考验重重:区块链底层技术的四大待解“难题”

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2018
07/26
19:11
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当2009年1月3日中本聪在位于芬兰赫尔辛基的一个小型服务器上挖出了创世区块(Genesis Block)的50个比特币开始,一种不需要中心机构背书,依靠分布式技术手段实现信任的P2P网络区块链诞生了。

近几年来,“分布式账本”、 “点对点”、“智能合约”等词汇被当今世界不厌其烦提及,恰恰浓缩了区块链技术日夜兼程发展的现状。

作为后互联网时代的新型底层技术,区块链从比特币以来的沿革,与Web互联网变迁的轨迹极为相似,但又更为迅猛。如同Web1.0给世界一个由静态不可交互网页构成的万维网,区块链最初的模样,是一个旨在以比特币为桥梁搭建的共享式公开账本;而以以太坊为代表的第二代可编程区块链,通过智能合约映射了Web2.0引入了创造、社交、分享的理念,成为一个由全体用户织网的网络样态。甚至,由此引发社会思潮的变革。

互联网的迭代经历了二十余载,而当区块链沉浸在飞速发展中时,与资源配置红利相伴的是新技术走向台前后受到的重重考验——

区块链是否真的公平?

区块链是否有应用价值?

区块链是否足够安全?

区块链究竟能否实现SHD(安全、高性能、去中性化)的完备性?

任何事物都有其双面性,精华与糟粕相生相伴,区块链技术也一样。已知的壁垒和未知的困惑,推使人们解决“难题”,填塞知识和应用的狭缝或鸿沟,让第三代区块链底层技术正在加速驶来,区块链的3.0革命也由此开启。

区块链真的公平?

在区块链加密技术出现之前,包括数字货币在内的数字资产如果不依赖一个中心化的机构,公众无法确认一笔交易是否真的存在和发生。区块链提出了一种“去中心化”的解决方案——虚拟资产由公共总账来确认,而这本“总账”分布在全球各地的节点上,高度隐私、不可篡改。

以比特币为代表的虚拟货币,是为了奖励节点接入区块链进行“记账”而出现。在比特币的激励体系里,作为记录交易的载体——“区块”的打包记账权必须由所有节点竞争获得:“矿工”去解决比特币设计者在区块中设置的密码学难题,最先得出答案的节点获得相应的比特币并广播所记录交易,而剩下的茫茫节点只能复制、粘贴相应“账目”。

近十年过去,这种以计算机“算力”论英雄、被称为“PoW”(工作量证明)机制的共识发展到今天,已经远远超越了中本聪当初的预想。专门用来竞争记账权的专业设备遍地开花,随着“ASIC矿机”的出现,依靠CPU、GPU“挖矿”的普通计算机在算力竞争中的收益近乎为零。为了逐利,参与者也从个人发展成矿池、矿场,算力“集权”逾趋显著,算力高企让纯粹的PoW共识机制成为“民主”、“公平”的伪命题。

而以太坊为了降低这种技术门槛导致的不公平,引入PoS(股权证明机制)取代PoW:在创世区块中写明股权配比,之后通过公开发行、转让、交易等方式实现虚拟货币的流通,通过“利息”的方式对接入记账节点进行奖励。很显然,PoS在解决算力集中的问题时,却不可避免导致“少数人”以极低的成本获得代币,后续无论是持有还是抛售,单纯的PoS都使区块链价值以一种二八定律式的结构存在。

在业界看来,抛弃了PoW共识,转向PoS或 DPoS共识的区块链系统,以EOS为代表,大幅提高了系统性能,却忽视了去中心化的根本意义,由少数权益拥有者掌握系统的发展方向,本质上和现有的中心化系统并没有太大区别。

区块链能否高效?

不可否认的是,比特币所代言的第一代底层区块链技术具有颠覆性,极大降低了信用成本,激发了世界对去中心化的好奇和期待。

然而从虚拟货币和支付角度来看,比特币同中心化的主流手段仍有很大的距离。截至目前,转出一个比特币大约花费28-30美元,确认比特币交易平均花费4.5个小时,而同等时间内支付宝可以处理相似交易13亿次。

近两年来,流动性溢价已经让比特币成为“数字黄金”。当细究这一虚拟货币的实际“价值”,可锚定的仅仅是矿机的支出与电力的消耗。根据Digiconomist比特币能源消费指数统计,当前比特币挖矿年用电量为39.45TWh,折合美元超过20亿,巨大的算力资源只是投入在维护低效能比特币系统的稳健性之中。

面对巨大的算力浪费,以及世界对于区块链技术应用的期待,Vitalik Buterin在2013年开始建立以太坊:一个可以运行智能合约的分布式网络。图灵完备的脚本语言为第二代区块链技术带了巨大的灵活性,开发者可以通过以太坊提供的各种模块来建立自己的去中心化应用(Dapp),并通过以太币通过Gas(燃料)的模式激励各节点在链上活跃。

目前以太坊上已经拥有超过9万种合约,然而这些应用目前大多处于“发币”阶段。考虑到以太坊和比特币的去中心化逻辑相同,每一步交易需要全网节点确认,在分片技术应用前,每秒大约只能处理20笔交易,遑论数万个应用同时开足马力。就目前来看,TPS(系统吞吐量)的限制让以太坊成为一条拥堵的收费公路,没有像样的跑车,即使有,也无从酣畅通行。

区块链技术的应用期待与底层技术发展的制约间的矛盾将日益凸显,如何通过链与链之间的价值传递构建包含亿级,甚至百亿级应用的区块链系统成为业界亟待破解的技术难题。

区块链是否依旧安全?

道高一尺,魔高一丈。目前,PoW、PoS、DPoS 等多种共识机制虽然已经被提出,但是否能够实现真正的安全可信,尚不能完全证明。

在中本聪当初设计PoW共识机制的逻辑下,即使个体或机构拥有超过51%的算力,比特币奖励机制依然会让随意篡改的攻击得不偿失:与其攻击,不如安心“挖币”。不过此后矿机一骑绝尘的发展,让超51%的算力不是假想。同时,出现了不少比特币分叉出的“小币种”被“大算力玩家”逐一“算死”的情况,进一步挑战了中本聪对人性逐利欲望的判断。

此外,重视图灵完备性的以太坊,其智能合约也多次被曝出漏洞,黑客甚至可能通过传统的网络攻击方式,造成网络堵塞,迫使区块链网络出现硬分叉,进而导致对整个区块链系统的可信性受到质疑,网络体系的价值存在着崩盘的可能。

除了区块链本身漏洞,为了提升TPS而引入DPoS(授权股权证明)机制的EOS,也存在着当选超级节点过于中心化,可能引发被黑客攻击利用的缺陷。

除此之外,网络参与主体责任划分、账本数据最终归属、成本偏高、交易区块具有选择性等问题,也会导致区块链技术落地应用时会面临较大风险。

更令业界担心的是女巫攻击以及量子攻击的风险也如影相随。根据理论预测,对于区块链所依赖椭圆曲线公钥加密算法ECC 密钥,用目前超级计算机需要几十年才能破解的密码如果采用具有数千个量子比特的量子计算机及 Shor 算法预计数十分钟就可以破解。

SHD是否可以完备?

区块链技术集成了分布式记账、不可篡改、内置合约等多项基础技术,以更低成本建立信任的机制。从前两代的区块链技术来看,数据算法、密码学机制保证了数据的连续和一致性,共识机制践行了去中心化的“民主”精神,智能合约程序则给区块链技术赋能,试图改变人类原有的生产力以及生产组织方式。

而现实情况是,现阶段的区块链技术在SHD(安全性 Security,缩写为“S”)、(高性能 High-performance,缩写为“H”)、(去中心化 Decentralization,缩写为“D”)方面形成了一个此消彼长的跷跷板关系,而更多在此基础上的理想化设计,也纷纷败给了“道高一尺、魔高一丈”的人性。

中本聪在低效 CPU的前提假设下,保证了安全性S和去中心化D并存,却几乎忽略了高性能H,由于共识算法和区块容量的设计,比特币平均十分钟产生一个区块,1秒钟只能处理7笔交易。不仅如此,随着高性能“ASIC矿机”的出现,普通的 CPU算力获得收益的概率降为0,矿机轻易的获得了超线性收益,后期矿场和矿池的出现更是彻底打破了去中心化D,现在比特币显然不是一个平等参与的社区。更糟糕的是,矿场和矿池不断垄断算力,必然会有少数参与者超过51%的算力(决定权),安全性S也会无法保证。

以太坊为了避免 ASIC矿机带来的破坏性影响,采取了“反复读缓存”的 ASIC抵抗算法,在短时间内维系了安全性S和去中心化D。但其最引以为豪的智能合约的第一个大规模应用“Crypto Kitties”,就令以太坊系统完全崩溃,高性能H显得尤为低下。而抛弃了PoW共识,转向PoS或DPoS共识的区块链系统,尽管大幅提高了系统性能,却忽视了去中心化的根本意义。

ETM开启区块链3.0革命

为破解区块链底层技术的难题,在SHD完备性的探索上,全球业者在不断探索全新的模式。

诺贝尔经济学奖得主托马斯·萨金特、诺贝尔物理学奖得主谢尔登·格拉肖以及来自于美国加州理工大学、美国马里兰大学、法国庞加莱研究所等多领域学者们,将博弈论的研究成果革命性融入区块链中,首次提出了新的组合尝试Kantorovich共识——将PoW(工作证明)机制与DPoS(委托股权证明)机制耦合,让“竞争”与“结盟”形成一套在数学上被称为“纳什均衡”的完美状态,力图构建具有SHD完备性的 En-Tan-Mo(ETM)的新一代区块链底层平台。

ETM的灵感来源于 Entente(联盟)、Transaction(交易)和 Mobius(莫比乌斯),PoW+DPoS双共识机制成为第一个具有科学凭证其安全性的耦合权益证明协议,通过采用平均场博弈论确保算力与权益之间的均衡。ETM世界中,PoW体现了成本因素,与PoS体现的供需关系相互纠缠,形成最大价值体现的统一权益法则UPoS,进而得到相对稳定的价值曲线,开创了新一代的均衡价值互联体系。

Kantorovich共识通过矿工团队选举制度,保证权证拥有者和区块矿机的分离和各自权益得到保障,让每个参与者都可以以矿工或投票人的身份平等参与区块链建设并获得均衡的奖励,确保所有者利益不被大矿池或大股东垄断,抑制“权力”过度集中,力图在保障安全性的同时提高效率,又保持去中心化的基本属性,从而满足SHD完备性,构建公平公正的区块链网络平台。

虽然区块链这一创新技术早已成为全球焦点,但始终存在着一个问题:不同区块链系统之间的价值交易仍然需要像“交易所”等类型的第三方中间商。区块链之间的互通性极大限制了更广泛的应用空间,因而,跨链技术成为实现价值传递的关键。

ETM 用最小化信任的智能合约与链适配器试图取代这种第三方,来承担起不同链之间的桥梁,通过这种方式帮助身处ETM的节点获得参与外部区块链“挖矿”的收益。

在ETM内部,这种链与链的适配并行,成为扩充区块链技术应用的空间的重要手段。在构想中,与EOS和以太坊新扩容方案Plasma的思路相似但构架不同,ETM采用了一条中心链加多条衍生链的设计,中心链负责网络安全及价值交换,每一个衍生链作为独立、隔离的系统对应一个DApp,通过继承和复用主链技术,每个应用都拥有个性化的账本、代币、共识机制、交易类型。同时ETM解决了EOS与以太坊交易费用昂贵的问题,对于开发者来说更为友好。

ETM的平行链交互协议首次实现了链与链之间的价值传递,从而构建了一个可以包含千万级应用的区块链生态系统。

除了借助PoW共识机制对冲DOS攻击几率之外,在区块链SHD完备性中,去中心化和安全性之间最攸关的安全问题——女巫攻击、量子攻击——依旧是横亘在第三代区块演进发展过程里不得不攻克的关卡。

来自加州理工、庞加莱研究所的数学家,在ETM中试图运用运拓扑几何理论研究复杂不变集的结构与分岔,结合基于混沌理论的遍历性和对初始条件的敏感依赖性提出的混沌排序方法,为区块上传顺序建立了高度的伪随机性机制,来避免恶意虚假节点对公链上诚实节点权益的干扰和破坏,同时又具有可以抵抗量子攻击的高级别安全性。

回溯区块链的发展历史,所谓“SHD”似乎永远是一个薛定谔的状态(好与坏各占50%可能性,但只有揭开谜底的最后时刻才能知道结果,编者注)。毕竟一个漏洞、缺陷被发现之前,你永远不知道它是否均衡、完备,何况与之博弈的是更加精密、难料的人性。ETM的科学家们立志攻克SHD“跷跷板”式的难题,开启区块链3.0时代的探索。

(来源:中国搜索)

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