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央行数字货币研究所所长姚谦:区块链技术特点及未来发展趋势

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央行数字货币研究所所长姚前:区块链技术的特点和未来发展趋势

区块链是当今金融科技领域广泛讨论的热门话题。近年来,对这项技术的关注和研究呈现出爆炸式增长的趋势。有学者认为,它是继大型机、个人电脑、互联网、移动互联网之后的第五次计算范式的颠覆性创新。区块链有望像互联网一样彻底重塑人类社会活动的形态,实现从当前的信息互联网向价值互联网的转变。

一、区块链技术的概念、优缺点

区块链技术是以比特币为代表的数字加密货币体系的核心支撑技术。区块链技术的核心优势在于不再需要传统的集中式组织,仅通过加密算法、共识机制、时间戳等技术手段,在不依赖于某个信用中心的分布式系统中实现点对点的交易、协调与合作,从而避免了集中式组织中常见的数据安全、协作效率、风险控制等问题。

区块链技术起源于2008年。狭义的区块链技术是一种去中心化的共享总账,将数据块按照时间顺序以链式的方式组合成特定的数据结构,并由密码学进行保障。它可以在系统中安全地存储简单、有序和可验证的数据。广义区块链技术是一种全新的多中心基础设施和分布式计算范式,使用加密技术验证和存储数据,使用分布式共识算法添加和更新数据,使用运行在区块链上的代码,即智能合约,保证业务逻辑的自动执行。

与传统技术相比,区块链有以下四个优势:

第一,难以篡改,更安全。在传统的信息系统安全方案中,安全依赖于层层设防的访问控制。通过区块链技术,任何人都可以访问记录交易的数据库。然而,由于巧妙的设计和密码术以及共识机制,区块链的数据记录模式使得通过改变所有后续数据记录来修改某个数据变得极其困难。实践证明,这样的数据库可以保证市值数千亿美元的比特币在全球黑客的攻击下稳定运行。

第二,异构,主动,可靠。区块链中的每个系统参与者都是异地的多活动节点,这是一个天然的多活动系统。如果一个节点遇到网络问题、硬件故障、软件错误或者被黑客控制,不会影响系统和其他参与节点。区块链中的节点通过点对点通信协议相互交互。在通信协议一致的情况下,不同的开发人员可以使用不同的编程语言和不同版本的所有节点来处理事务。由此形成的异构软件环境保证了即使某个版本的软件出现问题,区块链的整个网络也不会受到影响,这也是其高可用性的基石。

第三是拥有智能合约并自动执行。智能合同具有透明、可信、自动执行和强制履行等优点。尽管如此,自从Nick Saab在1993年提出以来,智能合同一直停留在概念层面。重要原因是没有环境支持可信代码长期运行,无法实现自动执行。区块链第一次将智能合同的想法变成了现实。

第四,是网状直接合作机制,更加透明。区块链提供了一种不同于传统的方法。它以一种互惠的方式连接参与者,参与者共同维护一个系统。参与者职责明确,无需向第三方转让权利,有利于各方更好的协作。作为信任机器,区块链有望成为一种全新的低成本、高效率的协作模式,形成一种范围更广、成本更低的新协作机制。

区块链虽然具备上述优势,但也实现了比特币的预期设计目标,支持了比特币系统的正常运行。然而,正是因为区块链科技主要服务于B

第一,性能和可扩展性达不到要求。从目前的情况来看,区块链的性能问题是吞吐量和存储带宽远远不能满足全社会的支付需求。同时,随着时间的推移,比特币积累了越来越多的交易数据,对于普通电脑的存储来说是很大的负担。如果单纯通过增加块大小来提高吞吐量,比特币很快就会成为只有少数大公司才能运行的系统,这违背了去中心化的设计初衷。在比特币、以太坊等公链系统中,上述矛盾是系统设计的最大挑战。

在联盟链中,由于参与记账的节点是可以选择和控制的,最弱节点的容量上限不会太低,可以通过资源投入来提高,然后有针对性地更换共识算法等组件,最终实现全方位的性能提升。而作为智能合约基础支撑的联盟链,还有一个考验:智能合约在运行时会互相调用,读写块数据,所以事务的处理顺序就显得尤为重要。如果只能一个一个做,会严重制约节点的处理能力。

第二,数据隐私和访问控制需要改进。在现有的公链中,所有的参与者都可以得到完整的数据备份,所有的数据对参与者都是透明的,参与者不可能只得到特定的信息。比特币通过切断交易地址与地址持有人真实身份之间的联系来实现匿名。所以虽然你可以看到每条转账记录的发送人和接收人的地址,但并不能对应到现实世界中的某个特定的人。对于比特币来说,这样的解决方案可能就足够了。但是,如果区块链需要承载更多的服务,比如注册实名资产,或者通过智能合同实现具体的借款合同,这些合同信息如何存储在区块链中,验证节点在不知道具体合同信息的情况下如何执行合同?目前业内还没有成熟的方案。这些问题在传统信息系统中是不存在的。

第三,治理机制有待完善。公链社区探索了“硬分叉”“软分叉”等升级机制,但遗留问题有待观察。由于公链无法关闭,其错误修复极其困难,一旦出现问题,尤其是安全漏洞,将非常致命。

事实上,通过放松简政放权的限制,可以解决很多问题。例如,在联盟链这样的多中心系统中,通过关闭系统来升级区块链的底层,或者进行紧急干预、回滚数据等。必要时都是可以利用的手段。这些手段有助于控制风险,纠正错误。对于常规代码升级,通过分离代码和数据,结合多层智能合约结构,可以实现可控的智能合约替换。

近年来,互联网的快速发展及其与物理世界的深度耦合和强烈反馈,从根本上改变了现代社会的生产、生活和管理的决策模式。可以预见,未来在集权和分权的两极之间,将会出现一个新的领域。各种区块链系统具有不同程度的去中心化,以满足不同场景的特定需求。

二、区块链技术的最新理论和实践进展

随着社会的繁荣、研究的深入以及不同应用的蓬勃发展,我们对区块链技术的局限性有了更深的理解。在此基础上,针对区块链的一些不足,提出了许多解决方案,主要集中在共识机制、性能、隐私与安全、治理机制和跨链技术等方面。

我们先来看共识机制。共识是所有各方对一项声明达成一致的过程或结果。在博弈论中,大家都知道的信息叫做常识,这只是常识的一个层次。常识也要求每个人都知道别人知道什么,这样每个人都知道别人知道什么,并且彼此认同。以安徒生童话《皇帝的新装》为例。在孩子们揭穿真相之前,所有人都知道皇帝是裸体的。但这是常识,不是常识。

区块链技术可以通过信息广播、交易签名和投票,巧妙地将普通知识转化为高层次的普通知识。其中,节点签名和广播起到的作用是让别人知道我知道并认可该区块,从而达成共识,获得共识。在比特币中,“最长的链是全网有效链”的规则是一种常识。矿工作为经济理性人,利用这些常识来支持更高阶的信念,猜测其他矿工的决策,最终形成纳什均衡。

一项后续研究认为,中本聪原始论文中51%的安全计算能力假设是有问题的。自私挖矿策略的存在降低了比特币的理论安全门槛。简单来说,自私的挖掘就是,挖完一个块就不要发布,继续挖,挖到第二个块就再发布。在挖第二块的过程中,如果别人挖的其他块被广播了,马上广播自己之前挖的块。根据理论计算,如果一个矿工有1/3的计算能力,对他自私地挖矿是有利的。因此,大小矿商的影响力基于其计算能力的份额是不同的,因此需要使用新的计算模型来求解博弈均衡点。

分布式系统一致性算法的研究由来已久,始于20世纪80年代。Lamport提出的Paxos以及后来在此基础上发展起来的各种BFT拜占庭容错算法都属于这一类,其核心是通过节点投票来实现分布式系统的状态一致性。比特币另辟蹊径,在技术上叠加经济激励,用共识机制保证系统状态的全球一致性。

经典共识机制的问题在于,一旦投票节点数量增加,其共识效率会下降到无法使用的程度;中本聪共识机制的问题在于,它浪费了大量能源,而且需要很长时间来确认交易。

康乃尔和麻省理工学院的研究人员提出了一个混合共识方案,将中本聪共识和BFT共识有机地结合在一起,这是一个新的突破方向,可能会有两者的优点,避免它们的缺点。目前,这方面的研究仍在进行中。

技术改进的第二个方面是隐私和安全。在公共链中,交易数据、地址、身份等敏感信息。需要保护,同时会计节点可以验证交易的合法性。对于联盟链,在构建隐私保护方案的同时,需要考虑监督/授权跟踪。采用零知识证明、承诺和不可区分证据等高效的密码原语和方案,可以实现交易身份和内容的隐私保护。基于环签名、群签名等密码学方案的隐私保护机制,以及基于分级证书机制的隐私保护机制也是可选方案。交易内容的隐私保护也可以采用高效的同态加密方案或安全的多方计算方案来实现;混合货币机制也可以用来实现简单的隐私保护。

以太坊自正式运营以来发生了多起安全事故,其中最大的一起是TheDAO被黑事件。DAO是一个由程序代码管理的自主风险资本基金,已经筹集了1200万ETH。黑客利用DAO智能合约的安全漏洞,从该合约管理的ETH中移除了360万个ETH。最终以太坊基金会不得不分叉解决这个问题。由于社会各界对分叉的处置方式意见不一,此事件后出现了ETH和ETC区块链。坚持私有财产不能以任何理由被剥夺的人选择留在ETC。

道事件反映了两个问题:第一,智能合约的安全性,尤其是有公链的,非常重要。出现漏洞或错误后,无法像集中式系统那样,通过关闭系统集中升级来修复。而智能合约往往直接管理资金,一旦出现漏洞,将直接导致经济损失,因此需要更强的安全措施。目前这方面的研究重点是将以前在芯片设计或军事控制系统中使用的形式化验证方法应用到智能合约中,通过数学证明的方式尽可能避免人为错误。

道事件也反映了另一个问题,即现有的区块链缺乏一套完善的治理机制。当社区面临重大决策事件时,社区如何参与,以某种机制形成社区意见,并最终在区块链上表达出来。这些决定可能是不同的技术升级建议,像DAO这样的紧急处理,或者区块链的一些基本规则的调整。如果没有治理机制,只能通过软分叉或者硬分叉来解决问题,最终导致混乱和分裂。

最近,一个有趣的趋势是,令牌持有者投票的链式治理机制作为一种多目标决策机制再次出现。令牌持有者的投票有时被用来决定由谁来操作运行网络的超级节点,如EOS、NEO、Lisk等系统中的权利证书(DPOS)机制;有时用于对协议参数进行投票,例如(例如以太坊的气体上限);有时候用来投票或者直接实现批量协议升级,比如Tezos。在这些例子中,投票是自动的,也就是说,协议本身包含改变验证汇编或更新它自己的规则所需的所有逻辑,并且它是根据投票结果自动进行的。

链式治理通常被认为具有以下主要优势。首先,不像比特币所倡导的高度保守的理念,它可以快速发展,接受必要的技术改进。其次,通过建立明确的权力下放框架,可以避免非正式治理的已知缺陷。人们认为非正式治理太不稳定,容易出现链式分裂,或者事实上变得过于集权。最后,链治理有利于确保流程的实施,从而提高协调性和公平性,也允许更快的决策。

然而,象征性投票机制一直受到批评,因为无论在哪里尝试这些机制,选民参与率都很低。投票率低导致了两个问题。首先,投票很难获得合法性,因为它只反映了一小部分人的意见。其次,只持有少量代币的攻击者可以左右投票。

另外,有人认为链式治理有风险,因为元体系一旦确定,就很难改变。就像直接写出来的代码,一旦有缺陷,使用起来会更加快捷方便。同时,链式治理使得普通节点运营商无需参与治理。这使得普通的节点操作者不需要做出任何决定,而只需要遵循链过程所做出的决定。那么,当出现财阀式的小众链治理时,普通用户的利益就会水火不容,与公链的价值观相悖。区块链属于公众,服务于公众利益。不是为了让大的加密货币玩家更有钱。区块链不应该属于任何人,更不应该属于少数超级富豪。所以有人反对连锁治理。

总的来说,连锁治理机制还处于争议和探索的过程中,还没有统一的意见,需要我们进一步的关注和研究。

最后说说跨链技术。跨链技术可以理解为连接各种区块链的桥梁,可以满足不同区块链之间的资产流转、信息交换和应用协同的需求。目前,区块链技术纷繁复杂,相互之间无法交换数值和数据。随着行业的发展,链之间的互操作性变得越来越重要。如果跨链得不到解决,所有主要的区块链都将成为孤岛,这必将降低区块链社区的活力,从而限制整个区块链网络和生态系统的发展。

跨链技术可应用于跨链资产转移、跨链原子交易、跨链数据共享、跨链合同执行、去中心化交换等广泛场景。目前有三种技术模式:

这是一个公证方案。这是一个基于集中式或多重签名的见证模型,其主要特点是不关注跨链的结构和共识特征,而是引入一个可信的第三方来充当公证人,充当跨链操作的中介。代表性的方案是Interledger。

第二,侧链/继电器。侧链是锚定原链的链结构,但不是原链的分叉。而是从原链的数据流中提取特定信息,形成新的链结构,中继是跨链信息交互和传输的通道。无论是侧链还是中继,都是从原链收集数据,扮演一个监听器的角色。侧链和原链不能直接验证对方块的状态,因为这样会形成循环,但是相互之间只包含轻节点是可行的,相应的验证逻辑可以通过链协议本身或者应用契约来实现。一般来说,主链不知道侧链的存在,而侧链必然知道主链的存在。代表方案有BTC接力、整党、波尔卡多特等。

第三个是散列锁技术。它在不同的链之间设置了一个可互操作的触发器,通常是要公开的随机数量的明文的散列值。哈希值相当于一个用于传输的码字。只有拿到这个码字的人才能拿到钱。同时还构造了两个退款合同,需要双签,有期限。对方签字,对方不签字。对方签字,资产就放回原处。其中一个关键的技术设计是,制作转账哈希码的人的退款合同比另一个人的长,从而保护自己的权益。代表方案是比特币闪电网。

值得一提的是,跨链技术也被一些央行所关注。例如,日本银行和欧洲央行的Stella数字货币试点项目在第二阶段侧重于单链和跨链DVP解决方案。

三。摘要

区块链技术的进步还有很多方面可以阐述。鉴于时间关系,我将做一个简短的报告。如有不妥之处,请批评指正。应该说,目前监管者面临的任务也不轻松。面对不断发展的区块链技术,也需要同步考虑相应的法律法规和技术标准,加强监管,防范风险。

总而言之,区块链是一项新技术,它可能成为未来的金融基础设施。对其进行深入研究,是我国金融科技工作的应有之义。区块链技术有利有弊,而且还在不断发展。目前来看,区块链要想真正落地并支撑实际业务,在技术层面还需要很多改进。

在刚刚召开的全国网络和信息化工作会议上,习近平总书记发表了重要讲话。他指出:“核心技术是国家的重要武器。我们应该下定决心保持恒心,找准着力点,加快信息领域核心技术的突破。要以产业体系建设为重点,在技术产业政策上共同发力,遵循技术发展规律,进行系统的技术布局,优中选优,重点突破。”Xi总书记的讲话可谓语重心长。我们应该清醒地看到,区块链在中国的应用走过弯路,所以易纲总裁也指出,要充分发挥区块链科技的正能量,更好地服务实体经济。我们要认真贯彻落实罗总书记实习重要讲话精神,在核心关键技术上下功夫,不受制于人。同时,我们必须促进区块链技术的整个市场和生态环境的健康发展。

(作者是中国人民银行数字货币研究所所长)

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作者: 八仙渡海口

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