區塊鏈:公鏈前沿研究的三大視角：區塊鏈技術方案越來越多，價值與落地性幾何？_ORA

在誕生10多年以來，區塊鏈技術先是從比特幣所描繪的點對點的電子現金系統擴展到了可編程資產的公共賬本，然后又進一步發展出了以以太坊為代表的、可以執行圖靈完備的運算并記錄結果的「通用狀態計算機」，如今又基于性能、功能與互聯互通性等屬性出現許多技術創新，多條公鏈也由此名聲大噪。

為了更深入地探討那些重要且硬核的技術與思想難題，鏈捕手(ID：iqklbs)將邀請公鏈、交易所等一系列領域中具有相當建樹的企業家、學者、技術大牛等，分享他們在自己專業領域經過大量實踐的行業判斷與思考，以幫助各位讀者進一步加深對區塊鏈的理解。

近日，鏈捕手邀請到Conflux研究總監楊光博士撰稿，談談他作為公鏈行業一線從業者對公鏈行業發展狀況的觀點，并對當前公鏈行業新出現的技術解決方案進行梳理與評價，相信這些信息將對讀者們深入了解公鏈行業最新技術動態大有裨益。

作者/楊光

未經授權，謝絕轉載

自從中本聰于2009年1月發布比特幣的代碼以來，比特幣和區塊鏈技術的發展已經走過了十個年頭。這十年間，比特幣經歷了密碼朋克和Geek們的玩具、黑市交易和洗錢的工具、投機炒作標的物等多個階段，現在已經成為了一種政府和主流金融機構也不得不正視其價值的數字資產。

在這十年間，區塊鏈技術先是從比特幣所描繪的點對點的電子現金系統擴展到了可編程資產的公共賬本，然后又進一步發展出了以以太坊為代表的、可以執行圖靈完備的運算并記錄結果的「通用狀態計算機」。

區塊鏈技術的意義和使用范圍早已遠遠超出了比特幣或者說電子支付系統——當我們在2019年談起區塊鏈技術的時候，更多的情況下是討論如何以一種可信任的方式組織和處理信息。也正是因為如此，越來越多的人開始意識到區塊鏈技術是一項可以與互聯網技術相提并論的偉大發明。

如今區塊鏈的發展主要有兩個大的分支：公有區塊鏈繼承了比特幣的民主和去中心化的精神，采用了無準入許可的共識機制并通過區塊獎勵激勵共識的維護者；聯盟區塊鏈用區塊鏈的思想重構了數據庫，實現了在一個聯盟的內部成員之間建立信任和共享信息的目的。

實際上，至今仍有人認為「聯盟鏈」只是披著區塊鏈外殼的數據庫而不是真正的區塊鏈。本文接下來就從公鏈的角度來介紹一下當前區塊鏈技術的發展。

公鏈項目Findora與Metis在DeFi領域達成戰略合作:據官方消息，Findora和Metis計劃在DeFi領域的擴容和隱私保護的多個研究領域進行深入戰略合作，包括如何構建更加高效并注重隱私保護的rollup服務；如何基于rollups建設更好的web 3.0基礎設施；如何實現Rollup與Rollup之間，以及Layer 1公鏈與Rollup之間的跨鏈通訊等Defi領域的前沿問題。同時，雙方宣布將發起Web 3.0技術聯盟，并邀請更多技術合作伙伴加入，加速推進各項Web 3.0基礎設施的構建。

據悉，Metis是總部在多倫多的Layer2+DAO Web3基礎設施服務商；Finndora則是隱私計算方向的公鏈項目，并致力于成為新一代隱私計算和分布式經濟體的基礎設施。雙方將結合自己的技術優勢，共同推進相關研究的深入，以及Web3.0的整體建設。[2021/4/11 20:08:31]

區塊鏈在本質上是一個處理信息的系統。甚至曾有人提出一種比較夸張的說法：「比特幣實際上就是一個有史以來最慢的分布式數據庫。」誠然，將比特幣或任何一條公鏈跟傳統的分布式數據庫比較都是有失公正的，因為區塊鏈最大的價值在于提供信任而非提供傳統數據庫已有的功能。

但是另一方面，除了提供信任的共識機制以外，區塊鏈的其他功能和組成部分與一個傳統的日志式數據庫都是非常類似的。例如比特幣的轉賬和腳本功能和以太坊的智能合約都可以由一個中心化的數據庫實現。因此，也就不難理解公鏈技術的發展方向了——在保證去中心化以提供同樣程度的信任的前提下，把公鏈做成一個更好用的數據庫。

那么，對于一個數據庫來說，我們都在乎它的哪些方面的？下面我們就從性能、功能、互聯互通等方面介紹一下公鏈技術發展的方向和現狀。

01

性能

公鏈的性能改進的方向可以簡單概括為「更高、更快、更強」，分別表示更高的吞吐量，更快的確認速度，更強的安全性。

1）更高的吞吐量

對于更高吞吐量的追求是很多新的公鏈技術最重要的目的。比特幣的共識吞吐量大約是每十分鐘1MB數據，也即平均每十分鐘全網可以對1MB的數據達成共識。按照每筆交易500B計算，這大約相當于每秒處理3.5筆交易，也即3.5tps。

庫幣現已支持并開放基于Algorand公鏈的USDT及USDC充提服務:據庫幣KuCoin交易所消息，庫幣現已支持基于Algorand公鏈的USDT-ASA及USDC-ASA充值與提現功能，用戶可前往提幣/充幣頁面并選擇Algorand公鏈來完成Tether (USDT) and USD Coin (USDC)的鏈上轉賬，Algorand公鏈比ETH轉賬速度更快，費用更低。

同時，為慶祝Algorand生態穩定幣USDT-ASA及USDC-ASA上線，庫幣Pool-X將聯合Algorand (ALGO) 項目方開啟新春賀禮活動。庫幣數字貨幣交易所，為來自207個國家的600萬用戶提供幣幣、法幣、杠桿、合約、礦池、借貸等一站式服務。[2021/2/10 19:26:59]

作為對比，Visa的日常吞吐量大約是2000tps，峰值可以超過5萬tps，支付寶處理交易的峰值則要超過30萬tps。不難看出，比特幣極低的吞吐量使得它不可能成為一種日常使用的支付手段，而且實際上近年來每次幣價劇烈波動的時候比特幣上的交易都會體驗到明顯的排隊延遲。

在提供吞吐量的擴容技術方面，又分為第一層技術和第二層技術。其中第一層技術主要是修改共識算法以提升區塊鏈上共識數據的吞吐量，第二層技術則是通過對共識分層的方式在無需改變每條鏈的共識吞吐量的情況下提升整個系統的吞吐量。

第一層擴容方案里最簡單的改動方式就是直接修改參數，比如縮短出塊間隔或者增大區塊尺寸，以求在同樣的時間內對更多筆交易達成共識。

例如比特幣現在所使用的隔離見證技術實際上也是在變相地擴大區塊尺寸，只不過因為擴大得非常有限，所以只能把比特幣的吞吐量提高到每秒7筆左右。這樣簡單粗暴地改參數的直接副作用就是會降低系統的安全性，而這是我們非常不愿意看到的。

為此，代理加速網絡和致密區塊等提高區塊廣播速度的技術被開發出來用以平衡修改參數對系統安全性造成的負面影響。但是畢竟廣播速度的上限嚴重依賴于網絡基礎設施的發展水平，所以通過改參數的方式能提高的吞吐量是非常有限的。

另一種常見的第一層擴容方式是采用新的共識協議，以突破中本聰最初的設計的性能瓶頸。該方向吸引了很多學術界的大牛進行研究，例如以太坊的共識算法就采用了由以色列希伯來大學的YonatanSompolinsky和AvivZohar提出的GHOST協議而非中本聰的最長鏈規則，因此可以把出塊間隔從10分鐘縮短到15秒左右，吞吐量也提高到每秒30筆交易。

動態 | 全球流通產業公鏈GSL將進行千萬利潤激勵?兌現白皮書承諾:全球流通產業公鏈GSL將于2020年初進行年終通證權益激勵，詳情請見近期火幣印尼公告。據悉，GSL商城運行不滿一年，GMV已達數十億且已盈利。GSL將拿出千萬利潤激勵用戶，以兌現白皮書承諾。據了解，通過GSL可從兩方面評價項目好壞的標準：其一是否具備造血能力，其二所有生態建設參與者是否能共享平臺成長性收益。[2020/1/10]

GHOST協議的主鏈選擇路徑

其他比較知名的下一代共識協議還有圖靈獎得主SilvioMicali和姚期智先生分別主導開發的Algorand和Conflux：前者采用了PoS共識機制來避免分叉，可以達到大約300tps；后者以樹圖結構而非鏈式結構組織區塊，實現了超過3千tps。目前Algorand和Conflux以及其他許許多多新的共識協議絕大部分仍處于理論論證和實驗階段，是區塊鏈技術非常重要的發展方向。

第二層擴容方案是對分片、側鏈、多鏈等技術的統稱。這類技術的核心思想是把共識參與者進行分組，每組分別處理不同的交易，通過分工合作的方式提高整個系統的吞吐量。

目前，第二層擴容方案中的最具影響力的無疑是比特幣的閃電網絡，其他比較具代表性的包括以太坊的狀態通道、Sharding和Plasma等提案。第二層擴容方案的主要缺點在于一定程度上犧牲了安全性，因為參與第二層共識的算力或權益份額都要顯著少于第一層主鏈，這是由「分工合作」的設計思想所決定的。

第二層方案的設計中非常重要的一點就是在發現問題時如何安全快速地退回第一層共識，例如在比特幣閃電網絡中單方面關閉交易通道。因此，第二層擴容方案通常是作為對第一層區塊鏈的一種功能上的補充出現的，更適合處理小額資產和實驗性功能等特殊場景。

此外，未來第二層方案發展的另一個重要方向是利用智能合約的可編程性，在第一層區塊鏈之上實現和運行為具體業務場景定制的第二層側鏈，以獲得更高的性能、更低的成本、以及其他更多樣化定制化的功能。

例如今年2月斯坦福大學的BenediktBünz等在ePrint預印本網站上公開的Zether即是以通用的智能合約的形式實現類似ZCash的機密交易的功能的第二層方案。

動態 | 盛大公鏈STD宣布與十五大知名社區達成合作:據官方消息，自盛大公鏈STD與WBF達成戰略合作以來，STD至今已累積上漲600%，今日，盛大公鏈宣布與十五大知名社區（北斗社區，文藝社區，贏在幣圈，魔鬼社區，JR社區，小小社區，幣咚社區，蕭蕭社區，藤曼社區，匯豐社區，南瓜社區，知了資本，SUPER社區，紫云社區，大俠區塊鏈社區），東方資本達成戰略合作。

盛大公鏈由新加坡創世基金會投資創立，采取公平分發機制，支持跨鏈通信，多鏈融合等功能，借助AI，大數據，云計算，5G，物聯網等尖端科技，將產業資源數字化轉換，精準撮合，廣泛流通，推動全球實體產業數字化進程。[2019/12/10]

2）更快的確認速度

比特幣每筆交易通常需要等待六個區塊才能確認，按照平均十分鐘產生一個區塊計算這大約需要一小時時間，這還沒有計算因為吞吐量過低帶來的排隊等待時間。

實際上，如果轉賬的金額足夠高/區塊獎勵相對很少的時候，確保一筆交易安全所需等待的時間和區塊數還會進一步增加。這樣的交易速度無疑會造成很差的用戶體驗，因此提高確認速度也是區塊鏈技術的一個核心發展方向。

提高確認速度的區塊鏈技術往往同時也會提高吞吐量，因為單獨提高確認速度的意義有限，吞吐量過低時排隊的時間將成為實際確認延遲的主要部分。

例如前面說的加快區塊廣播速度和縮短出塊間隔就是典型的同時提高確認速度和吞吐量的技術，而GHOST、Algorand、Conflux等共識協議的主要目標之一就是保證系統在快速出塊的同時仍具有足夠的安全性。

Conflux的樹圖模型

很多第二層擴容的方案也可以提供更高的確認速度，因為此時只需在第二層確認不會受到第一層主鏈達成共識速度的限制，典型的如比特幣的閃電網絡。

為了達到極致的確認速度甚至還出現了基于代理的權益證明的共識協議，在采用這種協議的系統中只有具有強大處理能力和良好的網絡條件的超級節點才能直接參與共識，其他參與者只能投票選擇自己信任的超級節點而沒有打包交易和投票選擇區塊的權利。

EOS是DPoS系統的典型代表，通過將每輪參與共識的超級節點數量限制在21個，EOS可以實現1秒的確認時間和接近4000tps。但是DPoS的缺點也非常明顯，其中最為人詬病的就是超級節點降低了系統的去中心化程度，為安全性和區塊鏈的治理帶來了很多隱患。

樂博資本創始合伙人楊寧：未來是公鏈的時代:藍港互動王峰對話樂博資本創始合伙人楊寧，關于公有鏈的部分，楊寧表示：“1. 我覺得公鏈的好壞重要在于是否適合自己，再好的東西自己用不了就像一件特別好看的衣服自己穿不上一樣。全功能公鏈現在很受追捧，但是我認為全能就像瑞士軍刀，什么都能做，但是什么都做不好。我認為未來是行業公鏈的時代。2. 公鏈還有很多發展的方向和空間，還有很多未解決問題。”楊寧也提到，如果已經先起步的公鏈故步自封，就算是V神也會被拉下神壇。[2018/3/13]

此外，還有一些折衷的技術通過放寬安全性要求的方式在不改變現有共識協議的情況下對小額支付提供更快的確認速度。

例如通過共享幾個大的比特幣礦池的交易內存池即可在一筆交易被實際打包進區塊之前檢查是否有沖突交易，如果沒有沖突則可認為這筆交易最終會被打包并執行。這也被稱為「零確認技術」，用于快速確認小額交易時甚至不需要等待交易被實際打包進區塊。

當然這樣的做法局限性也很大，首先必須有相對集中和中心化的礦池為交易池的真實性背書，其次無法百分之百避免某個礦池或者礦池之外的礦工最終打包了一筆與之有沖突的交易。因此這種技術也只能用于確認風險較小的小額交易。

3）更強的安全性

區塊鏈技術保證了達成共識的交易和數據都具有難以被篡改的特性，這也是區塊鏈能夠提供去中心化信任的核心邏輯。在以比特幣為首的大部分現有區塊鏈系統中，為了達到這點也需要在隱私性方面付出相當的代價——所有的交易都用明文的形式存在鏈上以供其他節點驗證，因此所有交易的內容都是公開的。

這些區塊鏈系統通過與真實身份無關公鑰地址實現了一套「假名」的支付系統，這套「假名」系統可以提供最低程度的隱私性，但是地址對應的用戶的身份仍能通過歷史交易之間的關聯性和使用模式等高級分析手段識別出來。因此，對用戶的隱私信息提供保護也是區塊鏈技術的重要發展方向，也是密碼學技術在區塊鏈中的主要應用。

對轉賬交易的隱私性保護在技術上實現起來相對比較容易。目前已有混幣、機密交易、環簽名、Mimblewimble協議、甚至零知識證明等多種技術用于保護交易的隱私性，也涌現出了諸如Monero、Zcash、Grin、Beam等以隱私保護作為特色的公鏈。

它們通過采用不同的技術方案獲得了不同程度的隱私保護，但是有一個共同的問題就是隱私保護的代價還比較高。

例如Monero采用環簽名技術生成的每筆交易尺寸大約有10KB，Zcash中生成每筆帶有零知識證明的交易需要幾十秒甚至幾分鐘的時間和幾十MB到上GB規模的內存空間。降低保護交易隱私的額外開銷是這類技術的主要發展方向。

另一方面，對于智能合約的執行等通用計算的隱私保護也吸引了越來越多的研究力量。該方向現在主要的幾個技術流派包括基于安全芯片的可信執行環境、基于密碼學的全同態加密技術和零知識證明技術等。

以Intel的SGX芯片為代表的TEE技術是目前看來離實現最近、額外開銷最低的方案，但其缺點也同樣明顯：需要信任芯片制造商，并且芯片容易受到側信道攻擊。

全同態加密技術的主要缺點在于計算成本過高，完成同樣的計算任務需要的計算量大約相當于明文計算時的十萬到一百萬倍的。零知識證明技術現在已經有zk-SNARK、zk-STARK、Bulletproof、Ligero、ZKBoo等多種實現方案，這些方案在性能上各有長短，但目前尚沒有哪個在各方面都達到堪用的水平。以更高的性能實現零知識證明是密碼學家們在所有區塊鏈技術中最關注的目標。

此外，可驗證計算也是一種可以提高區塊鏈安全性的重要技術。可驗證計算允許用戶不重復執行所有運算即可驗證計算結果的正確性，可以減少共識計算的成本和降低加入高吞吐量共識系統的門檻。在實現方式上可驗證計算與適合區塊鏈使用的非交互式零知識證明技術具有很多相似之處，此處不再贅述。

02

功能

區塊鏈技術在功能方面的發展面向的主要是豐富的應用需求。自從比特幣誕生以來，對區塊鏈功能改進最大的技術無疑是以太坊的智能合約，該技術使得區塊鏈的功能從記錄交易的賬本進化為通用的數據處理平臺，極大地拓展了人們對于區塊鏈在未來的應用場景的想象力。

現在的區塊鏈技術的發展方向是在提供圖靈完備的智能合約的基礎上同時實現更多的功能，以下從權限控制、外包計算、可信隨機數等幾個方面簡單介紹一下。

1）權限控制

在區塊鏈最簡單的實現上，每個賬戶地址對應一對公鑰和私鑰，掌握這個私鑰就可以完全控制該賬戶。這種每個賬戶由一個私鑰控制的方式非常簡單易懂，但是也有一些缺點：

首先，有的賬戶可能不是屬于某一個人，如公司賬戶或者夫妻共用的賬戶等，因此我們希望以更靈活的方式讓多個用戶共同控制一個賬戶；其次如果賬戶對應的唯一一個私鑰意外丟失或被盜則用戶會立刻失去對賬戶的控制權，風險過高；最后，有時我們需要區分不同用戶使用賬戶中資產的權限，例如區分大額支付和小額支付所用的私鑰等。

為了解決上述問題，比特幣引入了多重簽名賬戶，這種賬戶需要預先設定若干對公鑰和私鑰，只有使用足夠多的私鑰簽名的交易才是有效的；而在以太坊等支持智能合約的系統中則可以通過編程實現更靈活的權限控制。

然而，直接給每筆交易需要附加多個簽名會導致交易的長度隨簽名個數增加，也會增加驗證的負擔。Schnorr簽名等多重簽名技術使得我們可以將任意多個簽名聚合成一個簽名，只需一次性驗證簽名操作即可判斷交易是否得到了聚合公鑰對應的所有私鑰的授權。

2）外包計算

在目前去中心化預言機尚未得到解決的情況下，除了點對點支付以外完全能不依賴于鏈外信息即在區塊鏈內部實現全部流程的應用并不太多，外包計算就是其中之一。外包計算的基本流程是甲方把輸入數據交給乙方，由乙方完成計算后再把計算結果返回給甲方，甲方驗證計算結果正確后付費給乙方。

外包計算對于傳統的數據庫也是一項非常前沿的技術，其最大的難點在于甲方驗證計算的成本必須顯著低于執行整個計算任務的成本，否則外包計算就失去了外包的意義，這點可以通過前面說的可驗證計算技術或者可信執行環境TEE實現。

除了計算的經濟性外，外包計算通常還要求保護輸入數據和輸出的計算結果的隱私性，也即乙方要在不知道甲方到底要做什么的前提下完成計算任務。外包計算隱私性的傳統密碼學解決方案是采用安全多方計算或者全同態加密計算，前者的缺點是需要參與者之間進行交互，不適合區塊鏈的場景，后者的主要缺點在于效率過低。

如果在安全性上降低一些要求，則可信執行環境TEE技術也可以達到保護計算隱私性的目的。因此目前看來最適合區塊鏈的外包計算的技術還是使用帶有TEE功能的安全芯片，在未來可能會出現效率可接受的基于密碼學的解決方案。

3）可信隨機數

隨機數是很多算法和程序設計時都需要用到的重要資源。在區塊鏈上實現一個公平公正公開的隨機數對于鏈上的很多應用乃至一部分區塊鏈共識協議本身都有著十分重要的意義。

在鏈上實現可信隨機數的技術有承諾-打開方案、基于秘密共享的方案、以及基于唯一簽名和可驗證隨機函數技術的方案等。

這些方案雖然可以提供質量比較高的隨機數，但是都無法完全杜絕攻擊者影響和操縱隨機數的情況。如何更好地限制攻擊者能對隨機數造成的影響是密碼學家們關注的研究課題。

03

互聯互通性

區塊鏈的預言機機制研究的是如何以去中心化的方式在區塊鏈上可靠地獲取鏈外的數據，這是長期以來阻礙了很多公鏈應用落地的核心難題。特別是在可預見的未來內多個不同的區塊鏈將長期并存的背景下，在不同的區塊鏈間實現數據和價值的相互流通越來越成為一個亟待解決的難題。

盡管通用的預言機至今仍沒有一個普遍適用的方案，但是僅用于跨鏈操作的專有預言機已經有了一些初步的實現：

閃電網絡使用的哈希鎖定技術可以支持雙向跨鏈操作，實現起來非常簡單且不需要可信的第三方，缺點就是功能比較單一，泛用性不強；

BTCrelay用以太坊的智能合約實現了一個比特幣的SPV節點，以去中心化的方式實現了比特幣到以太坊的單向跨鏈；

Ripple協議等通過公證人跨鏈的技術實現了資產交換和轉移等功能，缺點在于需要信任作為公證人的第三方；

Cosmos、Polkadot等采用的側鏈和中繼鏈技術可以實現較好的雙向跨鏈性能，也不需要信任任何第三方，缺點是技術架構比較復雜，實現較為困難——目前Cosmos和Polkadot都還處于測試階段。

最后，本文為觀察公鏈發展狀況提出了吞吐量、互通性、權限控制等視角，并分析了每個方向的發展狀況。不過，在前述領域尚沒有哪條公鏈處于絕對領先位置，并且很多公鏈的解決方案還需要具體實踐的檢驗，我將會繼續保持對公鏈發展狀況的高度關注并與大家分享。

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