區塊鏈技術發展的真正裉節兒在哪？
區塊鏈被認為是構建未來「信任互聯網」「價值互聯網」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。
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。
但是，猶如當年互聯網發展初期一樣，現階段的眾多項目只是披著區塊鏈的「外衣」，真真是魚龍混雜。
根據技術成熟度曲線，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。雲計算、大數據、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。
那麼在這場熱潮之下，區塊鏈技術發展的真正裉節兒在哪？
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運行了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，但要在金融領域做大規模推廣應用還需要攻克很多問題，如性能問題、可監管性問題等。在供應鏈領域、製造業領域和能源領域也都有著諸多的應用難題。
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、智能合約、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運行的基礎，但隨著用戶數量、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、存儲資源浪費等問題愈發突出，嚴重影響用戶使用與行業拓展。
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，將用戶劃分到不同的網路分片內，並行處理不相交的交易集合，進而提升整體性能，但處理涉及不同分片的交易時，需要經過複雜的跨分片通信，開銷很大。Plasma 則通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性能，並且鏈下交易環節未存儲到區塊鏈中，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、鏈上鏈下協同等新型架構為解決區塊鏈的性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、跨片通信、鏈上鏈下協同的去中心化、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），這些演算法各有優勢但也都存在自身的問題。
為了適應實際應用的需求，一些新型共識演算法被提出，包括Algorand、Bitcoin-NG、Casper等。
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，即區塊鏈系統最多只能同時優化去中心化、高性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信息帶來的賬戶隱私泄漏問題。
目前主要通過直接或間接隱藏用戶關鍵信息來實現，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）以及zk-SNARKs 零知識證明演算法。
這些技術與演算法在安全性、效率、抗量子攻擊能力等方面都或多或少存在不足。
新提出的zk-STARKs零知識證明演算法完全依賴散列和信息理論，解決了zk-SNARK「可信賴的設置」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，還能保證交易關鍵信息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）區塊鏈智能合約研究
Nick Szabo 於1996 年首次提出了智能合約的概念：一個智能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。
區塊鏈為智能合約提供了一個去中心化、不可篡改、公開透明的運行環境，使得智能合約無需信任第三方即可根據預設合約協議自動執行。目前針對智能合約的研究主要圍繞智能合約虛擬機、智能合約升級、鏈下數據可信餵養等方面展開。
智能合約虛擬機目前的研究工作主要有Solidity 編譯器的優化、適合智能合約的Web 程序集（WASM）執行環境研發等，上述工作均處於早期研究階段。
智能合約是現實世界契約的計算機化交易協議，在智能合約的開發過程中，開發者無法將所有情況考慮在內，當鏈上的智能合約沒有按照預期運行時，就需要升級智能合約，並且對智能合約的行為作出解釋。因此一套可升級且可解釋的智能合約完整方案是智能合約大規模應用的關鍵所在。
智能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 通過加密證明鏈接起來，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數據；IC3 提出可信數據餵養系統Town Crier（TC），通過英特爾最新可信硬體SGX 向智能合約提供認證可信以及機密性數據。然而，現有的可信數據餵養解決方案靈活性較差。
（五）區塊鏈跨鏈通信研究
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，就需要研究跨鏈通信技術。
解決跨鏈交易中有效性、可擴展性、原子性等問題是當前區塊鏈跨鏈通信技術的研究重點。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
性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）都無法支持高頻交易的場景，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。
不同於已有的很多性能優化的工作主要集中在協議和演算法層面，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。
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。
TAG:知領 |