OK工程院 Shine JIANG：区块链底层技术发展前沿

OK工程院 Shine JIANG：区块链底层技术发展前沿 | 清华x-lab公开课

2018 年 12 月 26 日 大数据文摘

大数据文摘出品

整理：蒋宝尚

清华x-lab公开课第二期第三讲邀请到OK工程院的Shine JIANG，他为清华师生带来了题为《区块链底层技术发展前沿》的演讲。

嘉宾介绍：其12年毕业于清华大学网络与信息安全实验室（NISL），著有《恶意代码:分析与实战》。曾是著名安全战队蓝莲花初创队员，并且先后在腾讯、百度等知名互联网公司工作。曾担任百度AI模型安全团队的技术负责人，曾主导并开发了百度大脑（PaddlePaddle）上的第一个对抗样本工具集Advbox。

以下是演讲内容：

上图介绍了区块链的发展的历程。区块链从2008年诞生以来，引起了社会的广泛关注。今天抛开这些浮躁的讨论，从技术方面入手，看看它有哪些技术的特点，它为什么会受到关注，它目前的制约点在哪，研究上面都有哪些进展。

区块链发展的三个阶段

区块链1.0就是以比特币为代表，概念首次提出是2008年，2009年正式启动比特币的网络，在这个网络里面，它有别于互联网的地方就是在互联网上面实现了价值的转移，之前互联网发展几十年，主要解决的问题是互联互通，我们使用互联网的服务，后面有一个一个的服务商，有一个中心化的节点。在区块链里它有这样几个特点：一是去中心化；二是不可篡改；三是可信任。总的来说，区块链技术融合了计算机科学、密码学、网络和经济学的博弈论。

区块链的2.0就是以以太坊为代表，它的主要特点就是加入了智能合约，智能合约是在1995年提出了一个概念，计算机受限于当时的环境，由于依赖于可信的第三方，并且还有数据的不可篡改性，操作涉及到多方，会带来一些限制。区块链诞生带来天然的运行基础平台，区块链在以太坊进行结合，扩大了场景。相当于在溯源、经济领域，都可以在以太坊2.0上去做一些工作。

区块链3.0有两个发展的趋势：一是区块链的应用。区块链发展这十年，真正走到我们身边的应用很少，几乎是寥寥无几。这块的应用一个是基于联盟链的企业级的应用，像天猫的跨境物流的跟踪，跨境的支付，还有像我们前面公布的疫苗溯源方案，都是相当于基于区块链的特点做的一些应用。

可扩展性制约区块链发展

为什么我们发展了那么久，它在应用上没有深入到用户级别的场景，主要是它的可扩展性受到很大的限制。这也是目前绝大多数公链所努力攻破的一个点，就是它的可扩展性。它的可扩展性到底有哪些问题呢？这是去年年底风靡全球的一个游戏，叫“加密猫”，这个游戏直接导致了以太坊的严重堵塞。它的原因就是以太坊上从它的设计上不能支撑这么大规模的交易，导致了它在打包、入块的流程上受到了阻碍。而传统中心化的交易平台，它的处理能力像Visa和支付宝，Visa是2.4万的TPS，支付宝“双十一”峰值32.5万TPS的峰值，和比特币和以太坊最大理论的峰值，比特币是7，以太坊是15。

什么原因让它性能这么低下呢？区块链里有“三元悖论”，这是以太坊提出的概念，他的意思是说区块链领域里面不可能在同一时间，同一层面从去中心化、安全性和可扩展性三个方面做到提升，在区块链这块2008年比特币设计的时候，主要解决是资产的价值转移，在资产里面很重要的一个特点就是要安全性。比如说要去买理财，去做一些投资，肯定考虑的是资金的安全性，这是首要的。在安全上的基础上，我们才能考虑的是它的收益，如果本金都没了，其实投资的价值也就很少。

在区块链里面，像比特币和以太坊里面，为了提升去中心化和安全性，设计的时候每一个节点，每一笔交易都需要全网去广播，全网节点去做验证，每一个块也是需要全网去同时争取这样一个记账的过程。当然，从这两个点上就失去了它的可扩展性。我们全网的性能制约点就相当于取决于每个节点单点性，在全网里加入的节点越多，性能不仅没有得到提升，消息的广大、通信的复杂度反而更高。让它的可扩展性受到了极大的限制。

像US它比较聪明，牺牲了去中心化，用了21个超级节点的概念，前提认为这21个超级节点是可信的，这种共识用了21个超级节点，虽然提供可扩展性，性能也得到比较大的提升，但是牺牲了去中心化区块链本质的特点。另外也要保证这21个节点要完全可信任。另外有一些区块链里面为了提升去中心化和可扩展，只用了一些分散的存储计算，从全网里面选出一小部分节点来做共识，选出一小部分节点，不同的节点之间存储的账本不一样，这就让去中心化和扩展性有一定的提升。但是这就会让它的安全性降低，攻击的难度也降低。

四种方法解决区块链扩容问题

目前在区块链的扩容方案里，可扩展性这个方面有四种方法：一是DAG；二是二层扩容；三是共识创新；（这里有两个案例）。四是分片技术。

首先介绍一下DAG，是有向无环图，是计算机领域里一个比较重要的数据结构。

它的意思就是在图里面，从一个节点出发，沿着箭头的方向，不管从哪个路径走都不会回到这个节点本身。这是它的有向无环图的定义。我们看到在传统区块链，比特币和以太坊里面，存储方面是一条主链的结构，按照时间顺序由一个一个的组成，当一个区块入块了，剩下所有的节点去竞选下一个区块的记账权，就是矿工，从而来获取记账的分红。在这里我们可以认为，这是同步的过程。

一是全网同步的去出同一个区块，另外对每一笔交易全网都要去做验证，并且每个节点存储区块链的信息。带来的好处就是保证了严格的一致性。而DAG里面它改变了这样一个存储结构，它认为区块链里面比特币、以太坊里，每一个块包含了多笔交易，并且基于时间顺序来做的。在DAG这个网络里面，每一个点只是一笔交易，不是一个块的概念。后面的一笔交易通过一定的策略，会连到前面的多笔交易上面去，并且会对前面这样一个交易做一个验证。这样做的好处就是它把这样一个原来同步的存储改成了异步，理论上来说是支持无限的扩展。

TPS也可以无限的大，但是它有一个问题，就是如果有一个节点，后面没有人链接到他，相当于没有人验证他这一笔交易的有效性，就永远得不到确认。另外，在这里由于没有使用强一致性，尤其是智能合约运行的时候，它运行一段时间有可能会导致出现“双花”，不一致的现象，安全性并没有得到广泛的验证。在这种存储结构里，由于比特币和以太坊都是这种存储结构，运行了十年，也没出现问题，它的安全性经过了实际工程的检验。另外在DAG里，每一笔交易之间的溯源，因为它的图复杂度极高，和区块链里单链的结构来比，它的复杂度极高。

二层扩容，把链分成两种，原来的链还是比特币，即以太坊的主链，另外又生成了侧链，将复杂的交易和频繁的交易放到链下，最终的确认放到主链上去做，这样做的好处就是减少了主链的压力，但是最后总体的性能评定很明显，就是主链，最高像以太坊来说也就是15。虽然是以那个创新，但是对性能的提升也是有限。

Algorand，这个是图灵奖的Micali提出公链的设计方案，他认为他突破了“不可能三角”，他的共识算法采用VRF+POS+BA*的算法，它的设计的思路是：比特币和以太坊里每一笔交易要全网广播，全网做验证，这里只是随机选出来一小部分节点，让这一小部分节点去做出块的提名人、验证人和出块节点。共识的很大范围降到几个节点之间，用了一些算法保证节点选取的随机性，得到了一定的安全保证。所以说加快了交易的吞吐量。但是这个方案目前并不完善，可扩展性也是有限的。它的理论值是2000，与现在号称百万、千万的差距很大，最终的理论值也就200，实测也就是到1000左右。

Dfinity是另外一个从共识方法上去改进区块链可扩展性的一条公链，一度被认为是区块链的3.0。它的思路和Algorand有点相似，也是将整个网络选举出一小块的局域的几个节点，在这个节点之间再选出共识的委员会，在这个委员会用了一些BLS多签的方法出块，一定程度上来说，两个方面，一是共识组由全网变成局部的网络，第二是在共识的方法上做了创新，用了BLS多签的方案，也是提升了交易量。

分片技术（Sharding），它其实和前面两个共识相比，随机选取一小个节点来说，就更近了一步。在比特币、以太坊里它的性能取决于单点的性能，加入的节点越多，网络没有更好，反而更坏。是不是存在这样一种方案，让它可以并行的去做，比如说把它切分到一块，其实有了分片技术。分片是数据库里面的概念，提供数据库横向扩展的方法，通过将数据库切分到不同的数据库上，来提升服务器对数据库访问RO的可扩展性。

这个地方把分片用在区块链里面，通过一定的机制和方法，将整个区块链网络分成若干的共识组，每个共识组交易量之和就是整个这条链的整体吞吐量。这个地方设计了几个重点，第一是你如何进行共识组的选举。选出来的共识组，如果里面有大量的拜占庭节点，坏的节点。相当于在这个节点里安全性受到极大的挑战。另外一个，就是在你的分片大小是不是合理，如果你的分片太小了，几个拜占庭节点有可能影响你分片的安全性。如果你的分片太大了，影响片内的交易太多，也会影响一定的吞吐量。太小了还有一个问题，跨片的交易会多，跨片的交易还不如原来的一个网络。这是几个要点。

分片也分了三个：网络分片、交易分片和状态分片。交易分片是在网络分片的基础上去做的，是通过将整体网络分成若干分片，每个分片并行的进行交易，但是全网所存储的还是一个账本。对每个节点的存储压力依然是存在，状态分片的好处，每个分片只存储本分片的部分账本，这就从交易和存储两方面去提升它的扩展性。在这里随着分片的越多，整体网络可扩展性也就越大。

这是我们的设计目标，“不可能三角”，我们在这个理论下做的一些工作。我们保证一定去中心化和一定安全的前提下，去提升公链的可扩展性。其实在比特币和以太坊里面，也尝试过有很多其他的方法，比如说是增加区块的大小，一个区块是不是能打包更多的交易，第二个是缩短区块的出块时间，时间缩短。但是这些方案一是也有一定问题，二是对性能的提升也极其有限。

精彩问答

Q：公链采用拜占庭算法，激励机制怎么考虑的？要不要退出那个激励机制？

A：我简单说一下这个激励机制，对于协作型网络机制PBFT，Leader生成一个块的话，需要经过别人的验证也就是签名，激励机制一种方法就是出块节点拿到一部分奖励，另一部分是验证节点也需要拿到一块奖励。然后对于一个分片来说，如果生成一个块的话，需要通过拜占庭假设的话，三分之二的节点认证通过就可以，激励的话也是激励验证后的有效节点，具体怎么分是比较细节的问题。

Q：链具有普适性的，现在有没有公链落地的场景。

A：公链现在也有一些链，专门为特定的场景服务，比如自己做去中心化交易所，开发一个链，具体的应用。之所以没有大规模的应用，有两个原因，第一还是中心化的思想在里面。另外是由于公链传统的性能，没有解决，专门公链，用户量没有那么大。但是公链这一块有一点是你的用户量越大，允许所有人加入，用户量越大，在加入的人越多，安全性、去中心化才能更好的尝试。我一直觉得公链就是底层的基础设施，是服务于各行各业的。在现在这个阶段，有可能会出现这样几条链，针对不同的行业去做，主要受制于性能、安全性。