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区块链技术发展及应用:现状与挑战
发布时间:2022年05月16日

区块链是一种把区块以链的方式组合在一起的 数据结构,每一个区块通过散列的方式与上一个区 块相连,实现了可追溯;同时,用密码学保证了数 据的不可篡改和不可伪造。每一个区块的生成,都 是参与者对整个系统交易记录的事件顺序和当前状态建立的共识。每一个参与者都可以参与数据的记 录、存储,都可以拥有整个区块链数据的备份,从 而在没有中央控制节点的情况下,使用分布式集体 运作的方法,构建了一个分布式对等网络。因此, 区块链技术具有去中心化、分布式、去信任、数据 不可篡改、可追溯等诸多优点。

区块链技术起源于化名为“中本聪(SatoshiNakamoto)”的学者在 2008 年发表的奠基性论文 《比特币:一种点对点电子现金系统》。作为比特 币的底层实现技术,区块链是一种分布式账本技术 (DLT),由于其具有分布式、去信任、不可篡改等 优点,该技术被认为是构建未来“信任互联网”“价 值互联网”的支撑性技术,已成为全球创新领域最 受关注的话题,受到投资界、学术界、工业界及政 府部门的热烈追捧。虽然各国政府对比特币和各种 虚拟币的态度各不相同,但对区块链技术大多持积 极的态度。

近年来,联合国、国际货币基金组织等机构 以及多个发达国家先后发布了有关区块链的系列报 告,探索区块链技术及其应用。当前,区块链技术 的应用领域已经超越了金融领域,并逐步在供应链、 征信、身份认证、公益慈善、物联网等领域展开实 践。创业公司如雨后春笋般涌现,乌镇智库 2017 年 发布的《区块链产业发展白皮书》指出,自 2012 年 以来,全球区块链企业数量以超过 65.2 % 的复合增 长率快速增长。一种乐观的预测认为,到 2025 年 之前,全球 GDP 总量的 10 % 将利用区块链技术储 存。据数字市场漫记(DMR)估计,到 2024 年, 区块链产业规模有望达到 200 亿美元。

二、国内外行业应用现状

作为互联网技术的发源地,美国在区块链技术 和应用上投入巨大。2017 年,美国至少有 8 个州提 出和研究了提升区块链技术应用的法案。2018 年 2 月,美国众议院连续两次召开区块链听证会, 探讨区块链技术的新应用。美国国务院强调通 过区块链技术提高透明度,可以解决腐败、欺诈 或挪用公共采购资金的问题。美国财政部正在进 行试点计划,以确定区块链技术是否可以用于供 应链管理,还采取了措施来改善针对基于区块链 加密货币的“反洗钱 / 打击恐怖主义融资(AML/ CFT)”的相关法律,并与金融机构形成公私合 作关系(PPPs)以共享信息。佛蒙特州的南柏林 顿市将试用区块链技术,记录房产交易。加利福 尼亚州立法者已经提交了一项法案,如果能够顺 利通过,那么该州的电子记录法律将会认可区块 链签名和智能合约。纽约州电力公司 TransActive Grid 提出了基于区块链的 P2P 分布式微电网络的 新能源概念,通过区块链建立微电网网络,提高清洁能源利用率,在区块链上记录剩余的电量并通 过智能合约卖给邻居用户。

2016 年 1 月,英国政府发布了一份名为《分布 式账本技术:超越区块链》的报告。报告指出,区 块链技术在改变公共和私人服务领域都有着巨大的 潜力。除了创建一个基于区块链的公共平台为全民 和社会提供服务,英国政府还计划开发一个能够在 政府和公共机构之间使用的应用系统。日本政府则 大力支持区块链和数字货币行业,建立了首个区块 链行业组织——日本区块链协会与区块链 合作联盟。俄罗斯正在大力推动区块链基础设施建 设,俄罗斯最大的银行 Sberbank 与政府合作,用区 块链转移和保存文件,成为区块链真实的应用案例。 加拿大有一个庞大的区块链创业社区,汇集了包括 以太坊创始人 Vitalik Buterin 在内的一大批区块链人才。加拿大证券管理委员会(CSA)日前主 动地推出了新的“Fintech 沙箱(SandBox)”计划, 以促进加拿大区块链行业的发展。

区块链技术发源于开源社区,并在社区中发展壮大,此后逐渐受到金融机构、IT 巨头等机构的关注。例如,以比特币、以太坊为代表的开源项目 主要以公有链为主,打造了区块链公共平台;Linux 基金会于 2015 年发起的账本项目(Hyperledger)则偏重于研究联盟链技术。同时,IBM、微软 Azure、AWS 等互联网国际巨头企业正在打造支持区块链应用的基础设施,区块链即服务(Blockchain as a Serveice,BaaS)。

2016 年以来,我国政府也通过多种形式关注 和支持区块链技术和产业的发展。2016 年 10 月, 工业和信息化部发布《中国区块链技术和应用发 展白皮书(2016)》[1],同年 12 月区块链首次 被作为战略性前沿技术、颠覆性技术写入国务院 “十三五”国家信息化规划,明确提出需加强区块 链等新技术的创新、试验和应用,以实现抢占新 一代信息技术主导权。中国人民银行在 2017 年成 立了数字货币研究所,研究数字货币发行和支撑该 技术的商业运作框架。中国人民银行的基于区块 链的数字票据交易平台于 2017 年初进入试运行阶 段并测试成功。此外,腾讯计算机系统有限公司、 阿里巴巴网络技术有限公司等国内互联网公 司也积极布局区块链产业,全国另有超过 100 家 区块链创业公司,主要瞄准区块链基础设施技术 研发及其在征信、供应链、资产管理、物联网等行业的应用。2008—2017 年,我国区块链技术领 域专利申请数量全球第一,共递交 550 份专利申 请;美国专利申请数量全球第二,共递交 284 份专 利申请。

三、区块链面临的技术挑战

比特币是区块链技术的第一个成功应用。截至目前,比特币区块链系统已经运行了 8 年多,除了有限的几次分叉,没有出现重大安全事故,充分显 示了其强大的稳定性和安全性。区块链技术目前的应用大多仍集中在金融领域,例如,数字货币、跨境支付、证券交易、财产注册与认证等。然而,其 未来要在金融领域做大规模推广应用还需要攻克很 多问题,如性能问题、可监管性问题等。

在供应链领域,通过区块链,供应链各方可以获 得一个透明可靠的统一信息平台,实时查看状态,追 溯物品的生产和运送整个过程,从而提高供应链管理 效率、降低物流成本。当发生纠纷时,追查和举证也 变得更加容易。然而,供应链管理往往涉及到诸多 实体,包括物流、资金流、信息流等,这些实体之 间存在大量复杂的协作和沟通,应用区块链进行链 上链下的有效协同,也存在诸多技术难题需要攻关。

在制造业领域,工业 4.0 应用,可以使用区块 链来记录生产过程的每一步,对于生产过程中的不 同参与者,采用不同的权限来访问区块链,以更加 可靠和安全的方式,为参与者提取相关信息并确认 生产过程中的步骤。但是不同的终端和传感器要参 与区块链网络,进行协同和验证,当前的物联网终 端和传感器计算能力及存储很难支撑,而区块链网 络协同的实时性也亟待提高和优化。

在能源领域,基于区块链的微电网络,也存在 可扩展性问题和验证交易的能源消耗问题等。此外、由于区块链自身的存储能力有限,应用于社交、电子商务等领域时,还要考虑大量数据存储问题、 交易效率问题等。

当前区块链行业正高速发展,区块链技术也得 到了越来越多的应用。然而,在基础研究领域,国 内外相关研究工作仍处于初步阶段,区块链体系结 构、共识算法、隐私保护、智能合约、跨链交易等 方面的技术挑战越来越制约着区块链技术及行业的 发展。尽快寻找有效方案,实现关键技术突破,增强完善区块链领域的理论基础与关键技术是当前区 块链发展浪潮中的关键点与“杀手锏”。

(一)区块链体系结构研究

区块链体系结构是区块链系统运行的基础,但 随着用户数量、系统规模的不断增加,其吞吐量低、 交易确认时间长、共识节点接入速度慢、存储资源 浪费等问题愈发突出,严重影响用户使用与行业拓 展。近几年,工业界和学术界从区块链结构设计等 方面开展了一些初步的研究工作。

并行化架构:区块链分片技术(Sharding)采 用并行化思想,将用户划分到不同的网络分片内, 并行处理不相交的交易集合,进而提升整体性能, 但处理涉及不同分片的交易时,需要经过复杂的跨 分片通信,开销很大。 则通过利用侧链层次 树划分整个网络,用“分治”来扩大交易规模。

链上、链下协同架构:闪电网络(Lightning Network)以类比特币区块链为基础,提出将交易 过程尽可能放在链下,进行链下快速交易,而链上 交易仅用于担保与结算。本质上,闪电网络并没有 提升链上交易性能,并且链下交易环节未存储到区 块链中,会影响交易的可追溯性。雷电网络(Raiden Network)作为“以太坊版本”的闪电网络,可与 Sharding、结合,进一步提升交易处理能力。

并行化、链上链下协同等新型架构为解决区块 链的性能和资源占用问题提供了新的研究方向,但 是这些研究工作目前还处于相对早期的阶段,很多 具体的问题如并行化架构的合理分片、跨片通信、 链上链下协同的去中心化、可追溯等问题还缺少高 效的算法和机制。

(二)区块链共识算法研究

区块链共识算法保证了区块链系统中各节点 可以维护相同的交易内容和顺序,是区块链系统 的核心机制。目前应用比较广泛的、常见的共识 算法包括工作量证明算法(PoW)、权益证明算法 (PoS)、股份授权证明算法(DPoS)以及拜占庭 容错算法(PBFT)[2],这些算法各有优势但也都 存在自身的问题(见表 1)。

近年来,为了适应实际应用的需求,一些新型 共识算法被提出。Algorand 通过密码抽签机制随机 选取一组验证者使用优化的拜占庭协议进行共识来提高共识效率 [3];Bitcoin-NG 通过工作量证明选取的发布交易微块,一定程度上改善了比特币 区块链 PoW 共识的性能 [4];Casper 通过锁定保证 金的验证人下注共识以提升 PoS 算法实现的安全性 以及去中心化程度。

表 1 几种常见的共识算法对比

然而,无论是 PoW、PBFT 这些共识算法 还是 Algorand、Bitcoin-NG 这些新型算法都面临“三 难困境”问题,即区块链系统最多只能同时优化去 中心化、高性能以及安全性三种目标中的两个,寻 求“三难困境”的优解将是未来的主要研究方向 和技术挑战。

(三)区块链隐私保护研究

区块链隐私保护是为了解决公开的交易信息带 来的账户隐私泄漏问题。目前主要通过直接或间接 隐藏用户关键信息来实现,典型的隐私保护技术包 括:混币技术(CoinJoin)、隐秘地址(Stealth Address)、环签名技术(Ring Signature)[5] 以及 zkSNARKs 零知识证明算法 [6]。

混币技术、隐秘地址以及环签名技术只是间 接隐藏交易涉及的关键信息,在可靠性方面存在不 足;zk-SNARKs 零知识证明算法虽然属于直接隐藏 信息,但是其具有“可信赖的公共参数”以及效率 低下的问题。同时,量子计算的不断发展对隐私保 护研究提出了新的要求,而这些典型的隐私保护技 术都不具备抗量子攻击能力。新提出的 zk-STARKs 零知识证明算法完全依赖散列和信息理论,解决了 zk-SNARK“可信赖的设置”问题并具备抗量子攻击 的能力,但是该研究处于早期阶段,技术还不成熟且 存在证据过大等缺点。因此,设计既能保证高效安全, 还能保证交易关键信息隐藏与交易有效性验证的技 术方案依然是未来区块链研究面临的主要技术挑战。

(四)区块链智能合约研究

Nick Szabo 于 1996 年首次提出了智能合约的 概念:一个智能合约是一套以数字形式定义的约定,包括合约参与方可以在上面执行这些约定的协 议。区块链为智能合约提供了一个去中心化、不可 篡改、公开透明的运行环境,使得智能合约无需信 任第三方即可根据预设合约协议自动执行。目前针 对智能合约的研究主要围绕智能合约虚拟机、智能 合约升级、链下数据可信喂养等方面展开。

智能合约虚拟机可以分为两大类:自主可控的 虚拟机,如以太坊虚拟机(EVM);使用现有成熟 的编译运行环境的虚拟机,如 Java 虚拟机(JVM)。 使用现有成熟编译运行环境的虚拟机运行效率较 高,但不可控因素较多,而 EVM 等自主可控的虚 拟机当前的运行效率还存在较大问题。目前的研究 工作主要有 Solidity 编译器的优化、适合智能合约 的 Web 程序集(WASM)执行环境研发等,上述工 作均处于早期研究阶段。

智能合约是现实世界契约的计算机化交易协 议,在智能合约的开发过程中,开发者无法将所有 情况考虑在内,当链上的智能合约没有按照预期运 行时,就需要升级智能合约,并且对智能合约的行 为作出解释。Corda 提出将合约法律文本与代码结 合存储于链上,当合约代码发生未预期的行为时以 法律文本为准,但仍缺乏代码可升级的灵活性,因 此一套可升级且可解释的智能合约完整方案是智能 合约大规模应用的关键所在。

智能合约存在于区块链空间,与链下真实世界 活动相关联是其大规模应用的前提。Oraclize 将智 能合约与 Web API 通过加密证明链接起来,使得智 能合约无需额外的信任,即可获得现实世界的真实 活动数据;IC3 提出可信数据喂养系统 Town Crier (TC),通过英特尔最新可信硬件 SGX 向智能合约 提供认证可信以及机密性数据。然而,现有的可信 数据喂养解决方案灵活性较差,如 Oraclize 需要将 整个 https 请求响应返回并且依赖于链下的中心化 服务器,TC 无法支持代码的更新,需要研究新型 灵活、可信的数据喂养方案以满足智能合约对链外 数据的喂养需求。

(五)区块链跨链通信研究

随着区块链技术被广泛应用于加密数字货币、 资产追踪、身份管理等领域,产生了很多分立的区 块链系统,而这些独立的区块链需要相互交易进而 实现价值最大化,就需要研究跨链通信技术。解决 跨链交易中有效性、可扩展性、原子性等问题是当 前区块链跨链通信技术的研究重点。

目前区块链跨链通信技术研究代表性方案包括 成 对 通 信、Interledger、Polkadot 等。 成 对通信通过获取对方区块链的区块头与特定交易的 简化付款验证(SPV)证明,可在没有外部参与的 情况下验证跨链交易的有效性;Interledger 通过构 建连接器,找到一条到接受者的资金转移路径,资 金在连接器之间转移,从而实现跨链; 利用 Hub 与 Zone,当源 Zone 与目的 Zone 进行跨链 交易时,Hub 对 Zone 形成的包进行跨链转发;而 Polkadot 的愿景是实现异构区块链之间的跨链,同 时事务可以在不同的区块链上并行执行,从而增加 系统的吞吐量。

上述跨链通信方案大多面向跨链某一具体场景 且性能较低,如成对通信仅于交易存在性验证, Interledger 仅于跨链转账这个单一 功能;虽然 Polkadot 支持的跨链类型更为丰富,但 是其仍处于非常早期的方案设计阶段。随着跨链交 易的需求不断增加,实现安全、高效且通用性好的 跨链技术方案迫在眉睫。

四、高通量区块链

性能问题是制约区块链技术未来大规模应用的 重要瓶颈之一。当前应用广泛的公有链(如比特币、 以太坊)和联盟链(如账本)都无法支持高频 交易的场景,在吞吐量方面与高频交易(如支付、 大规模物联网)的实际需求存在几个数量级的差距。 为了弥补这种差距,中国科学院计算技术研究所开 展了高通量区块链技术的研究。

不同于已有的很多性能优化的工作主要集中在 协议和算法层面 [2~4],中国科学院计算技术研究 所高通量区块链技术的研究聚焦于底层架构层面的 技术突破,包括区块链基础架构以及承载区块链系 统的硬件架构。首先,在区块链基础架构上,通过 构建交易图谱,将原始区块链切分为很多切片,并行处理不同分片的交易记录,片内共识使用流水化 技术优化共识效率,并通过随机轮换记账节点集合 机制,在提升效率的同时保障安全性。对于跨切 片的交易,设计了 InterChain 跨分片通信架构(见 图 1),通过分片网关和互联链节点的协同实现交易 的跨分片通信。其次,在硬件架构上,针对现有通 用计算架构效率不足,而专用芯片仅针对特定算法 应用范围有限的问题,提出支持自定义算法的专用 芯片架构(见图 2),通过抽象各类共识、验证签名 算法的计算内核,设计基于松耦合计算内核的芯片 架构,并利用区块链算法本身的容错性,简化功能 单元设计,从而提升计算通量。

图 1 InterChain 跨分片通信架构

 

图 2 高通量区块链芯片架构优化

 

五、政策建议

当前我国投资界、产业界、学术界以及政府 给予了热炒的区块链技术以高度的关注。然而,很多项目只是披着区块链的“外衣”,犹如当年互联 网发展初期一样,鱼龙混杂。著名信息技术研究 和顾问机构 Gartner 每年都发布的技术成熟度曲线 (the hype cycle)显示,任何一项技术的发展必经 过 5 个阶段:最初的兴起期,热炒的膨胀期,幻 灭的低谷期,稳步的爬升期,以及成熟的实质产 业期。云计算、大数据、虚拟现实等是这样,区 块链技术也不例外。经过这两年热炒之后的区块 链技术,必须经过各方面扎实的技术研发、准备 和铺垫,才可能大规模形成产业,影响社会进步、 经济发展,以及人们的生产生活,最后“飞入寻 常百姓家”。

因此,对待区块链技术,不能盲目跟风,需要 理性看待。既要看到区块链技术的优点和可能带来 的变革,也要认识到当前区块链技术存在的不足和 挑战。从技术层面,要加大区块链底层和基础技术 的研发和优化;从治理层面,要适时跟进制定法律 法规,创新监管模式;从人才层面,要加大交叉学 科人才培养的力度,补充人才空缺。

(一)应重视区块链底层技术的研发

应该清醒地认识到,国内区块链产业风风火火 发展的背后隐藏着区块链底层技术研发投入不足的 现实。目前,大多数区块链项目、区块链团队都是 基于比特币、以太坊、 账本等国外提出的区块 链平台,或进行二次开发,或直接探索在特定领域、 特定行业的应用。

为了应对上述性能、安全性等区块链技术发展 和大规模应用面临的挑战,区块链底层技术的创新 才是重中之重。应该加大在体系结构、共识算法、 验证签名机制、(跨链)通信协议、专属硬件等方 面的研发投入,耐心地从底层研发做起,做到技术 自主可控, 引领全球区块链技术发展。

(二)需要发展创新监管模式

不同于传统互联网应用有专门的运营单位,可 以作为特定的监管对象,秉承分布式、去中心化思 想设计的区块链应用(DAPP)一旦部署,就是所 有自由接入的节点和参与者共同负责,没有中心化 节点和存储,不存在某个特定机构对其负责,这给 区块链应用的监管带来巨大的挑战。

因此,一方面,国家在鼓励区块链技术和应用 发展的同时,要从立法层面积极跟进,引导区块链 的应用方向,规范区块链应用的审查和部署;另一 方面,要从信息技术工具层面,加大针对区块链平 台和应用的监测、分析、判别、预警等信息技术工 具的研发投入和力度,引入人工智能、大数据、信 息安全等先进技术,从而实现对区块链平台和应用 的科技监管。

(三)加强交叉学科人才

智能合约(Smart Contract)是运行在区块链上 的计算机程序。区块链技术让人们可以在去中心化 的情况下达成共识,而智能合约则决定了可以达成 什么样的共识。换言之,区块链只是一个分布式的 记账方式形成的公共账本,智能合约则进一步结合 千千万万个不同的应用场景和经济活动,约定了谁 与谁、在什么情况下记账,进而产生什么样的账本。

未来,区块链体系基础架构搭建完成,在商业 应用场景中,所谓广泛应用区块链技术,很大程度 上就是利用区块链编写智能合约。参与各方进行谈 判和协商,形成合约条款,再编写计算机程序形成 智能合约,并保证准确无误,方能部署运行。编写、 审核智能合约需要精通计算机通信和其他专业领域 的大量跨界人才,需要加强这些交叉学科人才的培 养工作。

参考文献

[1]  中华人民共和国工业和信息化部. 中国区块链技术和应用发展白皮书(2016) [R]. 北京: 中华人民共和国工业和信息化部, 2016.

[2]  Castro M, Liskov B. Practical byzantine fault tolerance [C]. New Orleans: USENIX OSDI, 1999.

[3]  Yossi G, Rotem H, Silvio M, et al. Algorand: Scaling byzantine agreements for cryptocurrencies [C]. Shanghai: ACM SOSP, 2017.

[4]  Eyal I, Gencer A E, Sirer E G, et al. Bitcoin-NG: A scalable blockchain protocol [C]. Santa Clara: USENIX NSDI, 2016. 链接1 链接2

[5]  Bender A, Katz J, Morselli R. Ring signatures: Stronger definitions, and constructions without random oracles [C]. New York: Springer TCC, 2006. 链接1 链接2

[6]  Ben-Sasson E, Chiesa A, Tromer E, et al. Succinct non-interactive zero knowledge for a von Neumann architecture [C]. San Diego: USENIX Security Symposium, 2014. 链接1 链接2