大财配资杠杆炒股解读区块链面临的技术挑战

 空投网   2021-02-01   来源:互联网  0 条评论
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比特币是区块链技术的第一个成功应用。截至目前,比特币区块链系统已经运行了 8 年多,除了有限的几次分叉,没有出现重大安全事故,充分显 示了其强大的稳定性和安全性。区块链技术目前的应用大多仍集中在金融领域,例如,数字货币、跨 境支付、证券交易、财产注册与认证等。然而,其未来要在金融领域做大规模推广应用还需要攻克很 多问题,如性能问题、可监管性问题等。

在供应链领域,通过区块链,供应链各方可以获 得一个透明可靠的统一信息平台,实时查看状态,追溯物品的生产和运送整个过程,从而提高供应链管理效率、降低物流成本。当发生纠纷时,追查和举证也 变得更加容易。然而,供应链管理往往涉及到诸多 实体,包括物流、资金流、信息流等,这些实体之间存在大量复杂的协作和沟通,应用区块链进行链上链下的有效协同,也存在诸多技术难题需要攻关。

在制造业领域,工业 4.0 应用,可以使用区块 链来记录生产过程的每一步,对于生产过程中的不 同参与者,采用不同的权限来访问区块链,以更加可靠和安全的方式,为参与者提取相关信息并确认生产过程中的步骤。但是不同的终端和传感器要参与区块链网络,进行协同和验证,当前的物联网终端和传感器计算能力及存储很难支撑,而区块链网 络协同的实时性也亟待提高和优化。

在能源领域,基于区块链的微电网络,也存在 可扩展性问题和验证交易的能源消耗问题等。此外,由于区块链自身的存储能力有限,应用于社交、电 子商务等领域时,还要考虑大量数据的存储问题、 交易效率问题等。

当前区块链行业正高速发展,区块链技术也得到了越来越多的应用。然而,在基础研究领域,国内外相关研究工作仍处于初步阶段,区块链体系结 构、共识算法、隐私保护、智能合约、跨链交易等方面的技术挑战越来越制约着区块链技术及行业的 发展。尽快寻找有效方案,实现关键技术突破,增强完善区块链领域的理论基础与关键技术是当前区 块链发展浪潮中的关键点与“杀手锏”。

  (一)区块链体系结构研究

区块链体系结构是区块链系统运行的基础,但 随着用户数量、系统规模的不断增加,其吞吐量低、 交易确认时间长、共识节点接入速度慢、存储资源 浪费等问题愈发突出,严重影响用户使用与行业拓 展。近几年,工业界和学术界从区块链结构设计等 方面开展了一些初步的研究工作。

并行化架构:区块链分片技术(Sharding)采 用并行化思想,将用户划分到不同的网络分片内, 并行处理不相交的交易集合,进而提升整体性能, 但处理涉及不同分片的交易时,需要经过复杂的跨 分片通信,开销很大。Plasma 则通过利用侧链层次 树划分整个网络,用“分治”来扩大交易规模。

链上、链下协同架构:闪电网络(Lightning Network)以类比特币区块链为基础,提出将交易 过程尽可能放在链下,进行链下快速交易,而链上 交易仅用于担保与结算。本质上,闪电网络并没有 提升链上交易性能,并且链下交易环节未存储到区 块链中,会影响交易的可追溯性。雷电网络(Raiden Network)作为“以太坊版本”的闪电网络,可与 Sharding、Plasma 结合,进一步提升交易处理能力。

并行化、链上链下协同等新型架构为解决区块 链的性能和资源占用问题提供了新的研究方向,但 是这些研究工作目前还处于相对早期的阶段,很多 具体的问题如并行化架构的合理分片、跨片通信、链上链下协同的去中心化、可追溯等问题还缺少高 效的算法和机制。

共识算法

  (二)区块链共识算法研究

区块链共识算法保证了区块链系统中各节点 可以维护相同的交易内容和顺序,是区块链系统 的核心机制。目前应用比较广泛的、常见的共识 算法包括工作量证明算法(PoW)、权益证明算法 (PoS)、股份授权证明算法(DPoS)以及拜占庭 容错算法(PBFT)[2],这些算法各有优势但也都 存在自身的问题(见表 1)。

近年来,为了适应实际应用的需求,一些新型 共识算法被提出。Algorand 通过密码抽签机制随机 选取一组验证者使用优化的拜占庭协议进行共识来提高共识效率 [3];Bitcoin-NG 通过工作量证明选取 的领导者发布交易微块,一定程度上改善了比特币 区块链 PoW 共识的性能 [4];Casper 通过锁定保证 金的验证人下注共识以提升 PoS 算法实现的安全性 以及去中心化程度。

然而,无论是 PoW、PBFT 这些经典共识算法 还是 Algorand、Bitcoin-NG 这些新型算法都面临“三 难困境”问题,即区块链系统最多只能同时优化去 中心化、高性能以及安全性三种目标中的两个,寻 求“三难困境”的最优解将是未来的主要研究方向 和技术挑战。

共识算法

  (三)区块链隐私保护研究

区块链隐私保护是为了解决公开的交易信息带 来的账户隐私泄漏问题。目前主要通过直接或间接 隐藏用户关键信息来实现,典型的隐私保护技术包 括:混币技术(CoinJoin)、隐秘地址(Stealth Address)、环签名技术(Ring Signature)[5] 以及 zkSNARKs 零知识证明算法 [6]。

混币技术、隐秘地址以及环签名技术只是间 接隐藏交易涉及的关键信息,在可靠性方面存在不 足;zk-SNARKs 零知识证明算法虽然属于直接隐藏 信息,但是其具有“可信赖的公共参数”以及效率 低下的问题。同时,量子计算的不断发展对隐私保 护研究提出了新的要求,而这些典型的隐私保护技 术都不具备抗量子攻击能力。新提出的 zk-STARKs 零知识证明算法完全依赖散列和信息理论,解决了 zk-SNARK“可信赖的设置”问题并具备抗量子攻击 的能力,但是该研究处于早期阶段,技术还不成熟且 存在证据过大等缺点。因此,设计既能保证高效安全, 还能保证交易关键信息隐藏与交易有效性验证的技 术方案依然是未来区块链研究面临的主要技术挑战。

  (四)区块链智能合约研究

Nick Szabo 于 1996 年首次提出了智能合约的 概念:一个智能合约是一套以数字形式定义的约定,包括合约参与方可以在上面执行这些约定的协 议。区块链为智能合约提供了一个去中心化、不可 篡改、公开透明的运行环境,使得智能合约无需信 任第三方即可根据预设合约协议自动执行。目前针 对智能合约的研究主要围绕智能合约虚拟机、智能 合约升级、链下数据可信喂养等方面展开。

智能合约虚拟机可以分为两大类:自主可控的 虚拟机,如以太坊虚拟机(EVM);使用现有成熟 的编译运行环境的虚拟机,如 Java 虚拟机(JVM)。使用现有成熟编译运行环境的虚拟机运行效率较 高,但不可控因素较多,而 EVM 等自主可控的虚 拟机当前的运行效率还存在较大问题。目前的研究 工作主要有 Solidity 编译器的优化、适合智能合约 的 Web 程序集(WASM)执行环境研发等,上述工 作均处于早期研究阶段。

智能合约是现实世界契约的计算机化交易协 议,在智能合约的开发过程中,开发者无法将所有 情况考虑在内,当链上的智能合约没有按照预期运 行时,就需要升级智能合约,并且对智能合约的行 为作出解释。Corda 提出将合约法律文本与代码结 合存储于链上,当合约代码发生未预期的行为时以 法律文本为准,但仍缺乏代码可升级的灵活性,因 此一套可升级且可解释的智能合约完整方案是智能 合约大规模应用的关键所在。

智能合约存在于区块链空间,与链下真实世界 活动相关联是其大规模应用的前提。Oraclize 将智 能合约与 Web API 通过加密证明链接起来,使得智 能合约无需额外的信任,即可获得现实世界的真实 活动数据;IC3 提出可信数据喂养系统 Town Crier (TC),通过英特尔最新可信硬件 SGX 向智能合约 提供认证可信以及机密性数据。然而,现有的可信 数据喂养解决方案灵活性较差,如 Oraclize 需要将 整个 https 请求响应返回并且依赖于链下的中心化 服务器,TC 无法支持代码的更新,需要研究新型 灵活、可信的数据喂养方案以满足智能合约对链外 数据的喂养需求。

  (五)区块链跨链通信研究

随着区块链技术被广泛应用于加密数字货币、 资产追踪、身份管理等领域,产生了很多分立的区 块链系统,而这些独立的区块链需要相互交易进而 实现价值最大化,就需要研究跨链通信技术。解决 跨链交易中有效性、可扩展性、原子性等问题是当 前区块链跨链通信技术的研究重点。

目前区块链跨链通信技术研究代表性方案包括 成 对 通 信、Interledger、Cosmos、Polkadot 等。成 对通信通过获取对方区块链的区块头与特定交易的 简化付款验证(SPV)证明,可在没有外部参与的 情况下验证跨链交易的有效性;Interledger 通过构 建连接器,找到一条到接受者的资金转移路径,资 金在连接器之间转移,从而实现跨链;Cosmos 利 用 Hub 与 Zone,当源 Zone 与目的 Zone 进行跨链 交易时,Hub 对 Zone 形成的包进行跨链转发;而 Polkadot 的愿景是实现异构区块链之间的跨链,同 时事务可以在不同的区块链上并行执行,从而增加 系统的吞吐量。

上述跨链通信方案大多面向跨链某一具体场景且性能较低,如成对通信仅限于交易存在性验证, Interledger 以及 Cosmos 仅用于跨链转账这个单一 功能;虽然 Polkadot 支持的跨链类型更为丰富,但 是其仍处于非常早期的方案设计阶段。随着跨链交易的需求不断增加,实现安全、高效且通用性好的 跨链技术方案迫在眉睫。

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