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区块链技术的发展趋势

爱人如猫 1年前   阅读数 65 0

当应用于实际业务时,目前的区块链平台在诸多方面尚存在问题,为了解决这些问题,未来的区块链还需在以下几个方面进一步研究发展:
(1)共识机制.

共识机制目前已经成为了区块链系统性能的关键瓶颈.在基于证明机制的共识算法中,经受多年实践性安全检验的 PoW 机制有着消耗大量计算资源及性能低下的问题.在基于投票机制的共识算法中,有着完善理论证明的PBFT算法面临着广播带来的网络开销过大的问题.如何提高系统吞吐率是共识机制最迫切需要解决的问题,因此,包括在少部分可信节点中选取主节点的共识算法、保证高概率正确性的异步共识算法、基于特定安全性前提并减少网络广播的共识算法、基于可信硬件的共识算法、同时融合PoW与PBFT优势的共识算法在未来都是值得关注的.
 

(2)隐私保护

因为能够隐藏交易内容,零知识证明和同态加密是最受关注的隐私保护解决方案.零知识证明目前更多被应用于数字货币领域,只有 ZeroCash 和 Hawk 基于零知识证明构建了区块链应用和模型.同态加密算法可抵抗量子计算的攻击,但其运算效率低,距离实际应用尚有较大差距.因此,针对零知识证明、同态加密等隐私保护方案,如何扩大应用领域、提高运算效率、加快应用落地,将会是今后最迫切的研究工作.
 

(3)部分存储

比特币平台的每个网络节点都全量的存储着所有历史交易数据,这虽然保证了数据的公开性、透明性及系统的高可用性,但也带来数据隐私问题;另外,每个交易都需同步到全网所有节点,也会带来性能问题.所以,很多平台采用了只存储部分交易数据的解决方案.Corda主要应用于对数据隐私要求较高的金融领域,所以从一开始就反对区块链中每个节点存储全部数据,而使数据仅对交易双方及监管可见.Hyperleder Fabric 1.0 的多通道技术从性能和隐私两个角度考虑,使每个通道仅存储与通道节点有关的交易.以太坊 2.0 的分片技术将全网交易数据按片数等分,使得每个分片存储的交易数据尽可能均衡随着交易量和数据量的剧增区块链节点由全量存储到部分存储将会成为未来的一个趋势
 

链外交易

为了提高交易处理能力比特币社区提出了增大区块隔离见证segregated witness和闪电网络(lightning network等扩容方案前比特币区块尺寸上限为1 MB比特币社区提出增大区块尺寸上限至2MB以容纳倍的交易量比特币交易的输入脚本包含有发送者的签名数据以证明其拥有该笔比特币但签名数据仅仅用于矿工挖矿时做交易验证没有其它额外的用途隔离见证是将交易中的签名数据移出以减少交易尺寸使区块容纳更多交易增大区块和隔离见证只是增加了区块容量无法从根本上改善性能但闪电网络可达到每秒百万级的交易量闪电网络是一种提供比特币链外off-chain双向快速支付的通道其提供了高频小额立即确认的支付方式并且具有更好的隐私性和更低的手续费雷电网络(Raiden network是根据闪电网络提出的以太坊链外快速支付通道闪电网络和雷电网络把小额交易放在链外既实现了高速交易也减轻了主链压力主链只处理最终的交易及作为争议仲裁的最后手段闪电网络和雷电网络是目前提高交易处理能力最有效的方案未来会有一定的发展空间
 

多链与侧链

传统区块链平台的单链设计方案使得系统整体处理能力受限于单个计算节点多链设计方案可使互不相关的交易实现分片存储和并发执行不但提高了系统的可扩展性使全网不再受限于单个节点而且链间隔离还保证了交易数据的隐私除了以太坊中的分片、Hyperleder Fabric中的多通道MonaxMultichain 等区块链平台也提供了自己的多链方案侧链sidechain最初是通过锚定比特币而实现数字资产交易的区块链技术主要解决比特币平台应用单一性能受限等问题侧链是一个独立的区块链有自己的账本共识机制交易类型和智能合约通过锁定主链上的比特币可使得相应数量的比特币在侧链上流通例如Blockstream 推出的元素链通过与比特币双向锚定既实现了比特币在主链和侧链间的互转还提供了智能合约私密交易等特性通过为每个应用分别创建一个锚定到主链的侧链可扩展传统区块链支持多种应用类型多链与侧链能够解决现有区块链的问题和不足未来需要进行更多研究。

跨链

面对数量众多类型各异的区块链平台跨链技术可以实现它们之间的互联互通及互信以数字资产为例如果能够打破不同区块链间的壁垒即可实现各类数字资产的跨链交易形成融合多种资产的价值互联网目前较有影响力跨链技术是PolkadotCosmos.Polkadot的主干网络被称为中继链relaychain),其以以太坊为主实现了与各种平行链parachain的互连每个平行链就是一个单独的区块链网络.Polkadot 还以其它公有链为升级目标最终让以太坊直接可与任何链进
行通讯.Cosmos把不同种类的区块链子网看做Zone通过主干网络CosmosHub上运行的Inter-Blockchain CommunicatioinIBC协议实现不同 Zone 之间的互联.Cosmos 专注于实现跨链的数字资产交易而 Polkadot 则专注于实现通用的跨链通信跨链技术目前还在研究和试验阶段但如同 TCP/IP 在当今互联网的地位未来非常需要对应的方案来实现区块链间的万链互联

区块树和区块图

区块之间未必要由链表来组织业界已提出用树和图来组织区块的方为了应对出块间隔时间减小带来的分叉问题以太坊中引入 GHOST 协议该协议承认叔块使得以太坊区块链实质上成为了树形结构为了适应于物联网小额支付的场景IOTA 区块链平台提出使用有向无循环图DAG来组织区块的方案Tangle每块只包含一个交易且至少链接之前的两个区块以表示确认过两个交易整个图根据结点权重计算最长链并作为主链未来非常需要在区块树和区块图方面进行更多的研究与实践
 

 (8)SQL on Blockchain. 

随着区块链系统性能的改善及交易数据的积累基于区块链的数据分析工作将会成为迫切需求现有的技术人员更熟悉传统的关系数据库现有的数据分析工具也基本都基于 SQL 构建区块链中的区块数据交易数据及状态数据更趋近于结构化数据如同Hadoop 编程由Mapredunce转向SQL on Hadoop、Spark 编程由 RDD 转向 SparkSQL 的发展历程一样主流区块链平台在未来非常需要SQL on Blockchain的查询引擎从而使现有技术人员能够快速上手使现有数据分析工具能够无缝接入

 (9)BlockchainDB 

类似互联网企业的快速发展催生了一批优秀的 NoSQL 数据库随着一批去中心去中介的新互联网应用的出现未来迫切需要一种从底层到上层都直接支持现有区块链特性的数据库可称其为 BlockchainDB.参照图的层次结构可知,BlockchainDB在各层的设计上可完全借鉴数据库领域已有的成果和技术.BlockchainDB在网络层上应该是基于 P2P 协议的便于实现各种节点的动态加入与退出从底层网络协议支持去中心化的架构数据库领域在 P2P 数据库管理方面已有了多年的研究及实际产品可借鉴其相关成果.Block-chainDB 在共识层上应该支持具有拜占庭容错的共识算法为了支持公有链联盟链的不同应用场景其应该分别提供证明机制投票机制的共识算法尽管数据库领域更多采用的是Paxos Raft CFT 共识算法但其设计经验仍然值得借鉴为了便于存储和检索,BlockchainDB在数据层上可直接应用现有数据库的存储与索引技术来处理区块链中的状态数据与索引数据区块数据和传统数据库的预写式日志非常类似它们都维护了所有的历史操作记录都是在表数据之前写入都是追加形式的写且支持数据重放只不过预写日志不具备不可篡改性且不支持查询但预写日志在高速写入等方面的研究可用于区块数据另外区块中的交易数据具有可追溯的特性但不论在基于交易还是基于账户的模型中目前的追溯查询并不高效因此可借鉴数据仓库和科学数据管理领域的数据溯源(data provenance来解决数据溯源的查询表达具有严格的代数学基础且可在关系数据库上实现在智能合约层智能合约与当前数据库的存储过程类似其响应外部事件的机制与触发器类似因此可借鉴存储过程与触发器的设计经验甚至可以实现类似PL/SQL或 TSQL 编写的智能合约.BlockchainDB 在应用层上应该原生支持 SQL,提供支持访问区块数据交易数据状态数据的 SQL 语句使应用程序获得与访问传统数据库相同的接口以降低应用开发人员数据库管理员的学习门槛由于去中心化的区块链与中心化的传统数据库在体系上的差异传统数据库相关技术并非可直接应用于BlockchainDB,这就需要根据区块链的特性开展进一步研究。

 

展望

在没有第三方权威机构的中介协调下区块链在互不了解的交易双方间建立了可靠的信任去中心化地实现了可信的价值传输因此区块链被称为价值互联网或第二代互联网首先区块链以较低的成本实现了点对点的价值传输这会冲击到以银行为代表的传统金融机构其次区块链的去中心化特性消除了对第三方中介机构的需求达成了对等的直接交易实现了真正的共享经济这将影响到以中介代理为核 心 业 务 的 互 联 网 公 司最 后挑 战 与机遇并存区块链的发展同时会给云计算大数据及物联网等行业的发展带来更多的想象空间所以区块链不仅仅是一种新型数据库也是一场互联网价值革命将会给众多行业带来深远影响。

本文参考自计算机学报:邵奇峰等:区块链技术:架构及进展
 

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