区块链关键技术和挑战

从技术角度讲,区块链涉及到的领域比较杂,包括分布式、存储、密码学、心理学、经济学、博弈论、网络协议等,下面列出了目前认为有待解决或改进的关键技术点。

区块链密码学认证技术

  • 怎么防止交易记录被篡改? 

  • 怎么证明交易方的身份? 

  • 怎么保护交易双方的隐私?

密码学正是解决这些关键问题的有效手段。包括 hash 算法,加解密算法,数字证书和签名

(盲签名、环签名)等。

区块链技术的应用将可能刺激密码学的进一步发展,包括随机数的产生、安全强度、加解密处理的性能等。但这将依赖于数学科学的进一步发展和新一代计算技术的突破。

注:SONY PS3 私钥被破解事件 再次证明,即便足够安全的算法,如果没有被恰当的使用, 都只是纸上谈兵。

区块链关键技术和挑战

区块链分布式一致性

这是个古老的话题,已有大量的研究成果(Paxos、拜占庭等)。

核心在于如何解决某个变更在网络中是一致的,是被大家都承认的,同时这个信息是被确定的,不可推翻的。该问题在公开匿名场景下和带权限管理的场景下需求差异较大。

比特币区块链考虑的是公开匿名场景下的最坏保证。引入了“工作量证明”(Proof of Work)策略来规避少数人恶意破坏数据,并通过概率模型保证最后大家看到的就是合法的最长链。此外,还有以权益为抵押的 PoS、DPoS 和 Casper 等。这些算法在思想上都是基于经济利益的博弈,让恶意破坏的参与者损失经济利益,从而保证大部分人的合作。同时,确认必须经过多个区块的生成之后从概率学上进行保证。

更广泛的区块链技术引入了更多的一致性技术,包括经典的拜占庭算法等,可以解决确定性的问题。

一致性问题在很长一段时间内都将是极具学术价值的研究热点,核心的指标将包括容错的节点比例和收敛速度。PoW 等系列算法理论上允许少于一半的不合作节点,PBFT 等算法理论上允许不超过    的不合作节点。

区块链性能

如何提高交易的吞吐量,同时降低交易的确认延迟。

目前,公开的比特币区块链只能支持平均每秒约 7 笔的吞吐量,一般认为对于大额交易来说,安全的交易确认时间为一个小时。小额交易只要确认被广播到网络中并带有交易服务费用,即有较大概率被最终打包到区块中。

区块链系统跟传统分布式系统不同,其处理性能无法通过单纯增加节点数来进行扩展,实际上,很大程度上取决于单个节点的处理能力。高性能、安全、稳定性、硬件辅助加解密能 力,都将是考察节点性能的核心要素。

一方面可以将单个节点采用高性能的处理硬件,同时设计优化的策略和算法,提高性能;

另外一方面将大量高频的交易放到链外来,只用区块链记录最终交易信息,如 闪电网络 等。类似的,侧链(side chain)、影子链(shadow chain)等的思路在当前阶段也有一定的借鉴意义。类似设计可以很容易的将交易性能提升 1-2 个数量级。此外,如果采用联盟链的方式, 在一定的信任前提和利益约束下优化设计,也可以换来性能的提升。

目前,开源区块链自身在平台层面已经实现普通配置,单客户端每秒数百次的交易吞吐量

(参考后面的 性能评测数据),乐观预测将很快突破每秒数千次的基准线,但离现有证券交易系统的每秒数万笔的峰值还是有较大差距。

另外,从工程设计和平台部署上,都存在一些可以优化的地方。

注:VISA 系统的处理均值为 2000 tps,号称的峰值为 56,000 tps;某支付系统的处理峰值超

过了 85,000 tps;某证券交易所号称的处理均(峰)值在 80,000 tps 左右。

区块链关键技术

区块链的扩展性

常见的分布式系统,可以通过增加节点来扩展整个系统的处理能力。对于区块链网络系统来说,这个问题并非那么简单。

网络中每个参与维护的核心节点都要保持一份完整的存储,并且进行智能合约的处理。因 此,整个网络的总存储和计算能力,取决于单个节点。甚至当网络中节点数过多时,可能会因为一致性的达成过程延迟降低整个网络的性能。尤其在公有网络中,由于大量低质量处理节点的存在问题将更明显。

比较直接的一些思路,是放松对每个节点都必须参与完整处理的限制(但至少部分节点要能合作完成完整的处理);同时尽量减少核心层的处理工作。

在联盟链模式下,可以专门采用高性能的节点作为核心节点,用相对较弱的节点作为代理访问节点。

区块链安全

区块链目前最热门的应用前景是金融相关的服务,安全自然是讨论最多、挑战最大的话题。

区块链在设计上基于现有的成熟的密码学算法。但这是否就能确保其安全呢? 世界上并没有绝对安全的系统。

系统是由人设计的,系统也是由人来运营的,只要有人参与的系统,就容易出现漏洞。

可以参考,著名黑客米特尼克所著的《反欺骗的艺术——世界传奇黑客的经历分享》,介绍了大量的实际社交工程欺骗场景。

有如下几个方面是很难逃避的。

首先是立法。对区块链系统如何进行监管?攻击区块链系统是否属于犯罪?攻击银行系统是要承担后果的。但是目前还没有任何法律保护区块链以及基于它的实现。

其次是软件实现的潜在漏洞是无法避免的。考虑到使用了几十年的 openssl 还带着那么低级的漏洞(heart bleeding),而且是源代码就在大家眼皮底下。这背后曾经发生过啥,让人遐想连篇。对于金融系统来说,无论客户端还是平台侧,即便是很小的漏洞都可能造成难以估计的损失。

另外,公有区块链所有交易记录都是公开可见的。搞大数据的人听了是不是开始激动起来 了,确实,这里面能分析的东西还真不少,而且规模够大、影响力够大……实际上,已有文献证明,比特币区块链的交易记录最终是能追踪到用户的。

还有就是作为一套完全的分布式系统,公有的区块链缺乏有效的调整机制,一旦运行起来, 出现问题也难以修正。即使是让它变得更公平、更完善的修改,只要有部分既得利益者合起来反对,那就无法加入进去。这让比特币本身的价值也蒙上了一层阴影。

此外,运行在区块链上的智能合约应用可能是五花八门的,必须要有办法进行安全管控,在注册和运行前需要有机制进行探测,以规避恶意代码的破坏。

2016 年 6 月 17 日,发生 DAO 系统漏洞被利用 事件,直接导致价值 6000 万美元的数字货币被利用者获取。尽管对于这件事情的反思还在进行中,但事实再次证明,目前基于区块链技术进行生产应用时,务必要细心谨慎地进行设计和验证。

区块链未来的挑战

区块链数据库

区块链网络中的块信息需要写到数据库中进行存储。

观察区块链的应用,大量的写操作、hash 计算和验证操作,跟传统数据库的行为十分不同。

当年,人们观察到互联网应用大量非事务性的查询操作,而设计了非关系型(NoSql)数据库。那么,针对区块链应用的这些特点,是否可以设计出一些特殊的针对性的数据库呢?

levelDB、RocksDB 等键值数据库,具备很高的随机写和顺序读\/写性能,以及相对较差随机读的性能,被广泛应用到了区块链信息存储中。但目前来看,面向区块链的数据库技术仍然是需要突破的技术难点之一。

笔者认为,未来将可能出现更具针对性的“块数据库(BlockDB)”,专门服务类似区块链这样的新型数据业务,其中每条记录将包括一个完整的区块信息,并天然地跟历史信息进行关  联,一旦写入确认无法修改。所有操作的最小单位将是一个块。

区块链集成性

在相当长的一段时间内,基于区块链的新业务系统将与已有的中心化系统共存。两种系统如何共存,如何分工,彼此的业务交易如何进行传递?

这些都是很迫切的问题。这个问题解决不好,将是区块链技术落地的很大阻碍。

区块链其它

区块链的应用也带来了对很多问题的新思考和新需求。例如:

智能合约的合法性、

安全性和可执行性;

如何将现实中的合约和条约对应为电子合约;

 分布式系统的伸缩和迁移;

对存储系统新的挑战,特别是性能。

玖壹区块链声明

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