發(fā)布時(shí)間：2020-04-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展和行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，對區(qū)塊鏈未來大規(guī)模應(yīng)用會(huì)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析，綜述了區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)、共識算法、隱私保護(hù)、智能合約、跨鏈通信等關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀，從技術(shù)、人才和監(jiān)管三個(gè)方面對我國進(jìn)一步發(fā)展區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用
摘要：本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展和行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，對區(qū)塊鏈未來大規(guī)模應(yīng)用會(huì)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析，綜述了區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)、共識算法、隱私保護(hù)、智能合約、跨鏈通信等關(guān)鍵問題的研究現(xiàn)狀，從技術(shù)、人才和監(jiān)管三個(gè)方面對我國進(jìn)一步發(fā)展區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用的政策提出了建議。
關(guān)鍵詞：高通量區(qū)塊鏈;共識算法;智能合約;跨鏈通信
一、前言
區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N把區(qū)塊以鏈的方式組合在一起的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)區(qū)塊通過散列的方式與上一個(gè)區(qū)塊相連，實(shí)現(xiàn)了可追溯;同時(shí)，用密碼學(xué)保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和不可偽造。每一個(gè)區(qū)塊的生成，都是參與者對整個(gè)系統(tǒng)交易記錄的事件順序和當(dāng)前狀態(tài)建立的共識。每一個(gè)參與者都可以參與數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)，都可以擁有整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的備份，從而在沒有中央控制節(jié)點(diǎn)的情況下，使用分布式集體運(yùn)作的方法，構(gòu)建了一個(gè)分布式對等網(wǎng)絡(luò)。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、分布式、去信任、數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯等諸多優(yōu)點(diǎn)。
相關(guān)期刊推薦：《中國工程科學(xué)》是中國工程院創(chuàng)辦并主管的學(xué)術(shù)期刊，主要反映我國工程科技領(lǐng)域研究動(dòng)向，記載我國工程科技領(lǐng)域?qū)W術(shù)成果，探討我國工程科技領(lǐng)域未來發(fā)展。雜志內(nèi)容涉及國家重大工程技術(shù)項(xiàng)目、國家科技攻關(guān)項(xiàng)目和自然科學(xué)基金課題。
區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰(SatoshiNakamoto)”的學(xué)者在2008年發(fā)表的奠基性論文《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。作為比特幣的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本技術(shù)(DLT)，由于其具有分布式、去信任、不可篡改等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)被認(rèn)為是構(gòu)建未來“信任互聯(lián)網(wǎng)”“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”的支撐性技術(shù)，已成為全球創(chuàng)新領(lǐng)域最受關(guān)注的話題，受到投資界、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及政府部門的熱烈追捧。雖然各國政府對比特幣和各種虛擬幣的態(tài)度各不相同，但對區(qū)塊鏈技術(shù)大多持積極的態(tài)度。
近年來，聯(lián)合國、國際貨幣基金組織等機(jī)構(gòu)以及多個(gè)發(fā)達(dá)國家先后發(fā)布了有關(guān)區(qū)塊鏈的系列報(bào)告，探索區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用。當(dāng)前，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超越了金融領(lǐng)域，并逐步在供應(yīng)鏈、征信、身份認(rèn)證、公益慈善、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展開實(shí)踐。創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般涌現(xiàn)，烏鎮(zhèn)智庫2017年發(fā)布的《區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》指出，自2012年以來，全球區(qū)塊鏈企業(yè)數(shù)量以超過65.2%的復(fù)合增長率快速增長。一種樂觀的預(yù)測認(rèn)為，到2025年之前，全球GDP總量的10%將利用區(qū)塊鏈技術(shù)儲(chǔ)存。據(jù)數(shù)字市場漫記(DMR)估計(jì)，到2024年，區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到200億美元。
二、國內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀
作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)源地，美國在區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用上投入巨大。2017年，美國至少有8個(gè)州提出和研究了提升區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的法案。2018年2月，美國眾議院連續(xù)兩次召開區(qū)塊鏈聽證會(huì)，探討區(qū)塊鏈技術(shù)的新應(yīng)用。美國國務(wù)院強(qiáng)調(diào)通過區(qū)塊鏈技術(shù)提高透明度，可以解決腐敗、欺詐或挪用公共采購資金的問題。美國財(cái)政部正在進(jìn)行試點(diǎn)計(jì)劃，以確定區(qū)塊鏈技術(shù)是否可以用于供應(yīng)鏈管理，還采取了措施來改善針對基于區(qū)塊鏈加密貨幣的“反洗錢/打擊恐怖主義融資(AML/CFT)”的相關(guān)法律，并與金融機(jī)構(gòu)形成公私合作關(guān)系(PPPs)以共享信息。佛蒙特州的南柏林頓市將試用區(qū)塊鏈技術(shù)，記錄房產(chǎn)交易。加利福尼亞州立法者已經(jīng)提交了一項(xiàng)法案，如果能夠順利通過，那么該州的電子記錄法律將會(huì)認(rèn)可區(qū)塊鏈簽名和智能合約。紐約州電力公司TransActiveGrid提出了基于區(qū)塊鏈的P2P分布式微電網(wǎng)絡(luò)的新能源概念，通過區(qū)塊鏈建立微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，提高清潔能源利用率，在區(qū)塊鏈上記錄剩余的電量并通過智能合約賣給鄰居用戶。
2016年1月，英國政府發(fā)布了一份名為《分布式賬本技術(shù)：超越區(qū)塊鏈》的報(bào)告。報(bào)告指出，區(qū)塊鏈技術(shù)在改變公共和私人服務(wù)領(lǐng)域都有著巨大的潛力。除了創(chuàng)建一個(gè)基于區(qū)塊鏈的公共平臺(tái)為全民和社會(huì)提供服務(wù)，英國政府還計(jì)劃開發(fā)一個(gè)能夠在政府和公共機(jī)構(gòu)之間使用的應(yīng)用系統(tǒng)。日本政府則大力支持區(qū)塊鏈和數(shù)字貨幣行業(yè)，建立了首個(gè)區(qū)塊鏈行業(yè)組織——日本區(qū)塊鏈協(xié)會(huì)(JBA)與區(qū)塊鏈合作聯(lián)盟。俄羅斯正在大力推動(dòng)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，俄羅斯最大的銀行Sberbank與政府合作，用區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)移和保存文件，成為區(qū)塊鏈真實(shí)的應(yīng)用案例。加拿大有一個(gè)龐大的區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)社區(qū)，匯集了包括以太坊創(chuàng)始人VitalikButerin在內(nèi)的一大批區(qū)塊鏈頂級人才。加拿大證券管理委員會(huì)(CSA)日前主動(dòng)地推出了新的“Fintech沙箱(SandBox)”計(jì)劃，以促進(jìn)加拿大區(qū)塊鏈行業(yè)的發(fā)展。
區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)源于開源社區(qū)，并在社區(qū)中發(fā)展壯大，此后逐漸受到金融機(jī)構(gòu)、IT巨頭等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。例如，以比特幣、以太坊為代表的開源項(xiàng)目主要以公有鏈為主，打造了區(qū)塊鏈公共平臺(tái);Linux基金會(huì)于2015年發(fā)起的超級賬本項(xiàng)目(Hyperledger)則偏重于研究聯(lián)盟鏈技術(shù)。同時(shí)，IBM、微軟Azure、AWS等互聯(lián)網(wǎng)國際巨頭企業(yè)正在極力打造支持區(qū)塊鏈應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，區(qū)塊鏈即服務(wù)(BlockchainasaServeice，BaaS)。
2016年以來，我國政府也通過多種形式關(guān)注和支持區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2016年10月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書(2016)》[1]，同年12月區(qū)塊鏈?zhǔn)状伪蛔鳛閼?zhàn)略性前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)寫入國務(wù)院“十三五”國家信息化規(guī)劃，明確提出需加強(qiáng)區(qū)塊鏈等新技術(shù)的創(chuàng)新、試驗(yàn)和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)搶占新一代信息技術(shù)主導(dǎo)權(quán)。中國人民銀行在2017年成立了數(shù)字貨幣研究所，研究數(shù)字貨幣發(fā)行和支撐該技術(shù)的商業(yè)運(yùn)作框架。中國人民銀行的基于區(qū)塊鏈的數(shù)字票據(jù)交易平臺(tái)于2017年初進(jìn)入試運(yùn)行階段并測試成功。此外，騰訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司、阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司等國內(nèi)知名互聯(lián)網(wǎng)公司也積極布局區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)，全國另有超過100家區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)公司，主要瞄準(zhǔn)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)研發(fā)及其在征信、供應(yīng)鏈、資產(chǎn)管理、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的應(yīng)用。2008—2017年，我國區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量全球第一，共遞交550份專利申請;美國專利申請數(shù)量全球第二，共遞交284份專利申請。
三、區(qū)塊鏈面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)的第一個(gè)成功應(yīng)用。截至目前，比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了8年多，除了有限的幾次分叉，沒有出現(xiàn)重大安全事故，充分顯示了其強(qiáng)大的穩(wěn)定性和安全性。區(qū)塊鏈技術(shù)目前的應(yīng)用大多仍集中在金融領(lǐng)域，例如，數(shù)字貨幣、跨境支付、證券交易、財(cái)產(chǎn)注冊與認(rèn)證等。然而，其未來要在金融領(lǐng)域做大規(guī)模推廣應(yīng)用還需要攻克很多問題，如性能問題、可監(jiān)管性問題等。
在供應(yīng)鏈領(lǐng)域，通過區(qū)塊鏈，供應(yīng)鏈各方可以獲得一個(gè)透明可靠的統(tǒng)一信息平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看狀態(tài)，追溯物品的生產(chǎn)和運(yùn)送整個(gè)過程，從而提高供應(yīng)鏈管理效率、降低物流成本。當(dāng)發(fā)生糾紛時(shí)，追查和舉證也變得更加容易。然而，供應(yīng)鏈管理往往涉及到諸多實(shí)體，包括物流、資金流、信息流等，這些實(shí)體之間存在大量復(fù)雜的協(xié)作和溝通，應(yīng)用區(qū)塊鏈進(jìn)行鏈上鏈下的有效協(xié)同，也存在諸多技術(shù)難題需要攻關(guān)。
在制造業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)4.0應(yīng)用，可以使用區(qū)塊鏈來記錄生產(chǎn)過程的每一步，對于生產(chǎn)過程中的不同參與者，采用不同的權(quán)限來訪問區(qū)塊鏈，以更加可靠和安全的方式，為參與者提取相關(guān)信息并確認(rèn)生產(chǎn)過程中的步驟。但是不同的終端和傳感器要參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行協(xié)同和驗(yàn)證，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器計(jì)算能力及存儲(chǔ)很難支撐，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的實(shí)時(shí)性也亟待提高和優(yōu)化。
在能源領(lǐng)域，基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)絡(luò)，也存在可擴(kuò)展性問題和驗(yàn)證交易的能源消耗問題等。此外，由于區(qū)塊鏈自身的存儲(chǔ)能力有限，應(yīng)用于社交、電子商務(wù)等領(lǐng)域時(shí)，還要考慮大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題、交易效率問題等。
當(dāng)前區(qū)塊鏈行業(yè)正高速發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)也得到了越來越多的應(yīng)用。然而，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，國內(nèi)外相關(guān)研究工作仍處于初步階段，區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)、共識算法、隱私保護(hù)、智能合約、跨鏈交易等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)越來越制約著區(qū)塊鏈技術(shù)及行業(yè)的發(fā)展。盡快尋找有效方案，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，增強(qiáng)完善區(qū)塊鏈領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)是當(dāng)前區(qū)塊鏈發(fā)展浪潮中的關(guān)鍵點(diǎn)與“殺手锏”。
(一)區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)研究
區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)是區(qū)塊鏈系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，但隨著用戶數(shù)量、系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，其吞吐量低、交易確認(rèn)時(shí)間長、共識節(jié)點(diǎn)接入速度慢、存儲(chǔ)資源浪費(fèi)等問題愈發(fā)突出，嚴(yán)重影響用戶使用與行業(yè)拓展。近幾年，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界從區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開展了一些初步的研究工作。
并行化架構(gòu)：區(qū)塊鏈分片技術(shù)(Sharding)采用并行化思想，將用戶劃分到不同的網(wǎng)絡(luò)分片內(nèi)，并行處理不相交的交易集合，進(jìn)而提升整體性能，但處理涉及不同分片的交易時(shí)，需要經(jīng)過復(fù)雜的跨分片通信，開銷很大。Plasma則通過利用側(cè)鏈層次樹劃分整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用“分治”來擴(kuò)大交易規(guī)模。
鏈上、鏈下協(xié)同架構(gòu)：閃電網(wǎng)絡(luò)(LightningNetwork)以類比特幣區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)，提出將交易過程盡可能放在鏈下，進(jìn)行鏈下快速交易，而鏈上交易僅用于擔(dān)保與結(jié)算。本質(zhì)上，閃電網(wǎng)絡(luò)并沒有提升鏈上交易性能，并且鏈下交易環(huán)節(jié)未存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中，會(huì)影響交易的可追溯性。雷電網(wǎng)絡(luò)(RaidenNetwork)作為“以太坊版本”的閃電網(wǎng)絡(luò)，可與Sharding、Plasma結(jié)合，進(jìn)一步提升交易處理能力。
并行化、鏈上鏈下協(xié)同等新型架構(gòu)為解決區(qū)塊鏈的性能和資源占用問題提供了新的研究方向，但是這些研究工作目前還處于相對早期的階段，很多具體的問題如并行化架構(gòu)的合理分片、跨片通信、鏈上鏈下協(xié)同的去中心化、可追溯等問題還缺少高效的算法和機(jī)制。
(二)區(qū)塊鏈共識算法研究
區(qū)塊鏈共識算法保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)可以維護(hù)相同的交易內(nèi)容和順序，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心機(jī)制。目前應(yīng)用比較廣泛的、常見的共識算法包括工作量證明算法(PoW)、權(quán)益證明算法(PoS)、股份授權(quán)證明算法(DPoS)以及拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)[2]，這些算法各有優(yōu)勢但也都存在自身的問題(見表1)。
近年來，為了適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求，一些新型共識算法被提出。Algorand通過密碼抽簽機(jī)制隨機(jī)選取一組驗(yàn)證者使用優(yōu)化的拜占庭協(xié)議進(jìn)行共識來提高共識效率[3];Bitcoin-NG通過工作量證明選取的領(lǐng)導(dǎo)者發(fā)布交易微塊，一定程度上改善了比特幣區(qū)塊鏈PoW共識的性能[4];Casper通過鎖定保證金的驗(yàn)證人下注共識以提升PoS算法實(shí)現(xiàn)的安全性以及去中心化程度。
然而，無論是PoW、PBFT這些經(jīng)典共識算法還是Algorand、Bitcoin-NG這些新型算法都面臨“三難困境”問題，即區(qū)塊鏈系統(tǒng)最多只能同時(shí)優(yōu)化去中心化、高性能以及安全性三種目標(biāo)中的兩個(gè)，尋求“三難困境”的最優(yōu)解將是未來的主要研究方向和技術(shù)挑戰(zhàn)。
(三)區(qū)塊鏈隱私保護(hù)研究
區(qū)塊鏈隱私保護(hù)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(guān)鍵信息來實(shí)現(xiàn)，典型的隱私保護(hù)技術(shù)包括：混幣技術(shù)(CoinJoin)、隱秘地址(StealthAddress)、環(huán)簽名技術(shù)(RingSignature)[5]以及zkSNARKs零知識證明算法[6]。
混幣技術(shù)、隱秘地址以及環(huán)簽名技術(shù)只是間接隱藏交易涉及的關(guān)鍵信息，在可靠性方面存在不足;zk-SNARKs零知識證明算法雖然屬于直接隱藏信息，但是其具有“可信賴的公共參數(shù)”以及效率低下的問題。同時(shí)，量子計(jì)算的不斷發(fā)展對隱私保護(hù)研究提出了新的要求，而這些典型的隱私保護(hù)技術(shù)都不具備抗量子攻擊能力。新提出的zk-STARKs零知識證明算法完全依賴散列和信息理論，解決了zk-SNARK“可信賴的設(shè)置”問題并具備抗量子攻擊的能力，但是該研究處于早期階段，技術(shù)還不成熟且存在證據(jù)過大等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)既能保證高效安全，還能保證交易關(guān)鍵信息隱藏與交易有效性驗(yàn)證的技術(shù)方案依然是未來區(qū)塊鏈研究面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。
(四)區(qū)塊鏈智能合約研究
NickSzabo于1996年首次提出了智能合約的概念：一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的約定，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些約定的協(xié)議。區(qū)塊鏈為智能合約提供了一個(gè)去中心化、不可篡改、公開透明的運(yùn)行環(huán)境，使得智能合約無需信任第三方即可根據(jù)預(yù)設(shè)合約協(xié)議自動(dòng)執(zhí)行。目前針對智能合約的研究主要圍繞智能合約虛擬機(jī)、智能合約升級、鏈下數(shù)據(jù)可信喂養(yǎng)等方面展開。
智能合約虛擬機(jī)可以分為兩大類：自主可控的虛擬機(jī)，如以太坊虛擬機(jī)(EVM);使用現(xiàn)有成熟的編譯運(yùn)行環(huán)境的虛擬機(jī)，如Java虛擬機(jī)(JVM)。使用現(xiàn)有成熟編譯運(yùn)行環(huán)境的虛擬機(jī)運(yùn)行效率較高，但不可控因素較多，而EVM等自主可控的虛擬機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行效率還存在較大問題。目前的研究工作主要有Solidity編譯器的優(yōu)化、適合智能合約的Web程序集(WASM)執(zhí)行環(huán)境研發(fā)等，上述工作均處于早期研究階段。
智能合約是現(xiàn)實(shí)世界契約的計(jì)算機(jī)化交易協(xié)議，在智能合約的開發(fā)過程中，開發(fā)者無法將所有情況考慮在內(nèi)，當(dāng)鏈上的智能合約沒有按照預(yù)期運(yùn)行時(shí)，就需要升級智能合約，并且對智能合約的行為作出解釋。Corda提出將合約法律文本與代碼結(jié)合存儲(chǔ)于鏈上，當(dāng)合約代碼發(fā)生未預(yù)期的行為時(shí)以法律文本為準(zhǔn)，但仍缺乏代碼可升級的靈活性，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(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
智能合約存在于區(qū)塊鏈空間，與鏈下真實(shí)世界活動(dòng)相關(guān)聯(lián)是其大規(guī)模應(yīng)用的前提。Oraclize將智能合約與WebAPI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(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)活動(dòng)數(shù)據(jù);IC3提出可信數(shù)據(jù)喂養(yǎng)系統(tǒng)TownCrier(TC)，通過英特爾最新可信硬件SGX向智能合約提供認(rèn)證可信以及機(jī)密性數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的可信數(shù)據(jù)喂養(yǎng)解決方案靈活性較差，如Oraclize需要將整個(gè)https請求響應(yīng)返回并且依賴于鏈下的中心化服務(wù)器，TC無法支持代碼的更新，需要研究新型靈活、可信的數(shù)據(jù)喂養(yǎng)方案以滿足智能合約對鏈外數(shù)據(jù)的喂養(yǎng)需求。
