一些區(qū)塊鏈公鏈技術(shù)發(fā)展的思考

近日區(qū)塊鏈圈子吹起一股“無用論”熱議，起因是鼎鼎有名的密碼學(xué)與信息安全大師 Bruce Schneier，在《連線》雜志發(fā)表一篇長文，從信任與安全的角度，強烈質(zhì)疑區(qū)塊鏈技術(shù)的價值。他指出區(qū)塊鏈的驗證（verification）并不等于信任（trust），毫無用處。Bruce Schneier 是許多區(qū)塊鏈開發(fā)者擁護的“密碼朋克”代表性人物，從他之口說出區(qū)塊鏈“無用”，對行業(yè)人士來說有如當頭棒喝。

“共識”（consensus）是區(qū)塊鏈最重要的核心概念之一，但若說人們對于區(qū)塊鏈這一技術(shù)的發(fā)展有什么“共識”，那么很可惜的，區(qū)塊鏈的性能很差，使用體驗更是糟糕至極，絕對是為數(shù)不多的答案之一。然而問題出在哪？

在本周 DeepHash 專欄，創(chuàng)新工場執(zhí)行董事、分布式系統(tǒng)專家王嘉平指出，以比特幣、以太坊為首的當前主流區(qū)塊鏈公鏈（public blockchain）技術(shù)，有速度、容量、分片等 3 大性能難點，以及包含交易隱私、硬件安全執(zhí)行環(huán)境、中心化的輔助設(shè)施、交易確認延遲、私鑰管理的 5 大體驗障礙，嚴重限制著這項技術(shù)發(fā)揮它的實際用處。這些問題，其中一些方向已被廣為關(guān)注，但也有一些方向仍未受到足夠的注意，值得更多討論。

今天這里分享一些區(qū)塊鏈公鏈技術(shù)發(fā)展的思考。公鏈作為區(qū)塊鏈世界的基礎(chǔ)設(shè)施中的基石，極大地影響著上層應(yīng)用的效率、成本以及用戶體驗。如果從比特幣開始算起，公鏈一路走來已經(jīng) 10 年了，但至今為止還遠未到技術(shù)收斂的階段。在這第 11 個年頭，我細數(shù)一下已經(jīng)被大家廣為關(guān)注的方向，和一些尚未被大家關(guān)注的方向。

性能難點 1——速度

性能問題從區(qū)塊鏈最開始就被大家意識到，直觀的體驗就是速度，也就是一個交易多久能被確認。最初這個瓶頸是共識算法，Nakamoto 共識最初 10 分鐘一次出塊，平均交易確認延遲是 5 分鐘。而后以太坊將出塊間隔降到了 15 秒，期望平均交易確認延遲是 7 秒。但真的是 7 秒就能被確認了嗎？其實并不是。這時，性能的瓶頸變成了吞吐量，雖然交易確認延遲是 7 秒，但是大多數(shù)交易在排隊，除非給出很高的交易手續(xù)費來插隊。

吞吐量之所以受到限制，是因為普通全節(jié)點的帶寬，也就是互聯(lián)網(wǎng)的平均帶寬。這個限制和共識算法是本質(zhì)無關(guān)的。很高興這一點終于被很多團隊認識到，避免設(shè)計出一些只能運行在本地數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的高吞吐量系統(tǒng)。要突破這個限制，唯一的出路是切分吞吐量，讓不同的全節(jié)點負責(zé)不同的部分。分片（Sharding）就是完成這種切分的有效方案，當然未來也可能有其它的方案。

在吞吐量問題解決之后，速度上的體驗又會回到交易確認延遲這個事情上。當然這個時候的要求就不是要達到幾十秒，而是應(yīng)用會希望可以達到更低的延遲，比如 1 秒甚至以下。計算機系統(tǒng)，在同一個層面的設(shè)計上，吞吐量和延遲通常會有矛盾。例如區(qū)塊鏈這種分批交易確認方式，一個批次越大，也就是 block 越大，吞吐量就會越大，而這時出塊的間隔就需要更長，也就使得交易確認延遲變大。

公鏈的 Layer 1 技術(shù)將工作量切分之后，吞吐量將獲得幾個數(shù)量級的提升，然而其交易確認延遲卻沒有顯著的改善。我自己的預(yù)判是，這里才是 Layer 2 的側(cè)鏈真正發(fā)揮作用的地方，而不是像現(xiàn)在很多側(cè)鏈項目宣稱的那樣，所要攻克的問題幾乎和 Layer 1 要攻克的問題完全一樣。

性能難點 2——容量

容量問題受到關(guān)注就少了很多。其實容量問題包含兩個方面，一個是內(nèi)存中的賬簿狀態(tài)，每個用戶的余額以及智能合約的狀態(tài)，另一個是磁盤中歸檔的歷史交易記錄。

比特幣幾乎沒有被擴展用戶狀態(tài)，并且吞吐量又很低，所以在那個時候，這個容量完全不是問題。但是在吞吐量提升，并且 DApp 開始逐漸繁榮之后，容量問題便逐漸凸顯出來。和吞吐量類似，這個問題之所以受到限制，是因為普通全節(jié)點的內(nèi)存和硬盤的容量限制所致。這個限制也是和共識算法本質(zhì)無關(guān)的。

突破這個限制，唯一的出路也是切分容量的負擔(dān)，讓不同的全節(jié)點負責(zé)不同部分的賬簿狀態(tài)以及交易歸檔。分片（Sharding）就是完成這種切分的有效方案，當然未來也可能有其他的方案。賬簿狀態(tài)壓縮，歷史交易壓縮都是很好的實踐，可以和分片方案一起用。但是這些方向始終受限于單個全節(jié)點的本地資源限制，能提高幾倍已經(jīng)是非常不易，而設(shè)計良好的分片系統(tǒng)可以提高成百上千倍。

性能難點 3——分片

我最初來到這個領(lǐng)域，看其中的性能問題。按說分片是非?？孔V并且直接的解決方案。在區(qū)塊鏈以外的計算系統(tǒng)，哪個不是通過劃分工作量，分散到不同的計算單元，從而獲得幾個數(shù)量級的性能提升？GPU、Mapreduce、CDN 哪個商用高性能體系不是用這樣的架構(gòu)？當然最初是源自數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域。然而，當時圈子里的人卻和我說分片是個偽科學(xué)，是一個不切實際的方案，無法為區(qū)塊鏈擴容提供任何幫助。我當時是驚了，這區(qū)塊鏈有什么特殊之處，使得切分工作量變得不可行了？

最后我發(fā)現(xiàn)了問題所在。并不是區(qū)塊鏈有什么特別之處，而是有個叫 Z 的項目，做了一個不完整的分片方案，僅僅切分了交易處理的工作量，而交易仍舊需要廣播給全網(wǎng)所有節(jié)點，每個節(jié)點仍舊需要維護全網(wǎng)的賬簿狀態(tài)，每個交易的對賬簿狀態(tài)更新計算，所有節(jié)點也都仍要算一遍。這意味著完全沒有實現(xiàn)分片的好處，也沒有吞吐量和容量的提升，同時還引入了額外的開銷，導(dǎo)致其實際性能比不分片的系統(tǒng)還差。

但是，這個系統(tǒng)總體上安全性是沒問題的，繼承了之前共識算法的安全特性，所以他們的論文會被 ACM CCS 這樣專注計算和通訊安全的會議接受，倒也不令人驚訝。而真正在性能和容量上有突破的工作，為什么要找安全領(lǐng)域?qū)＜胰ピu審，難道不應(yīng)該是找性能領(lǐng)域的專家去評審嗎？例如 ACM SIGCOMM、OSDI、SOSP、NSDI 那樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的會議。當然，在那個空氣幣都飚上天的年份，Z 出來用這樣的技術(shù)方案，發(fā)個幣毫無壓力。

所以這里還是要給分片技術(shù)正名，這是公鏈 Layer 1 最靠譜的高性能發(fā)展方向。雖然有相當難度，但這是正途。

體驗障礙 1——交易隱私

自 Zcash 以來，交易隱私成為公鏈技術(shù)中非常重要的特性。和性能不同，這個特性是密碼學(xué)的主要陣地。其中零知識證明及其相關(guān)的延伸算法，是解決這個問題的主流方案。當前的缺陷是算法計算代價比較大，并且僅適用于較簡單的驗證計算問題，可以滿足匿名支付，但是離通用計算還有很大距離。這個也會是一個很重要的方向。

當然，并不是說隱私特性必須要支持通用計算，我覺得只要滿足主流應(yīng)用即可。不過這個方向上，我的一個擔(dān)憂是在當下這個監(jiān)管主導(dǎo)的時代，這種強反監(jiān)管技術(shù)，對其上應(yīng)用的發(fā)展可能會有很大的負面影響。

同時隱私有兩個方面的內(nèi)涵，一是用戶的狀態(tài)，例如用戶的賬戶余額，二是用戶之間的活動記錄，例如 A 給 B 轉(zhuǎn)了 X 個幣。監(jiān)管和隱私也許可以在這兩個方面分開找到權(quán)衡的點。

但是，如果我們從聯(lián)盟鏈的角度去看這一塊內(nèi)容，就是另一番情形了。聯(lián)盟鏈是有準入機制的平臺，而不像公鏈那樣是完 全 permissionless 的。這個準入機制可以是監(jiān)管的切入點，同時其實各個商業(yè)實體的業(yè)務(wù)私密性可以得到很好的保障。這是一個意義非凡的方向。

體驗障礙 2——硬件安全執(zhí)行環(huán)境

硬件安全執(zhí)行環(huán)境芯片（TEE）的出現(xiàn)，使得公允計算、隱私計算變得可以很簡單地實現(xiàn)?？雌饋?，我們都可以不需要共識算法了，也不需要零知識證明了。很不幸，這個不是靈丹妙藥。暫且不提其計算效率低，內(nèi)存容量小的問題，最致命的是，一個號稱使用 TEE 的節(jié)點，沒法獨立證明他的計算是在 TEE 芯片中完成的，而需要依賴芯片廠商所提供的中心化的背書服務(wù)（Attestation Service）。這一點，對于 permissionless 的公鏈系統(tǒng)來說，是無法接受的。因為至少這些芯片廠商，可以凌駕于運行在 TEE 芯片中的共識邏輯和加密防護，而給出偽造的共識結(jié)果，探視隱私數(shù)據(jù)。

當然，在聯(lián)盟鏈這種有準入門檻的應(yīng)用場景來說，TEE 芯片會是一個事半功倍的解決方案。將 TEE 芯片應(yīng)用于聯(lián)盟鏈的共識機制和隱私計算機制，將是一個很有前景的方向。

體驗障礙 3——中心化的輔助設(shè)施

公鏈系統(tǒng)的正確運行不能依賴于任何中心化的設(shè)施，但是中心化的輔助設(shè)施可以為公鏈系統(tǒng)所支持的應(yīng)用生態(tài)，提供有益的優(yōu)化和用戶體驗提升。雖然可行，但是現(xiàn)階段大部分用戶并不直接部署全節(jié)點來參與網(wǎng)絡(luò)，而是通過依賴一個或多個可信賴的全節(jié)點服務(wù)提供商，來完成交互。這個環(huán)節(jié)的機制和安全性，會極大地影響最終用戶使用區(qū)塊鏈系統(tǒng)的實際體驗。尤其是移動端用戶的體驗。而這里可以有三個方向上的發(fā)展。

一是公共信息服務(wù)。現(xiàn)在典型的例子是類似 Block Explorer 或者 Etherscan 這樣的數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)站和 Web 服務(wù)。這些服務(wù)使得應(yīng)用可以很方便地獲取鏈上的狀態(tài)，而避免承擔(dān)一個全節(jié)點的工作量。但是美中不足的是需要依賴服務(wù)提供商的信譽，同時服務(wù)提供商有作惡的可能。但是對于不敏感的業(yè)務(wù)，這些問題尚不構(gòu)成嚴重的威脅。

二是交易狀態(tài)的鏈上證明。這種證明使得應(yīng)用可以通過任何一個網(wǎng)上的全節(jié)點獲取可驗證的狀態(tài)信息，而不需要信任該節(jié)點。例如 Ethereum 的 MPT 樹（Merkle Patricia Tree）給出可被驗證的狀態(tài)。這種方式也可以提供上述的應(yīng)用層的好處。并且不需要依賴其它節(jié)點的信譽，其它節(jié)點也沒有作惡的可能性。有待改善的是，這種可被驗證的信息類型非常有限。

三是讓用戶可以低成本地自行運行一個免維護的全節(jié)點，各個應(yīng)用的客戶端通過信任并依賴用戶自己的全節(jié)點來完成鏈上的交互。這個方向，同時也是硬件的機會，一個面向普通用戶的、好用的全節(jié)點設(shè)備，會是一個很有意義的方向。并且這個做法更有助于公鏈系統(tǒng)本身的健壯性和去中心化。

體驗障礙 4——交易確認延遲

交易確認的等待是一個非常影響體驗的問題。對于支付應(yīng)用來說，現(xiàn)在可以降到十幾秒確認，用戶尚可將就。而對于往復(fù)頻次更高的應(yīng)用，如游戲，則需要更低的確認時間，例如百毫秒級。公鏈本身，首要保證安全性和去中心化，同時也由于批量確認交易才能獲得比較高的吞吐量，這使得很難再同時兼顧到交易的確認延遲。前面已經(jīng)提到，這個 Layer 1 無法解決的問題，才是 Layer 2 應(yīng)該去攻克。

既然我們分了層，那么各個層應(yīng)該有明確的差異和目標。Layer 1 用統(tǒng)一的方式承載全網(wǎng)的共識需求，那么就無法利用到特定應(yīng)用的交易結(jié)構(gòu)來優(yōu)化。而 Layer 2 是可以分開垂直做的，多個 Layer 2 技術(shù)可以在同一個公鏈上并存，服務(wù)于不同的垂直業(yè)務(wù)。這使得 Layer 2 技術(shù)可以利用特定類型應(yīng)用的交易結(jié)構(gòu)，來彌補 Layer 1 的不足之處，最明顯的機會便是交易延遲。

體驗障礙 5——私鑰管理

軟件時代用戶對個人數(shù)據(jù)管理毫無負擔(dān)，數(shù)據(jù)都在本地，在物理層面保護好自己的電腦就可以了。然后到了在線服務(wù)的時代，郵件系統(tǒng)首次大規(guī)模地教育了用戶，要對自己的個人數(shù)據(jù)負責(zé)，管理好自己的密碼。

在那個時代，中心化的服務(wù)給為用戶提供兜底的保護，提供一系列的方案，幫用戶找回遺忘的密碼。而今，在去中心化的應(yīng)用面前，用戶承受了更大的負擔(dān)和責(zé)任，保護好自己的數(shù)據(jù)和資產(chǎn)權(quán)益。這個東西是私鑰。教育用戶保護好私鑰，比上一個時代的密碼管理要困難得多。

首先，私鑰不是一個人類可以記憶的東西，每個人的私鑰可以自主生成，但是其內(nèi)容是一個相當長的隨機比特串，不是用戶自己可以選擇的內(nèi)容。雖然很多錢包支持助記詞，甚至中文助記詞，但是依舊是需要用戶抄下來，而對于大多數(shù)人來說無法記在腦子里。其次，在去中心化的體系中，如果用戶丟失，將沒有任何一方可以提供找回服務(wù)，而永遠失去對賬戶和資產(chǎn)的控制權(quán)。

因此，在公鏈系統(tǒng)中，私鑰管理是否能提供更好的體驗將是一個重要方向。比如利用本身的共識存儲機制，或利用附加的 p2p 存儲功能，以類似互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的方式將用戶的私鑰管理起來，從而減輕用戶的記憶負擔(dān)和遺忘風(fēng)險，但同時不失安全保障和去中心化的要求。相信這會是一個在使用便利性和安全可靠程度之間權(quán)衡的方案，適用于不同的場景和用戶群體。

以上隨筆，相信大家看到更多的更重要的方向，歡迎一起來討論。

本文為作者個人觀點，與就職單位無關(guān)。

王嘉平

王嘉平博士為微軟總部研究院前主管研究員，專注分布式系統(tǒng)，計算機圖形學(xué)和視覺以及用于機器學(xué)習(xí)的 GPU 集群等領(lǐng)域的研究，有數(shù)十項研究成果發(fā)表于 ACM/ToG 頂級期刊以及已授權(quán)的美國專利。他師從沈向洋博士，在中科院計算所獲得博士學(xué)位。他的博士論文獲得 2009 年度全國百篇優(yōu)秀博士論文獎，是該年唯一一名計算機科學(xué)專業(yè)的獲獎?wù)?。王嘉平博士現(xiàn)任創(chuàng)新工場執(zhí)行董事，投資方向為區(qū)塊鏈和人工智能。他曾主導(dǎo)了對比特大陸的首輪機構(gòu)投資，成為其首輪三大主要投資方之一。

關(guān)于DeepHash 專欄/每周二

文／林佳誼

“區(qū)塊鏈技術(shù)非常復(fù)雜，而且有很多誤解。更可怕的是，很多人自認為了解區(qū)塊鏈技術(shù)，但表現(xiàn)出的卻是無知。學(xué)術(shù)機構(gòu)有著巨大的責(zé)任去培養(yǎng)下一代的創(chuàng)新者。”在杜克大學(xué)商學(xué)院開設(shè)區(qū)塊鏈課程的教授 Campbell Harvey 曾經(jīng)有感而發(fā)地說。

每項新興技術(shù)發(fā)展都有它的周期，愈是可能帶來重大變革的技術(shù)，這個周期往往也愈明顯。就在區(qū)塊鏈技術(shù)步入所謂“幻滅的低谷”之時，DeepTech 深科技認為，下一個產(chǎn)業(yè)風(fēng)口，如今正在每個頂尖高校的實驗室、在各國央行與監(jiān)管機構(gòu)的研究室，在行業(yè)組織的研討會中醞釀著。

DeepTech 深科技認為，此時才是關(guān)鍵時刻，身為一家堅持深入報道科學(xué)科技產(chǎn)業(yè)的專業(yè)媒體與科技服務(wù)提供者，我們有責(zé)任也有必要，在這個時點上有帶領(lǐng)讀者去撥開迷霧、厘清誤解，培養(yǎng)對區(qū)塊鏈技術(shù)的更深刻認知。

因為此我們于每周二固定推出 DeepHash 專欄，由 DeepTech 資深編輯林佳誼，邀集千人學(xué)者兼天德鏈創(chuàng)始人蔡維德、分布式系統(tǒng)專家王嘉平、物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈初創(chuàng) Biilabs 創(chuàng)始人朱宜振等專家學(xué)者共同維護，每周一次，帶領(lǐng)讀者在技術(shù)研發(fā)、在法規(guī)政策、在行業(yè)標準，在國際趨勢，方方面面深入挖掘未來 3-5 年真正具有產(chǎn)業(yè)化潛力的區(qū)塊鏈知識。