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区块链技术的发展与应用:现状与挑战

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区块链技术发展及应用:现状与挑战

一.导言

区块链是以链式方式组合块的数据结构,每个块通过哈希与前一个块相连,从而实现可追溯性;同时使用密码学来保证数据不可被篡改和伪造。每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的共识。每个参与者都可以参与数据的记录和存储,并且可以拥有整个区块链数据的备份。因此,在没有中心控制节点的情况下,采用分布式集合运算的方法构建分布式对等网络。因此,区块链技术具有很多优势,如去中心化、分布式、不信任、数据不可篡改、可追溯性等。

区块链技术源于2008年一位笔名为SatoshiNakamoto的学者发表的开创性论文《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)。该技术因其分布式、去信任、不可篡改等优势,被认为是构建未来“信任互联网”和“价格互联网”的支撑技术,成为全球创新领域最受关注的话题,受到投资界、学术界、产业界和政府部门的热烈追捧。虽然各国政府对比特币和各种虚拟货币的态度各不相同,但大多数政府对区块链技术持非常积极的态度。

近年来,联合国、国际货币基金组织等机构以及一些发达国家相继发布了一系列关于区块链的报告,探索区块链技术及其应用。目前,区块链技术的应用领域已经超越金融领域,在供应链、征信、身份认证、慈善、物联网等领域也逐渐投入实践。创业型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,2012年以来,全球区块链企业数量快速增长,复合增长率超过65.2%。一个乐观的预测认为,到2025年,全球GDP的10%将由区块链技术储存。据数字市场漫威(DMR)估计,到2024年,区块链的产业规模有望达到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方面投入了大量资金。2017年,美国至少有8个州提出并研究了加强区块链技术应用的法案。2018年2月,美国众议院连续举行了两场区块链听证会,讨论区块链技术的新应用。国务院强调,通过区块链技术实现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一项试点计划,以确定区块链技术是否可用于供应链管理。它还采取措施完善基于区块链加密货币的“反洗钱/CFT”的相关法律,并与金融机构建立公私伙伴关系以共享信息。佛蒙特州南伯灵顿将尝试区块链技术来记录房地产交易。加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将承认区块链签名和智能合同。美国纽约州电力公司TransActive Grid提出了基于区块链的P2P分布式微电网网络新能源概念,通过区块链构建微电网网络,提高清洁能源利用率,将剩余电量记录在区块链上,通过智能合约出售给周边用户。

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方面具有巨大潜力。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可用于政府和公共机构之间的应用系统。日本政府大力支持区块链和数字货币产业,成立了首个区块链行业组织——日本区块链协会(JBA)和区块链合作联盟。俄方正在大力推动区块链基础设施建设。俄罗斯最大的银行俄罗斯储蓄银行(Sberbank)与政府合作,与区块链进行文件转移和保存,成为区块链的真实应用案例。加拿大有一个庞大的区块链创业社区,聚集了包括以太坊创始人Vitalik Buterin在内的一大批区块链顶尖人才。加拿大证券监督管理委员会(CSA)最近推出了一项新的“Fintech SandBox”计划,以促进加拿大区块链行业的发展。

区块链技术起源于开源社区,发展于社区。此后逐渐受到金融机构、it巨头等机构的关注。比如以比特币、以太坊为代表的开源项目,主要是公链,打造区块链公共平台;Linux基金会于2015年推出的Hyperledger专注于联盟链技术的研究。同时,国际互联网巨头如IBM、微软Azure、AWS等。正在尽最大努力构建支持区块链应用的基础设施,即区块链即服务(BaaS)。

自2016年以来,我国政府还通过各种形式关注和支持区块链技术和产业的发展。2016年10月,工信部发布《中国区块链技术和应用发 展白皮书(2016)》 [1]。同年12月,区块链首次作为战略性前沿技术和颠覆性技术写入国务院“十三五”国家信息化规划,明确指出要加强区块链等新技术的创新、试验和应用,抢占新一代信息技术主导权。中国人民银行于2017年成立了数字货币研究所,研究在数字货币中发行和支持这一技术的商业运营框架。基于中国人民银行区块链的数字票据交易平台于2017年初进入试运行阶段,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知名互联网公司也积极布局区块链产业。全国也有100多家区块链创业公司,主要针对区块链基础设施技术的研发及其在征信、供应链、资产管理、物联网等行业的应用。2008年至2017年,中国区块链技术专利申请量位居世界第一,共提交专利申请550件;美国的专利申请数量位居世界第二,提交了284份专利申请。

三。区块链面临的技术挑战

这是比特币区块链技术的首次成功应用。截至目前,比特币区块链系统已经运行了8年多。除了有限的几个分叉外,没有发生重大安全事故,充分显示了其强大的稳定性和安全性。目前区块链技术的大部分应用仍然集中在金融领域,如数字货币、跨境支付、证券交易、产权登记和认证等。但是,它仍然需要克服许多问题,如性能问题和监管问题,以便在未来广泛应用于金融领域。

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,追溯货物生产运输全过程,从而提高供应链管理效率,降低物流成本。当纠纷发生时,就变得更容易追溯和证明。然而,供应链管理往往涉及许多实体,包括物流、资金流、信息流等。这些实体之间有许多复杂的协作和通信

在制造业领域,应用了工业4.0,可以用区块链记录生产过程的每一步。针对生产过程中的不同参与者,采用不同的权限访问区块链,以便为参与者提取相关信息,并以更可靠和安全的方式确认生产过程中的步骤。但是不同的终端和传感器都要参与到区块链网络中进行协作和验证,所以目前的物联网终端和传感器的计算能力和存储都难以支撑,区块链网络的实时协作也亟待提高和优化。

在能源领域,基于区块链的微电网也存在可扩展性问题和验证交易的能耗问题。此外,由于区块链本身存储能力有限,应用于社交、电商领域时,需要考虑大量数据的存储、交易效率等。

目前,区块链工业正在高速发展,区块链技术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起步阶段,在区块链体系结构、共识算法、隐私保护、智能合约、跨链交易等方面面临技术挑战。日益制约区块链技术和工业的发展。尽快找到有效的解决方案,实现关键技术突破,加强和完善区块链领域的理论基础和关键技术,是当前区块链发展浪潮中的关键点和“杀手锏”。

(1)区块链建筑研究

区块链架构是区块链系统运行的基础。然而,随着用户数量和系统规模的不断增加,其吞吐量低、交易确认时间长、共识节点访问速度慢、存储资源浪费等问题越来越突出,严重影响了用户的使用和行业扩张。近年来,工业界和学术界从区块链结构设计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)采用并行的思想,将用户分成不同的网络分片,并行处理不相交的事务集,从而提高整体性能。但是在处理涉及不同碎片的交易时,需要复杂的跨碎片通信,成本很高。等离子利用侧链的层次树划分全网,“分而治之”扩大交易规模。

上链和下链协同架构:闪电网基于类比特币的区块链,提出将交易流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和结算。本质上,闪电网并没有提高链上交易的性能,链外交易也没有存储在区块链中,会影响交易的可追溯性。作为“以太坊版”的闪电网,闪电网可以与分片、等离子相结合,进一步提升交易处理能力。

并行化和链间协作等新架构为解决区块链性能和资源占用问题提供了新的研究方向。然而,这些研究工作仍处于相对初级的阶段,许多具体问题如并行化体系结构的合理分片、跨片通信、链间协作的去中心化、可追溯性等仍缺乏高效的算法和机制。

(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的所有节点能够保持相同的事务内容和顺序,是区块链系统的核心机制。目前,广泛使用和常见的一致性算法包括工作量证明算法(PoW)、公平性证明算法(PoS)、份额授权证明算法(DPoS)和拜占庭容错算法(PBFT)[2]。这些算法有自己的优点,但也有自己的问题(见表1)。

近年来,一些新的一致性算法被提出以满足实际应用的需要。Algorand通过口令抽签机制随机选择一组验证者使用优化的拜占庭协议进行共识,提高共识的效率[3];比特币-NG证明被选中的领导者发布交易微块t

然而,无论是经典的共识算法如PoW和PBFT,还是新算法如Algorand和Bitcoin-NG,都面临着“三个两难”的问题,即区块链系统最多只能优化去中心化、高性能和安全性三个目标中的两个。寻找“三个困境”的最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交易信息导致的账户隐私泄露问题。目前主要通过直接或间接隐藏用户的关键信息来实现。典型的隐私保护技术包括:CoinJoin、秘密地址、环签名[5]和zkSNARKs零知识证明算法[6]。

混合货币技术、秘密地址和环签名技术只是间接隐藏交易中涉及的关键信息,可靠性不足;Zk-SNARKs零知识证明算法是一种直接隐藏信息的算法,但存在“可靠公开参数”和效率低的问题。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并不具备抵抗量子攻击的能力。新的zk-STARKs零知识证明算法完全依赖于哈希和信息论,解决了zk-SNARK的“可信设置”问题,具有抵抗量子攻击的能力。但是研究处于初级阶段,技术不成熟,证据太大。因此,设计一种既能保证高效性和安全性,又能保证关键信息隐藏和交易有效性验证的技术方案,仍然是区块链研究未来的主要技术挑战。

关于区块链智能合同的研究

Nick Szabo在1996年首次提出了智能合同的概念:智能合同是一组以数字形式定义的协议,包括合同参与者可以执行这些协议的协议。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,让智能合约可以根据预设的合约协议自动执行,而无需信任第三方。目前对智能合约的研究主要集中在智能合约的虚拟机、智能合约的升级、链下数据的可信馈入。

智能合约虚拟机可分为两类:自主可控虚拟机,如以太坊虚拟机(EVM);使用现有成熟编译运行时环境的虚拟机,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高,但不可控因素多。然而,目前EVM等自主可控虚拟模拟器的运行效率还存在一些问题。目前的研究工作主要包括Solidity编译器的优化、适用于智能合约的Web Assembly (WASM)执行环境的开发等。都在前期研究阶段。

智能合同是现实世界合同的计算机化交易协商。在开发智能合约的过程中,开发人员不可能考虑到所有情况。当链中的智能合约没有按预期工作时,他们需要升级智能合约并解释其行为。Corda提出,契约的法律文本应该与代码结合起来,存储在链中。当合同代码出现意外行为时,以法律文本为准,但仍缺乏升级代码的灵活性。因此,这种可扩展、可解释的完整智能合约方案是智能合约大规模应用的关键。

智能合约存在于区块链空间,与链下的现实活动关联是其大规模应用的前提。Oraclize通过加密证明将智能合约与Web API链接起来,使智能合约无需额外信任即可获取真实世界的真实活动数据;3 IC提出了一个可信数据馈送系统town crier(TC),它通过英特尔最新的可信硬件SGX向智能合约提供经过认证的可信和机密数据。然而,现有的可信数据馈送解决方案灵活性差。比如Oraclize需要返回整个https请求响应,依赖链下的集中式服务器,TC无法支持代码更新。因此,有必要研究一种新的灵活可信的mee数据馈送解决方案

(5)区块链跨链传播研究

由于区块链技术广泛应用于加密数字货币、资产跟踪、身份管理等领域。出现了许多离散的区块链系统,这些独立的区块链需要相互交易才能实现价值最大化,因此有必要研究跨链通信技术。解决跨链事务的有效性、可伸缩性和原子性问题是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的代表性方案有pairwise communication、Interledger、Cosmos、Polkadot等。配对通信通过获取对方区块链和具体交易的块头简化支付验证(SPV)证明,可以在没有外部参与的情况下验证跨链交易的有效性;Interledger通过构造连接器找到将资金转移到接收方的方法,资金在连接器之间转移,从而实现跨链;宇宙利用枢纽和区域。当源区域和目的区域进行跨链交易时,Hub跨链转发区域形成的数据包;Polkadot的设想是实现异构区块链之间的交叉链接,同时发生的事务可以在不同的区块链上并行执行,从而提高系统的吞吐量。

上述跨链通信方案大多面向特定的跨链场景,性能较低。例如,配对通信仅限于交易存在性验证,Interledger和Cosmos仅用于跨链转移的单一功能;尽管Polkadot支持更多类型的交叉链,但它仍处于非常早期的方案设计阶段。随着越来越多的跨链交易需求,迫切需要实现一种安全、高效、通用的跨链技术方案。

第四,高通量区块链

性能是制约区块链技术未来大规模应用的重要瓶颈之一。目前广泛使用的公链(如比特币、以太坊)、联盟链(如超级账本)都无法支持高频交易的场景,吞吐量与高频交易的实际需求(如支付、大规模物联网)有几个数量级的差距。为了弥补这一空白,中科院计算所开展了高通量区块链技术的研究。

与现有的很多性能优化工作主要集中在协议和算法层面[2~4]不同,中科院计算所的高通量区块链技术研究重点是底层架构层面的技术突破,包括区块链基础设施和承载区块链系统的硬件架构。首先,在区块链基础设施上,通过构建事务映射,将原区块链划分为许多切片,并行处理不同切片的事务记录。片上共识采用流水线技术优化共识效率,通过计费节点聚合机制的随机轮换,在保证安全性的同时提高了效率。对于跨切片事务,设计了链间跨切片通信架构(见图1),通过切片网关和互联链节点的协作实现事务的跨切片通信。其次,在硬件架构方面,针对现有通用计算架构效率低下,专用芯片对特定算法的应用范围有限的问题,提出了支持自定义算法的专用芯片架构(见图2)。通过抽象各种共识和验证签名算法的计算核心,设计了基于松耦合计算核心的芯片架构,并利用区块链算法本身的容错性简化了功能单元的设计,从而提高了计算吞吐量。

图1链间交叉分段通信架构

图2高通量区块链芯片架构的优化

动词(verb的缩写)政策建议

目前,中国的投资界、产业界、学术界和政府都非常关注这一热门的区块链技术。然而,许多项目只是披着区块链的“外衣”,就像互联网发展的早期一样。著名的信息技术研究和咨询机构Gartner每年都会发布《炒作周期》,其中指出任何技术的发展都要经历五个阶段:最初的上升阶段、热炒的扩张阶段、幻灭的萧条阶段、稳步攀升阶段、成熟的真正量产阶段。云计算、大数据、虚拟现实等都是如此。区块链科技也不例外。经过两年的热炒,区块链技术必须经过扎实的技术研发、各方面的准备和准备,才能大规模形成产业,影响社会进步、经济发展、人民生产生活,最终“飞入寻常百姓家”。

所以,对待区块链科技,不能盲目跟风,需要理性看待。我们既要看到区块链技术的优势和可能的变化,也要认识到当前区块链技术的不足和挑战。从技术层面,要加大区块链底层和基础技术的R&D和优化;从治理层面,要及时跟进制定法律法规,创新监管模式;从人才层面来说,要加强跨学科人才的培养,补充人才的空缺。

(1)应重视区块链底层技术的研发。

我们应该清醒地认识到,国内区块链产业蓬勃发展的背后,是区块链底层技术研发投入不足的现实。目前大部分区块链项目和区块链团队都是基于国外提出的比特币、以太坊、超级账本等区块链平台,或者进行二次开发或者直接探索其在特定领域和行业的应用。

为了应对区块链技术发展和大规模应用所面临的性能、安全等挑战,区块链底层技术的创新是重中之重。应加大R&D在架构、共识算法、验证和签名机制、(跨链)通信协议、独占硬件等方面的投入。耐心从底层R&D做起,从而实现技术自主可控,引领全球区块链技术发展。

(二)创新监管模式的需要。

不同于传统的互联网应用,它有一个特殊的运营单元,可以作为特定的监管对象。一旦部署了区块链应用程序(DAPP ),所有可以自由访问的节点和参与者共同负责。没有集中的节点和存储,也没有具体的机构负责。这给区块链应用的监管带来了巨大的挑战。

因此,一方面,国家在鼓励区块链技术和应用发展的同时,应该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核和部署;另一方面,从信息技术工具层面,要加大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R&D投入和力度,引进人工智能、大数据、信息安全等先进技术,实现对区块链平台和应用的科技监管。

(3)强化跨学科人才。

智能合同是一个在区块链上运行的计算机程序。区块链技术让人们在去中心化的情况下达成共识,而智能合约决定了能达成什么样的共识。换句话说,区块链只是一个分布式记账方式形成的公共账本,而智能合约则进一步与千千成千上万个不同的应用场景和经济活动相结合,规定谁在什么情况下与谁记账,进而产生什么样的账本。

未来将建设区块链系统的基础设施。在商业应用场景中,区块链技术所谓的广泛应用就是la

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作者: 买土地

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