步设计实现阶段,有很多问题等待解决。实验表明,即使是在理想的实验室环境下,目前的优化方案也均存在很多不足,无法在通量水平上产生几个数量级的飞跃。

用交叉学科的思想发展高通量区块链

为了大幅提升区块链系统的通量水平以满足现实生活中高频交易的实际需求,推动区块链在金融等、物联网等核心领域的应用落地,我们提出通过多学科交叉融合的方式发展高通量区块链技术,为此提出三个未来值得重点关注的研究方向和技术路线:

高通量区块链研究方向
观点一:从区块链底层架构进行优化,包括系统软件架构和硬件架构,研究软硬件交叉融合、一体化的解决方案。
计算机科学几十年的发展历程表明,仅从协议、算法和数据结构层面进行性能优化,其提升空间有限,要想实现数量级程度的性能提升必须从更底层的基础架构入手。
我们认为区块链基础架构层面的优化需要软硬件两个维度的交叉融合。在软件维度上,可以通过改变区块链系统的组成结构(链上/链下),进而改变参与方的通信与数据处理方式,实现交易处理的高效化、并行化。在硬件维度上,则通过专用电路,加快链上节点的运算速度,并引入可编程性,支持区块链软件系统的创新与演进。
需要强调的是,从区块链底层架构层面进行优化与现有工作从上层算法、协议层面进行优化,二者本质上是正交的,互不影响,其优化效果可以叠加,即在新型的区块链架构上仍然可以使用Bitcoin-NG等最新的算法和协议。
观点二:在区块链系统中引入“智能”,即将人工智能技术与区块链技术相结合是提升区块链通量的潜在突破方向。
当前的区块链系统智能化水平非常有限,所谓区块链上的智能合约也只是程序化控制的、符合条件强制执行的合约,主要强调程序的“自动化”运行,并不具备自适应的“智能”学习能力。实际上,智能合约英文名称是“Smart Contract”,并非传统意义上的智能“Intelligence”。
然而,将“Intelligence”引入区块链系统设计,对于提升区块链系统的通量水平和安全性是非常有意义和必要的。区块链的通量受限于动态的网络状况、复杂的用户行为和杂乱的交易关联,而网络、用户和交易的行为特征可以通过人工智能技术进行有效学习和训练,基于链上数据训练出的模型对于优化区块链底层架构、通信协议和共识算法等都具有非常重要的意义。
另一方面,随着高通量区块链技术的发展,链上的交易数据量急速增加,这使得异常行为检测变得更加困难,而人工智能无监督学习、跨模态感知等技术的应用也对保障高通量区块链系统的安全性具有关键的作用。
观点三:在研究高通量区块链底层架构和信息通信技术的同时,也必须研究与之相适应的新型应用模式和法律政策。
高通量区块链的发展是对区块链技术的一次重大升级,它极大地拓展了区块链平台交易的主体数目和交易空间,将改变很多行业特别是传统金融行业的商业模式,这同时意味着高通量区块链对这些关键领域的监管框架和监管政策也提出了新的需求。
高通量区块链的出现将在轻资产化、智能化、去中心化等方面产生巨大的推动力,会极大地改变商业模式乃至社会生产的组织方式。由于区块链技术与金融行业的适应性,高通量区块链技术的变革对传统金融行业的冲击尤为明显。
针对高通量区块链给金融领域带来的巨大冲击,在金融学的框架下研究高通量区块链的应用场景,可以将这种冲击化解为对传统金融领域的优化,同时还可以完善高通量区块链的应用模型,拓宽高通量区块链的应用范围。
此外,高通量区块链必然会在多个领域带来新的场景、新的服务以及新的应用,这些新场景、服务和应用由于缺乏相关的监管机制和法律法规,其落地应用往往受到一定限制。因此,需要将高通量区块链与法律研究相结合,研究相关监管框架,平衡高通量技术发展与监管之间的关系,促进高通量区块链应用、服务的发展。

技术路线

从基础软硬件架构层面研究高通量区块链技术,以区块链并行化架构为基础,加以芯片计算内核的优化,充分发挥软、硬件的优势,使区块链系统的通量水平提升几个数量级,以满足高频交易的业务需求。

区块链系统架构并行化

在传统区块链系统中,每个节点需要维护全部区块链账本的副本,串行地处理系统中的每笔交易。
区块链并行化架构将原有的区块链系统拆分为多个分片,每个节点仅维护特定分片,验证特定分片内部的交易。通过这种方式,每笔交易仅由一部分节点处理,各分片之间实现了交易处理的并行化,进而实现了通量的大幅提升。区块链系统并行化结构如图3所示:

区块链系统并行化架构

然而,将单一区块链系统划分成多个分片后,当交易发起方和接收方不在同一分片时,区块链系统需要在不同分片间转发交易,这将带来显著的开销。已有研究工作提出了区块链并行化划分的理论最优模型,从理论上证明了适度的并行化会带来性能的提升,而过度并行化会把性能瓶颈转移到跨片交易的处理上性能不升反降。基于该理论模型,进一步研究优化的分片机理、高效的跨链通信架构等,对于提升区块链系统通量具有重要意义。
区块链并行化架构的提出还有利于推行区块链(子)系统的异构化,将原本功能和结构单一的区块链升级为异构的多链(分片)系统,以适应不同业务的需求,拓宽高通量区块链的应用场景。
子系统(分片)的异构化包括多个方面,例如:根据具体的应用场景为不同的分片选择适宜的共识算法、设计不同的加密机制等。但是,在进行子系统异构化时,除了保证对应用场景的适应性外,还需要避免子系统规模变小带来的安全性问题。
对于此问题,可以通过为每个子系统随机分配验证节点的方式,避免作弊和攻击行为的发生,随机算法的种子从链上信息获得,从而保证随机性结果是公开可验证的。同时,为了确保分片在抵御攻击和失败时具备弹性,应该定期重新进行子系统划分。

以推动高通量区块链的落地应用为目标,研究高通量区块链落地应用的监管环境及监管模式,进行区块链应用的合规性监管;探索基于高通量区块链的应用模型及新型金融服务和产品。

高通量区块链监管沙盒

高通量区块链的发展、完善、落地应用离不开相关法律法规的完善,也离不开相应的监管与风险控制。这是因为,高通量对区块链的升级会促进很多领域的变革,并引发潜在的风险,例如:在金融领域,更快的交易处理速度将带来监管机构的不可控风险。但是,一味的限制将阻碍甚至阻拦高通量区块链技术的发展和应用。
因此,在平衡高通量区块链的发展与监管关系方面,如何设计一个监管框架使得高通量区块链能够得到最大限度的发展,是极其重要的问题。
采取包容的态度,在较为宽松的监管框架下鼓励创新,并采取相应的监管模式进行管理是一种可行的促进高通量区块链落地与发展的方式。从“监管沙盒”(Regulatory Sandbox)的角度切入,根据各地的政策以及发展规划,探索并制定相应鼓励创新的监管框架。使用“监管沙盒”可以为高通量区块链提供一个“试验区”,保证较为宽松的约束与管制,给予高通量区块链应用落地最大程度的环境支持。
同时,使用“监管沙盒”还能为高通量区块链提供充足的试错空间,且将风险置于可控范围之内,以此保障消费者的合法利益,避免系统性风险的发生。
在“监管沙盒”内,充分利用技术监管措施,为高通量区块链技术发展与应用提供有力保障。如前文所述,利用人工智能技术解决高通量区块链异常账户行为识别以及用户真实身份感知,从而实现对经济犯罪行为的打击。

高通量区块链应用模型及新型金融服务

高通量区块链的出现,必将对现有的社会生产组织方式产生巨大的冲击,这种冲击对于受区块链技术影响最深远的金融行业而言既是机遇又是挑战。高通量区块链的发展会全面提升原有区块链的交易处理能力,这使得区块链技术能够运用到金融体系中更广泛、更核心的领域,推动金融产品和服务的创新。
凭借其“自激励”和“自组织”特性,高通量区块链一方面克服了传统金融体系的代理成本和信息成本,从而降低了金融服务的成本并提升其效率;另一方面,也将加速金融体系的去中介化过程,这将对既有金融体系产生冲击。如果未做好充分准备,这一变革很可能带来一定负面效应。
面对潜在的挑战,建立高通量区块链的应用模型,并借助这一模型设计新型金融服务与产品。
收集整理金融行业应用区块链提升效率的实例,对比使用高通量区块链前后,金融服务模式的变化,以及相关金融产品交易数目、交易成本、交易效率等变化,研究高通量区块链带来的变革,预测高通量区块链的出现对金融产品和服务创新的方向以及金融体系的风险可能带来的影响,并针对新型金融产品和服务以及系统性风险来源,完善高通量区块链应用模型设计,探索可行的新型金融服务模式。
同时,结合金融等核心领域的需求、风险来源、应用模型等内容进行底层架构的研究与开发,从而为高通量区块链的架构完善和技术升级提供关键性决策依据。与此同时,在“监管沙盒”中开展新型金融服务与产品的试点,可以有效缩短高通量区块链技术与传统金融服务深度融合的磨合期。

技术应用前景

区块链技术近几年发展迅速,截至2018年2月,全球区块链项目合计1286个,其类型涵盖了信息通信、共享经济、医疗健康、社会管理等诸多方面,呈现出广泛的应用前景。区块链技术在广泛应用的同时其经济效益也将得到飞速提升,例如,全球市场研究机构Research and Markets的数据显示,电信业中区块链技术的产值将从2018年的4660万美元,爆涨至2023年的9.938亿美元。
在产业界不断发掘区块链潜力的同时,国家也在积极进行推动区块链技术的发展,国务院在《“十三五”国家信息化规划》中将区块链技术列为驱动国家网络空间升级的信息领域重点技术之一,习近平总书记也在2018年的两院院士大会讲话中指出以区块链技术为代表之一的新一代信息技术需要加速突破应用。
然而,当前区块链系统通量很低,只适用于低频交易场景而不能支撑大规模高频交易的应用,这就限制了区块链技术在金融、物联网等核心行业进行大规模的应用落地。
通过优化区块链底层软硬件基础架构并为区块链系统引入“智能”,实现区块链系统吞吐量几个数量级的提升,从而满足高频交易场景的需求,拓宽区块链的落地应用范围。高通量区块链的应用将为依赖机器与算法的“价值互联网”的实现打下坚实的基础,促进价值的自由流通和全球资源的合理分配,其带来的间接经济效益将远超人们对区块链价值的估计。
例如:在金融市场关键基础设施领域中,区块链技术的出现为征信业提供了新的发展机会,分布式存储的方式强化了数据的安全性,而高通量区块链的应用将进一步提升信息采集、信息处理的速度,尤其是在与大数据结合方面,弥补其数据的真实性、准确性不足的问题,从而助力征信业的行业升级。
此外,在金融市场重点领域中,高通量区块链可以在非中心化系统中实现一对一的证券交易,从而推动建立无中心机构背书的金融市场,实现“金融脱媒”。
开展高通量区块链与法律、金融的融合研究,将构建支持高通量区块链发展的监管框架,防范高通量区块链潜在的法律风险,缓解其对现有商业模式、金融体系的冲击,从而显著提升高通量区块链的可用性。与此同时,高通量区块链将推动不同主权体和不同社会阶层构建基于规则共识、行为共治和价值共享的信息文明新秩序,进而形成在互联网社会共同遵循的行为准则和价值规范,促进最终实现“秩序互联网”。

参考文献

[1]Nakamoto S, Bitcoin: APeer-to-Peer Electronic Cash System, 
https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
[2]Eyal I, Gencer A E,Sirer E G, et. al., Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol, NSDI2016, Santa Clara, CA, USA, Mar16-18, 2016.
[3]King S, Nadal S,Peercoin.
https://peercoin.net/whitepaper.
[4]Castro M, Liskov B,Practical Byzantine Fault Tolerance, OSDI1999,New Orleans, LA, USA, February 22-25, 1999.
[5]Bitcoin Cash.
https://www.bitcoincash.org/
[6]Segwit.
https://github.com/bitcoin/bips/blob/master/bip-0141.mediawiki
[7]Poon J, Dryja T., TheBitcoin Lightning Network:Scalable Off-Chain InstantPayments
https://lightning.network/lightning-network-paper.pdf
[8]Raiden Network.https://raiden.network/
[9]Luu L, Narayanan V,Zheng C, et al.,A Secure Sharding Protocol for Open Blockchains, ACMCCS2016, Vienna, Austria, Oct 24-28,2016.
[10]James R, ShardingFAQs, 
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-FAQs
[11]Bitshares,"Delegated Proof of Stake", 
http://docs.bitshares.org/bitshares/dpos.html
[12]Micali S. ALGORAND:The Efficient and Democratic Ledger. 2016.
作者孙毅,中国科学院计算技术研究所研究员、区块链联合实验室主任


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