區(qū)塊鏈快速入門（五）——區(qū)塊鏈技術(shù)的演化

一、區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展

比特幣區(qū)塊鏈面向轉(zhuǎn)賬場(chǎng)景，支持簡(jiǎn)單的腳本計(jì)算。如果引入更多復(fù)雜的計(jì)算邏輯，將能支持更多應(yīng)用場(chǎng)景，即智能合約(Smart Contract)。智能合約可以提供除了貨幣交易功能外更靈活的合約功能，執(zhí)行更為復(fù)雜的操作。
引入智能合約的區(qū)塊鏈，已經(jīng)超越了單純數(shù)據(jù)記錄功能；可以為區(qū)塊鏈加入權(quán)限管理，高級(jí)編程語言支持等，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的、支持更多商用場(chǎng)景的分布式賬本系統(tǒng)。
區(qū)塊鏈技術(shù)的三種典型演化場(chǎng)景如下:

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二、區(qū)塊鏈技術(shù)的分類

根據(jù)參與者的不同，區(qū)塊鏈可以分為公有(Public)鏈、聯(lián)盟(Consortium)鏈和私有(Private)鏈。
公有鏈，即任何人都可以參與使用和維護(hù)，參與者多為匿名。典型的如比特幣和以太坊區(qū)塊鏈，信息是完全公開的。
如果進(jìn)一步引入許可機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)私有鏈和聯(lián)盟鏈兩種類型。
私有鏈，由集中管理者進(jìn)行管理限制，只有內(nèi)部少數(shù)人可以使用，信息不公開，跟傳統(tǒng)中心化記賬系統(tǒng)的差異不明顯。
聯(lián)盟鏈則介于兩者之間，由若干組織一起合作(如供應(yīng)鏈機(jī)構(gòu)或銀行聯(lián)盟等)維護(hù)一條區(qū)塊鏈，該區(qū)塊鏈的使用必須是帶有權(quán)限的限制訪問，相關(guān)信息會(huì)得到保護(hù)，典型如超級(jí)賬本項(xiàng)目。在架構(gòu)上，現(xiàn)有大部分區(qū)塊鏈在實(shí)現(xiàn)都至少包括了網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、智能合約和應(yīng)用層等分層結(jié)構(gòu)，聯(lián)盟鏈實(shí)現(xiàn)往還會(huì)引入額外的權(quán)限管理機(jī)制。
目前來看，公有鏈信任度最高，也容易引發(fā)探討，但短期內(nèi)更多的應(yīng)用會(huì)首先在聯(lián)盟鏈上落地。公有鏈因?yàn)橐嫦蚰涿_的場(chǎng)景，面臨著更多的安全挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)為了支持互聯(lián)網(wǎng)尺度的交易規(guī)模，需要更高的可擴(kuò)展性，性能瓶頸在短期內(nèi)很難得到解決。
對(duì)于信任度和中心化程度的關(guān)系，通常非中心化程度越高，信任度會(huì)越好。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，前期的信任度往往會(huì)增長(zhǎng)較快，達(dá)到一定程度后，信任度隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增多并不會(huì)得到明顯改善。因?yàn)殡S著成員數(shù)的增加，要實(shí)現(xiàn)共謀作惡的成本會(huì)指數(shù)上升。
根據(jù)使用目的和場(chǎng)景的不同，可以分為以數(shù)字貨幣為目的的貨幣鏈，以記錄產(chǎn)權(quán)為目的的產(chǎn)權(quán)鏈，以眾籌為目的的眾籌鏈等，也有不局限特定應(yīng)用場(chǎng)景的所謂通用鏈。通用鏈因?yàn)橐骖櫜煌瑘?chǎng)景下的應(yīng)用特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上需要考慮更加全面。

三、區(qū)塊鏈共識(shí)算法的演化

1、區(qū)塊鏈共識(shí)算法的發(fā)展

區(qū)塊連常見共識(shí)算法包括Paxos、Raft、PBFT、POW、POS、DPOS等，但隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，不同區(qū)塊鏈項(xiàng)目在不同應(yīng)用場(chǎng)景下通過對(duì)基礎(chǔ)的共識(shí)算法的相互融合、改進(jìn)，誕生了多種新的共識(shí)算法，如DBFT、BFT-DPoS、SBFT、VBFT、Tendermint等。
（1）DBFT
DBFT(Delegated Byzantine Fault Tolerant)，即代理拜占庭容錯(cuò)算法，是基于PBFT改進(jìn)的區(qū)塊鏈共識(shí)算法。
DBFT的算法中，參與記賬的是超級(jí)節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)可以看到共識(shí)過程，并同步賬本信息，但不參與記賬?？偣瞡個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)分為一個(gè)議長(zhǎng)和n-1個(gè)議員， 議長(zhǎng)會(huì)輪流當(dāng)選。每次記賬時(shí)，先有議長(zhǎng)發(fā)起區(qū)塊提案(擬記賬的區(qū)塊內(nèi)容)， 一旦有至少(2n+1)/3個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)(議長(zhǎng)加議員)同意提案，那么提案就成為最終發(fā)布的區(qū)塊，并且該區(qū)塊是不可逆的，所有里面的交易都是百分之百確認(rèn)的，區(qū)塊不會(huì)分叉。
為了便于在區(qū)塊鏈開放系統(tǒng)中應(yīng)用，DBFT將PBFT中的將C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)架構(gòu)的請(qǐng)求響應(yīng)模式，改進(jìn)為適合P2P網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)模式，并將靜態(tài)的共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)改進(jìn)為可動(dòng)態(tài)進(jìn)入、退出的動(dòng)態(tài)共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)，使其適用于區(qū)塊鏈的開放節(jié)點(diǎn)環(huán)境。
由于BFT算法存在的擴(kuò)容性問題，DBFT算法由權(quán)益持有者投票選舉產(chǎn)生代理記賬人，由代理人驗(yàn)證和生成區(qū)塊，以此大幅度降低共識(shí)過程中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，解決了BFT算法固有的擴(kuò)容性問題。
NEO項(xiàng)目使用了DBFT共識(shí)算法，NEO共識(shí)機(jī)制下只設(shè)置了7個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，以一種弱中心化的模式實(shí)現(xiàn)較高的共識(shí)效率。目前，超級(jí)節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)選出的，并完全由項(xiàng)目方部署。
DBFT的優(yōu)點(diǎn)如下：
A、效率高。
NEO每15~20秒生成一個(gè)區(qū)塊，交易吞吐量可達(dá)到約1000TPS，優(yōu)化后性能可達(dá)10000TPS；
B、良好的最終性。
區(qū)塊不會(huì)分叉，以此來驗(yàn)證參與者的身份，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，使區(qū)塊鏈能夠適用于對(duì)交易確認(rèn)實(shí)時(shí)性要求高的真實(shí)金融場(chǎng)景。
DBFT的缺點(diǎn)如下：
A、較低的容錯(cuò)率。
當(dāng)有1/3或以上超級(jí)節(jié)點(diǎn)為惡意節(jié)點(diǎn)或宕機(jī)后，系統(tǒng)將無法提供服務(wù)。
B、超級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過少，中心化程度高。
（2）BFT-DPOS
BFT-DPOS（Byzantine Fault Tolerance - Delegated Proof of Stake），即帶拜占庭容錯(cuò)的股份授權(quán)證明算法，是EOS項(xiàng)目通過引入PBFT算法對(duì)DPOS進(jìn)行改進(jìn)而來的共識(shí)算法。
在傳統(tǒng)DPOS共識(shí)機(jī)制中，每個(gè)受托人在出塊時(shí)向全網(wǎng)廣播新創(chuàng)建區(qū)塊，但即使其它受托人收到目前的新區(qū)塊，也無法對(duì)新區(qū)塊進(jìn)行確認(rèn)，需要等待輪到自己出塊時(shí)，才能通過生產(chǎn)區(qū)塊來確認(rèn)之前的區(qū)塊。
BFT-DPOS共識(shí)機(jī)制下，每個(gè)受托人出塊時(shí)依然全網(wǎng)廣播，其它受托人收到新區(qū)塊后，立即對(duì)此區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證簽名完成的區(qū)塊立即返回出塊受托人，不需等待其它受托人自己出塊時(shí)再確認(rèn)。因此，出塊受托人生產(chǎn)了一個(gè)區(qū)塊，并全網(wǎng)廣播，然后陸續(xù)收到了其它受托人對(duì)此區(qū)塊的確認(rèn)，在收到2/3受托人確認(rèn)的瞬間，區(qū)塊（包括其中的交易）就不可逆。
在EOS中有21個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，主要有兩方面原因：一是由于用戶很難對(duì)較多數(shù)量的超級(jí)節(jié)點(diǎn)充分了解，所以過多的超級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)降低用戶投票的活躍度；二是規(guī)模為20的節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以在拜占庭問題中以更低的資源成本來獲得高效的共識(shí)。
超級(jí)節(jié)點(diǎn)的主要職責(zé)是：提供相關(guān)計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源，保證節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行；當(dāng)輪到某超級(jí)節(jié)點(diǎn)擁有出塊權(quán)時(shí)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)收集該時(shí)段內(nèi)的所有交易，并對(duì)交易驗(yàn)證后打包成區(qū)塊廣播至其它超級(jí)節(jié)點(diǎn)，其它超級(jí)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后把區(qū)塊添加到自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中。在EOS中，每個(gè)出塊間隔定義為3秒，由于在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)打包區(qū)塊并將其廣播，絕大多數(shù)其它超級(jí)節(jié)點(diǎn)收到該區(qū)塊的過程耗時(shí)最多3秒。只有下一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)收到了上一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)廣播的區(qū)塊時(shí)，再進(jìn)行新區(qū)塊的生成才不會(huì)造成對(duì)某個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生區(qū)塊的忽略。而一個(gè)區(qū)塊要成為不可逆區(qū)塊需要超過三分之二的超級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，在DPOS中只有超級(jí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊，才能對(duì)之前收到的區(qū)塊鏈進(jìn)行確認(rèn)，所以一個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生后，其后續(xù)串聯(lián)14（21個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的2/3）個(gè)區(qū)塊才表明該區(qū)塊是不可逆區(qū)塊，區(qū)塊中的交易是不可逆交易，整個(gè)確認(rèn)過程需要45秒（包括出塊節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊生成時(shí)間）。
為了挖掘EOS系統(tǒng)的性能，Daniel Larimer對(duì)BFT-DPOS進(jìn)行了優(yōu)化，將出塊速度由3秒縮短至0.5秒，理論上可以極大提升系統(tǒng)性能，但帶來網(wǎng)絡(luò)延遲問題：0.5秒的確認(rèn)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)出塊者還沒有收到上一個(gè)出塊者的區(qū)塊，就要生產(chǎn)下一個(gè)區(qū)塊，那么下一個(gè)出塊者會(huì)忽略上一個(gè)區(qū)塊，導(dǎo)致區(qū)塊鏈分叉（相同區(qū)塊高度有兩個(gè)區(qū)塊）。
為解決網(wǎng)絡(luò)延遲問題，Daniel Larimer將原先的隨機(jī)出塊順序改為由受托人商議后確定的出塊順序，網(wǎng)絡(luò)連接延遲較低的受托人之間就可以相鄰出塊，大大降低受托人之間的網(wǎng)絡(luò)延遲，使得0.5秒的出塊速度具備理論上的可能。
為了保證萬無一失，不讓任何一個(gè)受托人因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲的意外而被跳過，Daniel Larimer讓每個(gè)受托人連續(xù)生產(chǎn)6個(gè)區(qū)塊，即每個(gè)見證人還是負(fù)責(zé)3秒的區(qū)塊生產(chǎn)，但由最初的只生產(chǎn)1個(gè)變成生產(chǎn)6個(gè)。最惡劣的情況下，6個(gè)區(qū)塊中，最后一個(gè)或兩個(gè)有可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲或其它意外被下一個(gè)受托人略過，但6 個(gè)區(qū)塊中的前幾個(gè)會(huì)有足夠的時(shí)間傳遞給下一個(gè)受托人。
BFT-DPoS的交易確認(rèn)時(shí)間問題：每個(gè)區(qū)塊生產(chǎn)后立即進(jìn)行全網(wǎng)廣播，區(qū)塊生產(chǎn)者一邊等待0.5秒生產(chǎn)下一個(gè)區(qū)塊，同時(shí)會(huì)接收其它受托人對(duì)于上一個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)結(jié)果。新區(qū)塊的生產(chǎn)和舊區(qū)塊確認(rèn)的接收同時(shí)進(jìn)行。大部分的情況下，交易會(huì)在1秒（包括0.5秒的區(qū)塊生產(chǎn)和要求其它受托人確認(rèn)的時(shí)間）之內(nèi)確認(rèn)（不可逆）。
EOS系統(tǒng)規(guī)定，一旦區(qū)塊達(dá)到不可逆狀態(tài)（2/3受托人確認(rèn)），就無法在此之前進(jìn)行分叉，保證交易的永久可信。即使多數(shù)見受托人想分叉區(qū)塊鏈，也只能以相同的速度（0.5秒）與主鏈競(jìng)爭(zhēng)，就算主鏈只剩下一個(gè)受托人，分叉鏈也永遠(yuǎn)不會(huì)追上主鏈，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。
EOS項(xiàng)目解決的區(qū)塊鏈痛點(diǎn)如下：
A、應(yīng)用性能低?
比特幣和以太坊都面臨應(yīng)用性能低的瓶頸。隨著交易量和應(yīng)用的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)擁堵和手續(xù)費(fèi)飛漲的問題日益凸顯。從交易速度方面看，比特幣為每秒7筆，以太坊交易速度為每秒30-40筆，而EOS則可以達(dá)到每秒數(shù)百萬筆交易，可以滿足商業(yè)級(jí)別應(yīng)用的需要。
EOS基于石墨烯技術(shù)，通過并行鏈的方式達(dá)到毫秒級(jí)的確認(rèn)速度和數(shù)百萬TPS。
B、安全性差 （DPOS共識(shí)算法）
EOS采用的是DPOS算法，分叉基本不可能發(fā)生，。解決了比特幣和以太坊的鏈分叉問題，從而保障了全網(wǎng)運(yùn)行的安全性。因?yàn)閴K生產(chǎn)者生產(chǎn)區(qū)塊的方式是合作性的而不是競(jìng)爭(zhēng)性的。如果發(fā)生區(qū)塊分叉，DPOS共識(shí)將自動(dòng)切換到最長(zhǎng)的鏈條。此外，不會(huì)發(fā)生塊生產(chǎn)者同時(shí)在兩個(gè)區(qū)塊鏈分叉上生產(chǎn)塊的情況。如果有，就可能被投票出局。
C、開發(fā)難度高
比特幣只能作為貨幣交付使用，只滿足交易的功能；以太坊實(shí)現(xiàn)了智能合約，突破了比特幣的貨幣功能，向非金融領(lǐng)域邁出了一步，但由于其模塊的復(fù)雜性，無法使得開發(fā)者輕松自如地創(chuàng)建自己想創(chuàng)建的應(yīng)用；EOS處理了額外的復(fù)雜性，為開發(fā)者們提供了用戶友好的底層模塊，可以支持多種編程語言。
D、手續(xù)費(fèi)高
EOS為用戶提供了免費(fèi)服務(wù)，相比較比特幣和以太坊高昂的轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)，EOS公鏈用戶無需支付手續(xù)費(fèi)。開發(fā)者依據(jù)用戶規(guī)模，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的盈利模式。
（3）SBFT
SBFT（Simpled BFT），即簡(jiǎn)化拜占庭容錯(cuò)算法，是PBFT算法的簡(jiǎn)化版本。
在Fabric的提案中，采用SBFT（Simple BFT）算法。但Fabric0.6版本采用PBFT，F(xiàn)abric1.0中移出了PBFT，而是使用Kafka、Solo進(jìn)行排序，作為共識(shí)節(jié)點(diǎn)。Fabric應(yīng)該會(huì)在后期版本實(shí)現(xiàn)SBFT。
（4）Tendermint
Tendermint是一個(gè)模塊化的區(qū)塊鏈應(yīng)用框架，能夠?qū)崿F(xiàn)拜占庭容錯(cuò) (BFT）。Tendermint主要包括兩部分：
A、Tendermint Core
Tendermint Core實(shí)現(xiàn)了P2P網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點(diǎn)之間共享區(qū)塊和交易，實(shí)現(xiàn)了拜占庭容錯(cuò)的共識(shí)算法，確定了不可更改的交易順序;
B、ABCI Interface
ABCI Interface負(fù)責(zé)處理具體的邏輯處理層，可以基于不同的語言 (Golang，JS) 來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)交易的驗(yàn)證處理以及查詢等操作。
Tendermint地址：https://github.com/tendermint/tendermint
Tendermint官方網(wǎng)站：https://tendermint.com/
（5）VBFT
VBFT算法融合POS、VRF以及BFT的思想。在VBFT算法中，節(jié)點(diǎn)需要通過權(quán)益抵押來申請(qǐng)參與網(wǎng)絡(luò)共識(shí)。此后，系統(tǒng)通過可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)來隨機(jī)從所有備選的共識(shí)節(jié)點(diǎn)中選擇n個(gè)節(jié)點(diǎn)，并提出、驗(yàn)證備選區(qū)塊，最終通過對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行背書投票來完成區(qū)塊共識(shí)。
共識(shí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成共識(shí)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的事務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行共識(shí)，生成區(qū)塊；而備選的共識(shí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成候選網(wǎng)絡(luò)，不參與共識(shí)，但保持與共識(shí)網(wǎng)絡(luò)同步的狀態(tài)。此外，候選網(wǎng)絡(luò)對(duì)共識(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)共識(shí)區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證。
VBFT算法流程如下：
A、根據(jù)VRF從共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中選擇備案提案節(jié)點(diǎn)，各個(gè)備選節(jié)點(diǎn)獨(dú)立提出備選區(qū)塊。
B、根據(jù)VRF從共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中選擇多個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)將從網(wǎng)絡(luò)中收集備選區(qū)塊，進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)最高優(yōu)先級(jí)的備選區(qū)塊進(jìn)行投票。
C、根據(jù)VRF從共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中選擇多個(gè)確認(rèn)節(jié)點(diǎn)，對(duì)上述驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的投票結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，并決定最終的共識(shí)結(jié)果。
D、所有節(jié)點(diǎn)接受確認(rèn)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)結(jié)果，開始下一輪共識(shí)流程。
在VBFT算法中，每一輪區(qū)塊的VRF值都基于上一輪共識(shí)區(qū)塊的易變信息，并通過計(jì)算該信息的哈希值來作為下一輪共識(shí)區(qū)塊的VRF值。由此，每一個(gè)區(qū)塊的VRF值都是可驗(yàn)證的。
根據(jù)VBFT文中介紹，依據(jù)VRF選定節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，也確定了節(jié)點(diǎn)的排序順序，即節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。優(yōu)先級(jí)順序的存在，為節(jié)點(diǎn)應(yīng)對(duì)主鏈分叉提供了參考方案。由于惡意分叉很難一直維持最高優(yōu)先級(jí)，從而達(dá)到遏制惡意分叉的目的。

2、區(qū)塊鏈共識(shí)算法的選擇

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，所設(shè)計(jì)的目標(biāo)各異，不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用了不同的共識(shí)算法。通常，在私有鏈和聯(lián)盟鏈情況下，對(duì)一致性、正確性有很強(qiáng)的要求，要采用強(qiáng)一致性的共識(shí)算法；而在公有鏈情況下，對(duì)一致性和正確性通常沒法做到百分之百，通常采用最終一致性（Eventual Consistency）的共識(shí)算法。
共識(shí)算法的選擇與應(yīng)用場(chǎng)景高度相關(guān)，可信環(huán)境使用Paxos算法或者Raft算法，帶許可的聯(lián)盟可使用PBFT算法，非許可鏈可以使用POW，POS，Ripple共識(shí)等，根據(jù)對(duì)手方信任度分級(jí)，自由選擇共識(shí)機(jī)制。

四、區(qū)塊鏈的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)

1、隱私保護(hù)

隱私保護(hù)一直是分布式系統(tǒng)領(lǐng)域十分關(guān)鍵的問題。在分布式場(chǎng)景下，因?yàn)槿狈Κ?dú)立的管理機(jī)制，參與網(wǎng)絡(luò)的各方無法保證嚴(yán)格遵守協(xié)議，甚至?xí)室庠噲D獲取網(wǎng)絡(luò)中他人的數(shù)據(jù)，對(duì)于隱私的竊取行為都很難進(jìn)行約束。
而分布式賬本要在共享協(xié)同信息和隱私保護(hù)之間達(dá)到合適的平衡，是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，特別隨著公有賬本系統(tǒng)屢屢出現(xiàn)安全漏洞，動(dòng)輒造成數(shù)千萬美金的風(fēng)險(xiǎn)。隨著《一般數(shù)據(jù)保護(hù)條例》(General Data Protection Regulation，GDPR)的落地，隱私保護(hù)的合規(guī)要求愈加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)、形式化驗(yàn)證技術(shù)在應(yīng)對(duì)新的需求時(shí)暴露出實(shí)踐性不強(qiáng)的缺陷，都亟待解決。尤其以醫(yī)療健康領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)的隱私性需求最為強(qiáng)烈，要求嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)的來源、所有權(quán)和使用范圍，傳統(tǒng)手段很難滿足隱私保護(hù)特性需求，需要有機(jī)結(jié)合零知識(shí)證明、同態(tài)加密等新的密碼學(xué)手段，但新技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在不少問題。

2、分布式共識(shí)

共識(shí)是分布式系統(tǒng)領(lǐng)域經(jīng)典的技術(shù)難題，學(xué)術(shù)界和業(yè)界都已有大量的研究成果(包括Paxos、BFT系列算法等)。
分布式共識(shí)問題的核心在于確保某個(gè)變更在分布式網(wǎng)絡(luò)中得到一致的執(zhí)行結(jié)果，是被參與多方都承認(rèn)的，同時(shí)信息是不可推翻的。
分布式共識(shí)在公開匿名場(chǎng)景下和帶權(quán)限管理的場(chǎng)景下需求差異較大，從而導(dǎo)致了基于概率的算法和確定性算法兩類思想。
最初，比特幣區(qū)塊鏈考慮的是公開匿名場(chǎng)景下的最壞保證。通過引入了POW工作量證明策略來規(guī)避少數(shù)人的惡意行為，并通過概率模型保證最后參與方共識(shí)到最長(zhǎng)鏈。POW算法的核心思想是基于經(jīng)濟(jì)利益的博弈，讓惡意破壞的參與者損失經(jīng)濟(jì)利益，從而保證大部分人的合作。同時(shí)，確認(rèn)必須經(jīng)過多個(gè)區(qū)塊的生成后達(dá)成，從概率上進(jìn)行保證。概率性算法的主要問題在于效率的低下和能源的浪費(fèi)，如POW，POS和DPOS算法等。
區(qū)塊鏈技術(shù)(如超級(jí)賬本)在帶權(quán)限許可的場(chǎng)景下，開始考慮支持更多的確定性的共識(shí)機(jī)制，包括BFT系列算法等，可以解決快速確認(rèn)的問題。
共識(shí)問題在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是極具學(xué)術(shù)價(jià)值的研究熱點(diǎn)，核心的指標(biāo)將包括容錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)比例、決策收斂速度、出錯(cuò)后的恢復(fù)、動(dòng)態(tài)特性等。POW等基于概率的系列算法理論上允許少于一半的不合作節(jié)點(diǎn)，BFT等確定性算法理論上則允許不超過1/3的不合作節(jié)點(diǎn)。

3、交易性能

通常，區(qū)塊鏈并不適用于高頻交易的場(chǎng)景，但由于金融系統(tǒng)的需求，業(yè)界目前十分關(guān)心如何盡量提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易性能，包括吞吐量和確認(rèn)延遲兩個(gè)方面。
目前，公開的比特幣區(qū)塊鏈只能支持平均每秒約7 筆的吞吐量，安全的交易確認(rèn)時(shí)間為一個(gè)小時(shí)左右；以太坊區(qū)塊鏈的吞吐量略高，能達(dá)到幾十筆每秒，但交易性能也是較大的瓶頸。
為了提高處理性能，一方面可以提升單個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能(如采用高配置的硬件)，同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化的策略和算法，提高性能；另外一方面可將交易處理卸載(off-load)到鏈下。只用區(qū)塊鏈記錄最終交易信息，如比特幣社區(qū)提出的閃電網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計(jì)。側(cè)鏈(side chain)、影子鏈(shadow chain)等思路在當(dāng)前階段也有一定的借鑒意義，可將整體性能提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。
聯(lián)盟鏈場(chǎng)景下，參與多方存在一定的信任前提和利益約束，可以采取更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，換來性能的提升。以Hyperleger Fabric項(xiàng)目為例，在普通虛擬機(jī)配置下，單客戶端每秒可以達(dá)到數(shù)百次(Transactions per second，TPS)的交易吞吐量；在有一定工程優(yōu)化或硬件加速情況下可以達(dá)到每秒數(shù)千次的吞吐量。
目前開源區(qū)塊鏈系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足不少應(yīng)用場(chǎng)景的性能需求，但離大規(guī)模交易系統(tǒng)每秒穩(wěn)定數(shù)萬筆的吞吐性能還有較大差距。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，VISA系統(tǒng)的處理均值為2000 TPS，峰值為56,000TPS；某金融支付系統(tǒng)的處理峰值超過85,000TPS；大型證券交易所的處理均值在 80,000TPS左右。

4、可擴(kuò)展性

常見的分布式系統(tǒng)，可以通過橫向增加節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)的處理能力。
大部分區(qū)塊鏈系統(tǒng)的性能很大程度上取決于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力，節(jié)點(diǎn)需要滿足高性能、安全、穩(wěn)定、硬件輔助加解密能力。例如，對(duì)于比特幣和以太坊區(qū)塊鏈，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)參與維護(hù)的核心節(jié)點(diǎn)都要保持一份完整的存儲(chǔ)，并且進(jìn)行智能合約的處理。此時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總存儲(chǔ)和計(jì)算能力，取決于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力。甚至當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)過多時(shí)，可能會(huì)因?yàn)楣沧R(shí)延遲而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。尤其在公有網(wǎng)絡(luò)中，由于大量低性能處理節(jié)點(diǎn)的存在，問題將更加明顯。
要解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，根本上是放松對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須參與完整處理的限制(網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)要能合作完成完整的處理)，已經(jīng)在超級(jí)賬本項(xiàng)目中得到應(yīng)用；同時(shí)盡量減少核心層的處理工作，甚至采用多層處理結(jié)構(gòu)來分散交易。
在聯(lián)盟鏈模式下，可以專門采用高性能的節(jié)點(diǎn)作為核心節(jié)點(diǎn)，用相對(duì)較弱的節(jié)點(diǎn)作為代理訪問節(jié)點(diǎn)。
另外，未來必然會(huì)涉及到不同賬本之間互通的跨鏈需求。超級(jí)賬本的Quilt項(xiàng)目和W3C的Interledger Payments工作組已對(duì)此問題開展研究。

5、安全防護(hù)

區(qū)塊鏈目前最熱門的應(yīng)用場(chǎng)景是金融相關(guān)的服務(wù)，安全自然是最敏感也是挑戰(zhàn)大的問題。

6、數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)系統(tǒng)

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的大量信息需要寫到文件和數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。
區(qū)塊鏈的應(yīng)用需要進(jìn)行大量的讀寫操作、Hash計(jì)算和驗(yàn)證操作，跟傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的行為十分不同。
LevelDB、RocksDB 等鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)，具備很高的隨機(jī)寫和順序讀、寫性能,以及相對(duì)較差的隨機(jī)讀的性能，被廣泛應(yīng)用到了區(qū)塊鏈信息存儲(chǔ)中。但目前來看，面向區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)仍然是需要突破的技術(shù)難點(diǎn)之一，特別是如何支持更豐富語義的操作。未來將可能出現(xiàn)更具針對(duì)性的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，專門服務(wù)區(qū)塊鏈新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其中每條記錄將包括一個(gè)完整的區(qū)塊信息，并天然地跟歷史信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一旦寫入確認(rèn)則無法修改。所有操作的最小單位將是一個(gè)塊。需要原生支持高效的簽名和加解密處理。

7、集成和運(yùn)營(yíng)治理

大部分企業(yè)內(nèi)和企業(yè)之間都已經(jīng)存在一些信息化產(chǎn)品和工具，例如處于核心位置的數(shù)據(jù)庫(kù)、企業(yè)信息管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。企業(yè)在采用新的產(chǎn)品時(shí)，往往會(huì)重點(diǎn)考察與已有商業(yè)流程和信息系統(tǒng)進(jìn)行集成時(shí)的平滑度。
兩種系統(tǒng)如何共存，如何分工，彼此的業(yè)務(wù)交易如何進(jìn)行合理傳遞，出現(xiàn)故障如何排查和隔離，已有數(shù)據(jù)如何在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行遷移和災(zāi)備，都是很迫切要解決的實(shí)際問題。解決不好，將是區(qū)塊鏈技術(shù)落地的不小阻礙。
雖然大部分區(qū)塊鏈系統(tǒng)在平臺(tái)層面都支持了非中心化機(jī)制，在運(yùn)營(yíng)和治理層面確往往做不到非中心化。以比特幣網(wǎng)絡(luò)為例，歷史上多次發(fā)生過大部分算力集中在少數(shù)礦池的情況，同時(shí)軟件的演化路線集中在少數(shù)開發(fā)者手中。運(yùn)營(yíng)和治理機(jī)制是現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)中普遍缺失的，但在實(shí)際應(yīng)用中又十分重要。
如何進(jìn)行合理的共識(shí)、高效的治理仍屬于尚未解決的問題。公有鏈中試圖通過將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的令牌與經(jīng)濟(jì)利益掛鉤，維護(hù)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行；聯(lián)盟鏈中通過商業(yè)合作和投票等方式，推舉聯(lián)盟治理機(jī)構(gòu)，進(jìn)行聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理。但相關(guān)機(jī)制仍需在實(shí)踐過程中不斷完善和改進(jìn)。以供應(yīng)鏈場(chǎng)景為例，動(dòng)輒涉及到數(shù)百家企業(yè)，上下游幾十個(gè)環(huán)節(jié)，而且動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)，都需要分布式賬本平臺(tái)能提供很強(qiáng)的治理投票和權(quán)限管控機(jī)制。

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網(wǎng)頁名稱：區(qū)塊鏈快速入門（五）——區(qū)塊鏈技術(shù)的演化-創(chuàng)新互聯(lián)
文章出自：http://chinadenli.net/article40/dgjgeo.html

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