區塊鏈技術發展及應用:現狀與挑戰


區塊鏈是一種把區塊以鏈的方式組合在一起的資料結構,每一個區塊透過雜湊的方式與上一個區 塊相連,實現了可追溯;同時,用密碼學保證了數 據的不可篡改和不可偽造。每一個區塊的生成,都 是參與者對整個系統交易記錄的事件順序和當前狀態建立的共識。每一個參與者都可以參與資料的記 錄、儲存,都可以擁有整個區塊鏈資料的備份,從 而在沒有中央控制節點的情況下,使用分散式集體 運作的方法,構建了一個分散式對等網路。因此, 區塊鏈技術具有去中心化、分散式、去信任、資料 不可篡改、可追溯等諸多優點。

區塊鏈技術起源於化名為“中本聰(satoshinakamoto)”的學者在 2008 年發表的奠基性論文 《比特幣:一種點對點電子現金系統》。作為位元 幣的底層實現技術,區塊鏈是一種分散式賬本技術 (dlt),由於其具有分散式、去信任、不可篡改等 優點,該技術被認為是構建未來“信任網際網路”“價 值網際網路”的支撐性技術,已成為全球創新領域最 受關注的話題,受到投資界、學術界、工業界及政 府部門的熱烈追捧。雖然各國政府對比特幣和各種 虛擬幣的態度各不相同,但對區塊鏈技術大多持積 極的態度。

近年來,聯合國、國際貨幣基金組織等機構 以及多個發達國家先後釋出了有關區塊鏈的系列報 告,探索區塊鏈技術及其應用。當前,區塊鏈技術 的應用領域已經超越了金融領域,並逐步在供應鏈、 徵信、身份認證、公益慈善、物聯網等領域展開實 踐。創業公司如雨後春筍般湧現,烏鎮智庫 2017 年 釋出的《區塊鏈產業發展白皮書》指出,自 2012 年 以來,全球區塊鏈企業數量以超過 65.2 % 的複合增 長率快速增長。一種樂觀的預測認為,到 2025 年 之前,全球 gdp 總量的 10 % 將利用區塊鏈技術儲 存。據數字市場漫記(dmr)估計,到 2024 年, 區塊鏈產業規模有望達到 200 億美元。

國 內 外 行 業 應 用 現 狀

作為網際網路技術的發源地,美國在區塊鏈技術 和應用上投入巨大。2017 年,美國至少有 8 個州提 出和研究了提升區塊鏈技術應用的法案。2018 年 2 月,美國眾議院連續兩次召開區塊鏈聽證會, 探討區塊鏈技術的新應用。美國國務院強調通 過區塊鏈技術提高透明度,可以解決腐敗、欺詐 或挪用公共採購資金的問題。美國財政部正在進 行試點計劃,以確定區塊鏈技術是否可以用於供 應鏈管理,還採取了措施來改善針對基於區塊鏈 加密貨幣的“反洗錢 / 打擊恐怖主義融資(aml/ cft)”的相關法律,並與金融機構形成公私合 作關係(ppps)以共享資訊。佛蒙特州的南柏林頓市將試用區塊鏈技術,記錄房產交易。加利福 尼亞州立法者已經提交了一項法案,如果能夠順 利透過,那麼該州的電子記錄法律將會認可區塊 鏈簽名和智慧合約。紐約州電力公司 transactive grid 提出了基於區塊鏈的 p2p 分散式微電網路的 新能源概念,透過區塊鏈建立微電網網路,提高畫質潔能源利用率,在區塊鏈上記錄剩餘的電量並通 過智慧合約賣給鄰居使用者。

2016 年 1 月,英國政府釋出了一份名為《分佈 式賬本技術:超越區塊鏈》的報告。報告指出,區 塊鏈技術在改變公共和私人服務領域都有著巨大的 潛力。除了建立一個基於區塊鏈的公共平臺為全民 和社會提供服務,英國政府還計劃開發一個能夠在 政府和公共機構之間使用的應用系統。日本政府則 大力支援區塊鏈和數字貨幣行業,建立了首個區塊 鏈行業組織——日本區塊鏈協會(jba)與區塊鏈 合作聯盟。俄羅斯正在大力推動區塊鏈基礎設施建 設,俄羅斯最大的銀行 sberbank 與政府合作,用區 塊鏈轉移和儲存檔案,成為區塊鏈真實的應用案例。加拿大有一個龐大的區塊鏈創業社羣,彙集了包括 以太坊創始人 vitalik buterin 在內的一大批區塊鏈 頂級人才。加拿大證券管理委員會(csa)日前主 動地推出了新的“fintech 沙箱(sandbox)”計劃, 以促進加拿大區塊鏈行業的發展。

區塊鏈技術發源於開源社羣,並在社羣中發展 壯大,此後逐漸受到金融機構、it 巨頭等機構的 關注。例如,以比特幣、以太坊為代表的開源專案 主要以公有鏈為主,打造了區塊鏈公共平臺;linux 基金會於 2015 年發起的超級賬本專案(hyperledger)則偏重於研究聯盟鏈技術。同時,ibm、微軟 azure、aws 等網際網路國際巨頭企業正在極力打造 支援區塊鏈應用的基礎設施,區塊鏈即服務(blockchain as a serveice,baas)。

2016 年以來,我國也透過多種形式關注 和支援區塊鏈技術和產業的發展。2016 年 10 月, 工業和資訊化部發布《中國區塊鏈技術和應用發 展白皮書(2016)》,同年 12 月區塊鏈首次 被作為戰略性前沿技術、顛覆性技術寫入“十三五”資訊化規劃,明確提出需加強區塊 鏈等新技術的創新、試驗和應用,以實現搶佔新 一代資訊科技主導權。中國人民銀行在 2017 年成 立了數字貨幣研究所,研究數字貨幣發行和支撐該 技術的商業運作框架。中國人民銀行的基於區塊 鏈的數字票據交易平臺於 2017 年初進入試執行階 段並測試成功。此外,騰訊計算機系統有限公司、 阿里巴巴網路技術有限公司等國內知名網際網路公 司也積極佈局區塊鏈產業,全國另有超過 100 家 區塊鏈創業公司,主要瞄準區塊鏈基礎設施技術 研發及其在徵信、供應鏈、資產管理、物聯網等行業的應用。2008—2017 年,我國區塊鏈技術領 域專利申請數量全球第一,共遞交 550 份專利申 請;美國專利申請數量全球第二,共遞交 284 份專 利申請。

區 塊 鏈 面 臨 的 技 術 挑 戰

比特幣是區塊鏈技術的第一個成功應用。截至 目前,比特幣區塊鏈系統已經執行了 8 年多,除了 有限的幾次分叉,沒有出現重大安全事故,充分顯 示了其強大的穩定性和安全性。區塊鏈技術目前的 應用大多仍集中在金融領域,例如,數字貨幣、跨 境支付、證券交易、財產註冊與認證等。然而,其 未來要在金融領域做大規模推廣應用還需要攻克很 多問題,如效能問題、可監管性問題等。

在供應鏈領域,透過區塊鏈,供應鏈各方可以獲 得一個透明可靠的統一資訊平臺,實時檢視狀態,追 溯物品的生產和運送整個過程,從而提高供應鏈管理 效率、降低物流成本。當發生糾紛時,追查和舉證也 變得更加容易。然而,供應鏈管理往往涉及到諸多 實體,包括物流、資金流、資訊流等,這些實體之 間存在大量複雜的協作和溝通,應用區塊鏈進行鏈 上鍊下的有效協同,也存在諸多技術難題需要攻關。

在製造業領域,工業 4.0 應用,可以使用區塊 鏈來記錄生產過程的每一步,對於生產過程中的不 同參與者,採用不同的許可權來訪問區塊鏈,以更加 可靠和安全的方式,為參與者提取相關資訊並確認 生產過程中的步驟。但是不同的終端和感測器要參 與區塊鏈網路,進行協同和驗證,當前的物聯網終 端和感測器計算能力及儲存很難支撐,而區塊鏈網 絡協同的實時性也亟待提高和最佳化。

在能源領域,基於區塊鏈的微電網路,也存在 可擴充套件性問題和驗證交易的能源消耗問題等。此外, 由於區塊鏈自身的儲存能力有限,應用於社交、電 子商務等領域時,還要考慮大量資料的儲存問題、 交易效率問題等。

當前區塊鏈行業正高速發展,區塊鏈技術也得 到了越來越多的應用。然而,在基礎研究領域,國 內外相關研究工作仍處於初步階段,區塊鏈體系結 構、共識演算法、隱私保護、智慧合約、跨鏈交易等 方面的技術挑戰越來越制約著區塊鏈技術及行業的 發展。儘快尋找有效方案,實現關鍵技術突破,增強完善區塊鏈領域的理論基礎與關鍵技術是當前區 塊鏈發展浪潮中的關鍵點與“殺手鐧”。

    (一)區塊鏈體系結構研究

區塊鏈體系結構是區塊鏈系統執行的基礎,但 隨著使用者數量、系統規模的不斷增加,其吞吐量低、 交易確認時間長、共識節點接入速度慢、儲存資源 浪費等問題愈發突出,嚴重影響使用者使用與行業拓 展。近幾年,工業界和學術界從區塊鏈結構設計等 方面開展了一些初步的研究工作。

並行化架構:區塊鏈分片技術(sharding)採 用並行化思想,將使用者劃分到不同的網路分片內, 並行處理不相交的交易集合,進而提升整體效能, 但處理涉及不同分片的交易時,需要經過複雜的跨 分片通訊,開銷很大。plasma 則透過利用側鏈層次 樹劃分整個網路,用“分治”來擴大交易規模。

鏈上、鏈下協同架構:閃電網路(lightning network)以類比特幣區塊鏈為基礎,提出將交易 過程儘可能放在鏈下,進行鏈下快速交易,而鏈上 交易僅用於擔保與結算。本質上,閃電網路並沒有 提升鏈上交易效能,並且鏈下交易環節未儲存到區 塊鏈中,會影響交易的可追溯性。雷電網路(raiden network)作為“以太坊版本”的閃電網路,可與 sharding、plasma 結合,進一步提升交易處理能力。

並行化、鏈上鍊下協同等新型架構為解決區塊 鏈的效能和資源佔用問題提供了新的研究方向,但 是這些研究工作目前還處於相對早期的階段,很多 具體的問題如並行化架構的合理分片、跨片通訊、鏈上鍊下協同的去中心化、可追溯等問題還缺少高 效的演算法和機制。

    (二)區塊鏈共識演算法研究

區塊鏈共識演算法保證了區塊鏈系統中各節點 可以維護相同的交易內容和順序,是區塊鏈系統 的核心機制。目前應用比較廣泛的、常見的共識 演算法包括工作量證明演算法(pow)、權益證明演算法 (pos)、股份授權證明演算法(dpos)以及拜占庭 容錯演算法(pbft)[2],這些演算法各有優勢但也都 存在自身的問題(見表 1)。

近年來,為了適應實際應用的需求,一些新型 共識演算法被提出。algorand 透過密碼抽籤機制隨機 選取一組驗證者使用最佳化的拜占庭協議進行共識來提高共識效率 [3];bitcoin-ng 透過工作量證明選取 的領導者釋出交易微塊,一定程度上改善了比特幣 區塊鏈 pow 共識的效能 [4];casper 透過鎖定保證 金的驗證人下注共識以提升 pos 演算法實現的安全性 以及去中心化程度。

然而,無論是 pow、pbft 這些經典共識演算法 還是 algorand、bitcoin-ng 這些新型演算法都面臨“三 難困境”問題,即區塊鏈系統最多隻能同時最佳化去 中心化、高效能以及安全性三種目標中的兩個,尋 求“三難困境”的最優解將是未來的主要研究方向 和技術挑戰。

    (三)區塊鏈隱私保護研究

區塊鏈隱私保護是為了解決公開的交易資訊帶 來的賬戶隱私洩漏問題。目前主要透過直接或間接 隱藏使用者關鍵資訊來實現,典型的隱私保護技術包 括:混幣技術(coinjoin)、隱秘地址(stealth address)、環簽名技術(ring signature)[5] 以及 zksnarks 零知識證明演算法 [6]。

混幣技術、隱秘地址以及環簽名技術只是間 接隱藏交易涉及的關鍵資訊,在可靠性方面存在不 足;zk-snarks 零知識證明演算法雖然屬於直接隱藏 資訊,但是其具有“可信賴的公共引數”以及效率 低下的問題。同時,量子計算的不斷髮展對隱私保 護研究提出了新的要求,而這些典型的隱私保護技 術都不具備抗量子攻擊能力。新提出的 zk-starks 零知識證明演算法完全依賴雜湊和資訊理論,解決了 zk-snark“可信賴的設定”問題並具備抗量子攻擊 的能力,但是該研究處於早期階段,技術還不成熟且 存在證據過大等缺點。因此,設計既能保證高效安全, 還能保證交易關鍵資訊隱藏與交易有效性驗證的技 術方案依然是未來區塊鏈研究面臨的主要技術挑戰。

    (四)區塊鏈智慧合約研究

nick szabo 於 1996 年首次提出了智慧合約的 概念:一個智慧合約是一套以數字形式定義的約定,包括合約參與方可以在上面執行這些約定的協 議。區塊鏈為智慧合約提供了一個去中心化、不可 篡改、公開透明的執行環境,使得智慧合約無需信 任第三方即可根據預設合約協議自動執行。目前針 對智慧合約的研究主要圍繞智慧合約虛擬機器、智慧 合約升級、鏈下資料可信餵養等方面展開。

智慧合約虛擬機器可以分為兩大類:自主可控的 虛擬機器,如以太坊虛擬機器(evm);使用現有成熟 的編譯執行環境的虛擬機器,如 java 虛擬機器(jvm)。使用現有成熟編譯執行環境的虛擬機器執行效率較 高,但不可控因素較多,而 evm 等自主可控的虛 擬機當前的執行效率還存在較大問題。目前的研究 工作主要有 solidity 編譯器的最佳化、適合智慧合約 的 web 程式集(wasm)執行環境研發等,上述工 作均處於早期研究階段。

智慧合約是現實世界契約的計算機化交易協 議,在智慧合約的開發過程中,開發者無法將所有 情況考慮在內,當鏈上的智慧合約沒有按照預期運 行時,就需要升級智慧合約,並且對智慧合約的行 為作出解釋。corda 提出將合約法律文字與程式碼結 合儲存於鏈上,當合約程式碼發生未預期的行為時以 法律文字為準,但仍缺乏程式碼可升級的靈活性,因 此一套可升級且可解釋的智慧合約完整方案是智慧 合約大規模應用的關鍵所在。

智慧合約存在於區塊鏈空間,與鏈下真實世界 活動相關聯是其大規模應用的前提。oraclize 將智 能合約與 web api 透過加密證明連結起來,使得智 能合約無需額外的信任,即可獲得現實世界的真實 活動資料;ic3 提出可信資料餵養系統 town crier (tc),透過英特爾最新可信硬體 sgx 向智慧合約 提供認證可信以及機密性資料。然而,現有的可信 資料餵養解決方案靈活性較差,如 oraclize 需要將 整個 https 請求響應返回並且依賴於鏈下的中心化 伺服器,tc 無法支援程式碼的更新,需要研究新型 靈活、可信的資料餵養方案以滿足智慧合約對鏈外 資料的餵養需求。

    (五)區塊鏈跨鏈通訊研究

隨著區塊鏈技術被廣泛應用於加密數字貨幣、 資產追蹤、身份管理等領域,產生了很多分立的區 塊鏈系統,而這些獨立的區塊鏈需要相互交易進而 實現價值最大化,就需要研究跨鏈通訊技術。解決 跨鏈交易中有效性、可擴充套件性、原子性等問題是當 前區塊鏈跨鏈通訊技術的研究重點。

目前區塊鏈跨鏈通訊技術研究代表性方案包括 成 對 通 信、interledger、cosmos、polkadot 等。成 對通訊透過獲取對方區塊鏈的區塊頭與特定交易的 簡化付款驗證(spv)證明,可在沒有外部參與的 情況下驗證跨鏈交易的有效性;interledger 透過構 建聯結器,找到一條到接受者的資金轉移路徑,資 金在聯結器之間轉移,從而實現跨鏈;cosmos 利 用 hub 與 zone,當源 zone 與目的 zone 進行跨鏈 交易時,hub 對 zone 形成的包進行跨鏈轉發;而 polkadot 的願景是實現異構區塊鏈之間的跨鏈,同 時事務可以在不同的區塊鏈上並行執行,從而增加 系統的吞吐量。

上述跨鏈通訊方案大多面向跨鏈某一具體場景 且效能較低,如成對通訊僅限於交易存在性驗證, interledger 以及 cosmos 僅用於跨鏈轉賬這個單一 功能;雖然 polkadot 支援的跨鏈型別更為豐富,但 是其仍處於非常早期的方案設計階段。隨著跨鏈交 易的需求不斷增加,實現安全、高效且通用性好的 跨鏈技術方案迫在眉睫。

高 通 量 區 塊 鏈

效能問題是制約區塊鏈技術未來大規模應用的 重要瓶頸之一。當前應用廣泛的公有鏈(如比特幣、 以太坊)和聯盟鏈(如超級賬本)都無法支援高頻 交易的場景,在吞吐量方面與高頻交易(如支付、 大規模物聯網)的實際需求存在幾個數量級的差距。為了彌補這種差距,中國科學院計算技術研究所開 展了高通量區塊鏈技術的研究。

不同於已有的很多效能最佳化的工作主要集中在 協議和演算法層面 [2~4],中國科學院計算技術研究 所高通量區塊鏈技術的研究聚焦於底層架構層面的 技術突破,包括區塊鏈基礎架構以及承載區塊鏈系 統的硬體架構。首先,在區塊鏈基礎架構上,透過 構建交易圖譜,將原始區塊鏈切分為很多切片,並行處理不同分片的交易記錄,片內共識使用流水化 技術最佳化共識效率,並透過隨機輪換記賬節點集合 機制,在提升效率的同時保障安全性。對於跨切 片的交易,設計了 interchain 跨分片通訊架構(見 圖 1),透過分片閘道器和互聯鏈節點的協同實現交易 的跨分片通訊。其次,在硬體架構上,針對現有通 用計算架構效率不足,而專用晶片僅針對特定演算法 應用範圍有限的問題,提出支援自定義演算法的專用 晶片架構(見圖 2),透過抽象各類共識、驗證簽名 演算法的計算核心,設計基於松耦合計算核心的晶片 架構,並利用區塊鏈演算法本身的容錯性,簡化功能 單元設計,從而提升計算通量。

政 策 建 議

當前我國投資界、產業界、學術界以及政府 給予了熱炒的區塊鏈技術以高度的關注。然而,很多專案只是披著區塊鏈的“外衣”,猶如當年互聯 網發展初期一樣,魚龍混雜。著名資訊科技研究 和顧問機構 gartner 每年都發布的技術成熟度曲線 (the hype cycle)顯示,任何一項技術的發展必經 過 5 個階段:最初的興起期,熱炒的膨脹期,幻 滅的低谷期,穩步的爬升期,以及成熟的實質產 業期。雲端計算、大資料、虛擬現實等是這樣,區 塊鏈技術也不例外。經過這兩年熱炒之後的區塊 鏈技術,必須經過各方面紮實的技術研發、準備 和鋪墊,才可能大規模形成產業,影響社會進步、 經濟發展,以及人們的生產生活,最終“飛入尋 常百姓家”。

因此,對待區塊鏈技術,不能盲目跟風,需要 理性看待。既要看到區塊鏈技術的優點和可能帶來 的變革,也要認識到當前區塊鏈技術存在的不足和 挑戰。從技術層面,要加大區塊鏈底層和基礎技術 的研發和最佳化;從治理層面,要適時跟進位制定法律 法規,創新監管模式;從人才層面,要加大交叉學 科人才培養的力度,補充人才空缺。

    (一)應重視區塊鏈底層技術的研發

應該清醒地認識到,國內區塊鏈產業風風火火 發展的背後隱藏著區塊鏈底層技術研發投入不足的 現實。目前,大多數區塊鏈專案、區塊鏈團隊都是 基於比特幣、以太坊、超級賬本等國外提出的區塊 鏈平臺,或進行二次開發,或直接探索在特定領域、 特定行業的應用。

為了應對上述效能、安全性等區塊鏈技術發展 和大規模應用面臨的挑戰,區塊鏈底層技術的創新 才是重中之重。應該加大在體系結構、共識演算法、 驗證簽名機制、(跨鏈)通訊協議、專屬硬體等方 面的研發投入,耐心地從底層研發做起,做到技術 自主可控, 引領全球區塊鏈技術發展。

(二)需要發展創新監管模式

不同於傳統網際網路應用有專門的運營單位,可 以作為特定的監管物件,秉承分散式、去中心化思 想設計的區塊鏈應用(dapp)一旦部署,就是所 有自由接入的節點和參與者共同負責,沒有中心化 節點和儲存,不存在某個特定機構對其負責,這給 區塊鏈應用的監管帶來巨大的挑戰。

因此,一方面,國家在鼓勵區塊鏈技術和應用 發展的同時,要從立法層面積極跟進,引導區塊鏈 的應用方向,規範區塊鏈應用的審查和部署;另一 方面,要從資訊科技工具層面,加大針對區塊鏈平 臺和應用的監測、分析、判別、預警等資訊科技工 具的研發投入和力度,引入人工智慧、大資料、信 息安全等先進技術,從而實現對區塊鏈平臺和應用 的科技監管。

    (三)加強交叉學科人才

智慧合約(smart contract)是執行在區塊鏈上 的計算機程式。區塊鏈技術讓人們可以在去中心化 的情況下達成共識,而智慧合約則決定了可以達成 什麼樣的共識。換言之,區塊鏈只是一個分散式的 記賬方式形成的公共賬本,智慧合約則進一步結合 千千萬萬個不同的應用場景和經濟活動,約定了誰 與誰、在什麼情況下記賬,進而產生什麼樣的賬本。

未來,區塊鏈體系基礎架構搭建完成,在商業 應用場景中,所謂廣泛應用區塊鏈技術,很大程度 上就是利用區塊鏈編寫智慧合約。參與各方進行談 判和協商,形成合約條款,再編寫計算機程式形成 智慧合約,並保證準確無誤,方能部署執行。編寫、 稽覈智慧合約需要精通計算機通訊和其他專業領域 的大量跨界人才,需要加強這些交叉學科人才的培 養工作。

(文章來源:中國工程院院刊)


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