区块链底层技术为何如此受关注?|No.24

近两个月来,区块链领域最热闹的莫过于EOS超级节点的竞选,以及EOS与以太坊谁会是未来的区块链操作系统的争论。这显示底层公链是区块链业界关注的焦点。除此之外,做联盟链底层技术的趣链也获得了十几亿元的巨额B轮融资,看来联盟链的技术开发也被资本所看好。

为什么区块链底层技术如此受关注?

区块链底层技术是区块链生态中最具想象力的一环,这有点像移动互联网兴起时的移动操作系统,可以支持硬件,可以让开发者在底层协议的基础上开发通用技术与具体行业应用。可以说搭建了完善的底层协议,构建了区块链的基础设施,就可以打造自身的区块链生态。而底层协议则是这个生态的基础和核心。

区块链可以分为六层,即数据层、网络层、共识层、合约层、激励层、应用层。数据层封装了底层数据区块以及相关的数据加密和时间戳等,决定了链上各类数据的存在方式;网络层包括了分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等,决定了数据的传输方式;共识层用于构建各种共识机制,如POS、POW、DPOS等,决定谁来记账;激励层将经济因素集成到区块链技术体系中来,主要包括经济激励的发行机制和分配机制等;合约层主要包括各类脚本、算法和智能合约,是区块链可编程特性的基础。应用层主要是在底层构架的基础上来开发具体应用。

 

区块链底层技术,主要是指在数据层、网络层、共识层、合约层的研发,当下的主要技术难点是提升区块链的数据处理速度、加强数据隐私保护、完善并验证共识算法、建立更强大的智能合约。

 

从形态上看,区块链包括公有链、联盟链、私有链。相应地,区块链底层技术也包括公链底层技术、联盟链底层技术、私有链底层技术。相对来说私有链搭建起来比较容易,而且对数据处理速度、隐私保护等要求也没有公链与联盟链那样高,一般提到区块链底层技术,主要就是指公链开发相关技术以及联盟链相关技术。

区块链底层技术两大流派

 

就当下的区块链底层技术发展路线来看,主要形成了两个流派,一是以公有链为前提,以网络操作系统为目标,发展区块链底层技术,在底层之上通过开发者来开发应用。以比特币生态。以太坊生态、石墨烯生态为代表。这类方向潜在价值大,但面临性能、安全性、通用性等挑战;另一流派是以联盟链为方向,利用联盟链规模小、准入高的特性,降低技术依赖,以帮助企业便捷建立局域网络为目标,发展区块链技术。这类以超级账本为代表。国内矩阵元、趣链等公司的技术路线也都是联盟链。

 

两种相比较,前者在网络操作系统之争中更有优势,而联盟链优势在于与现实场景的结合度更高。不过在底层技术的研发上,二者区别不大,都需要构建数据层、网络层、共识层,研究如何提高性能,如何更高效部署智能合约,如何加强隐私保护等。

 

目前市值前十的代币,背后大多是开发公有链,如比特币区块链、以太坊、EOS、NEO等。另外当下也有一些知名的联盟链底层构架,如超级账本,在国内,则有中国分布式总账基础协议联盟(ChinaLedger)、金链盟推出的FISCO BCOS,以及一些公司推出的底层技术平台,包括矩阵元推出的JUICE区块链底层平台、趣链推出的区块链底层技术平台Hyperchain等。

目前公链领域颇受关注,尤其是以太坊与EOS的区块链操作系统之争,更是使区块链热闹非凡。以太坊上线以来,以其可编程性以及智能合约的能力,成为区块链应用的基础开发平台。但其较弱的交易承载能力和较高的交易费用也使得区块链应用很难落地。EOS应运而生,通过迥然不同的共识机制,使得交易承载能力可以获得很大提升。但对于EOS的前途,目前业界还莫衷一是。

以太坊

 

比特币区块链大家都比较熟悉,被看做区块链1.0,以太坊区块链被视为区块链2.0,与比特币区块链相比,以太坊增强了可编程性,并且增加了智能合约的部署能力。

 

2013年年末,后来被称为V神的Vitalik Buterin发布了以太坊初版白皮书,启动了以太坊项目。2014年7月24日起,以太坊进行了以太币预售。此后以太坊的技术得到市场认可,吸引了越来越多的开发者,以太币的价值也水涨船高。

 

以太坊相对于比特币区块链有明显优势。统计显示,以太坊每15-20秒可创立一个新的区块,自2017年12月起,每日可有效处理超过100万笔交易。而在市场中领先的比特币创立一个新的区块需10分钟,每日区块链处理交易仅为24万笔,是以太坊的1/4。与效率相对应的是费用,以太坊的平均交易费用大约为2.5美元,远低于比特币交易28.9美元的平均费用。

 

不过这样的TPS明显还不能承载大型应用的落地。支付宝一秒的交易都可能超过以太坊一天的承载能力,如果千千万万个应用部署在以太坊上,网络的承载力将显得十分脆弱。这使得以太坊无法落地真正的大型商业应用。不过即便如此,以太坊还是成了ICO的热土,大量基于以太坊的项目发行代币融资,造就了虚拟代币市场的空前繁荣。包括EOS这样的以太坊挑战者也是在以太坊上基于以太坊的主网完成了ICO过程。

 

 EOS

毫无疑问EOS是目前最热门的区块链底层系统。其执行免费和高速处理的特性直中以太坊的软肋,使得业界对于EOS有非常大的期待。

EOS全称为Enterprise Operation System,即商业操作系统。目标是构建一个区块链操作系统的底层,此前EOS进行了长达一年的ICO,募集资金折合美元达40亿之多,终于在刚刚过去的6月2日实现主网上线,发布了开源软件EOS.IO。

以太坊的核心人物是V神,EOS核心人物则是B神。V神被称作神更多是因为少年天才的缘故,而B神被称作神,则是因为他此前是数字资产平台比特股和内容社交网络平台Steemit的创始人,二者都是币值位于虚拟货币市值TOP50的区块链应用。

EOS与以太坊有着诸多不同:

EOS有经过票选的21个超级节点来负责记账,另外还有100个备选节点,节点的减少带来的是交易能力的提升,而以太坊有上万个节点,在去中心化的同时使得效率受到很大影响,交易确认速度很慢。这也是争议焦点所在。EOS虽然可以实现更快的交易确认速度,但却被认为在去中心化的道路上开了倒车。去中心化带来系统的安全,也带来交易能力的受限,二者必然需要一个平衡。

在共识机制上,以太坊采用工作量证明机制,虽然节点众多,但以太坊中7个节点的哈希算力占到整个以太坊网络的九成,因此去中心化程度也被人质疑。EOS采用DPOS(委托权益证明)共识机制,由被社区投票选举的可信帐户(即超级节点)来创建区块,产生并维护EOS网络的所有区块记录,记录和计算EOS网络中的全部数据。

以太坊因为The DAO被攻击事件,于2016年7月,通过修改以太坊软件的代码,把The DAO资金全部转到一个特定的退款合约地址,“夺回”黑客所控制的DAO合约的币,针对此举社区分歧巨大,由此产生分叉,形成两条链,一条为原链(ETC),一条为新的分叉链(ETH),各自代表不同的社区共识。而EOS则项目开发方block.one将主网上线的权利交给社区,block.one发布开源软件EOS.IO。未来EOS可能会出出现多个主网。

在网络的使用上,以太坊上的DAPP使用网络需要消耗代币,成本较高。EOS则是按照相应的持币的比例免费使用网络,这意味着持有较多的EOS才能满足网络使用需求。V神对此曾抨击使用EOS网络会成为有钱人的游戏。

总体来说,以太坊有先发优势,有上千个应用部署在以太坊上,但其瓶颈也非常明显,交易承载能力和转账费用都制约了大规模应用的落地。EOS作为后起之秀,其技术构架和社区理念被人所认可,但系统的稳定性还需要实践的检验,多个主体要启动主网的消息也让其前途更加扑朔迷离。另外在交易能力上,EOS白皮书宣称可以达到百万级别的交易量,但目前还差很远,还需要在跨链等技术上继续突破。安全方面,360在EOS主网上线之前宣布找到了EOS代码中存在的史诗级漏洞,虽然有宣传炒作的意味,但不可否认的是EOS主网上线前还有这么低级的错误实在难以让人接受。而且这肯定不是EOS的最后一个漏洞。

除了这些国外的公链,国内业界开发的公链还包括NEO、量子链等等。NEO此前称小蚁,是国内第一个开源公链项目,2016年10月上线主网,以数字资产平台为起点,提供股权众筹、管理、转让等资产数字化服务,2017年6月改名NEO,并升级为融合数字资产、数字身份、智能合约的智能经济平台,拓展生态体系,DAPP从数字资产扩充到更广泛的领域,基于区块链的AI计算平台深脑链就是基于NEO。不过目前来看NEO有些高开低走,面临着代码更新进度慢的质疑,被认为是币值高估。

 

超级账本

 

HyperLedger 超级账本是 Linux 基金会于 2015 年发起开源项目,目标是让成员共同合作,共建开放平台,加速区块链软件和系统的开发。IBM是其中的重要参与方。IBM算是分布式计算与区块链领域的先驱,较早对区块链进行探索,2015年开始筹备Open Blockchain项目,2016年完成该项目整体框架,随后IBM将所有源代码提供给了Hyperladger项目,也就是现在的超级账本。数据显示,截止2018年3月下旬,IBM已经有共 35 位研究人员和软件工程师为 HyperLedger 贡献 44,000 行代码,并助力超级账本孵化了 Fabirc 项目,用于运行智能合约,并用技术以及可插拔方式来实现各种商业应用场景。Fabric 区块链每秒能够处理超过 1000 笔交易。

 

发展到现在,HyperLedger 是当下最具影响力的区块链开源项目之一,尤其是在联盟链领域,HyperLedger的地位还无人超越。其成员已经从最初的17家增长到目前的超过 200 家,主要包括全球知名的银行、科技公司等,如埃森哲、美国运通、戴姆勒、富士通、日立、IBM、英特尔、摩根大通,约30家成员在中国,包括招行、小蚁、华为、趣链科技、万达金融、百度金融、腾讯云等。

 

Hyperledger采用模块化伞性项目组织管理形式,最知名的子项目Fabric 是超级账本旗下多个区块链技术框架之一,此外还有数字身份工具Indy、分布式账本平台Sawtooth Lake 与Iroha、兼容以太坊智能合约虚拟机的Burrow 等项目,工具层应用则包括浏览器Blockchain Explorer、应用部署工具Cello、应用建模和开发工具Composer等。

 

国内的联盟链

在国内,也有不少做联盟链应用的区块链技术公司,如矩阵元、布比、复杂美以及刚刚获得15亿元B轮融资的趣链等。这些做联盟链应用的公司基本都没发币,目前主要模式是开发底层技术,并与金融机构等合作开发应用,收取一定的开发费用。因为应用都还在早期,收入规模都还比较有限,如趣链2017年营收只有185万元,亏损上千万。由于区块链的广泛应用还比较遥远,这类技术公司的亏损还会持续。

在盈利模式的创新上,去年矩阵元创始人孙立林在于虎嗅交流时曾表示想探索通过收取交易费用的方式来获取营收,不过现在应用还不成熟,开发区块链应用也不是刚需,想要在链上交易收取交易费用还是比较困难的。

对话专家

 

在国内,矩阵元是代表性的区块链技术开发公司,目前推出了矩阵元-JUICE开放服务平台,以及安全多方计算平台(MPC)、非交互零知识证明(NIZK)、硬件钱包和区块链平台JUICE等产品。作者最近与矩阵元创始人孙立林进行了交流。

 

Q.观察现在区块链领域的做技术平台提供给开发者的公司或者组织,有像以太坊、Neo这样的公有链底层协议,有像百度BaaS、腾讯tBaaS、万云BaaS这样的BaaS平台,以及一些提供应用解决方案的公司。现在的JUICE开放服务平台可以归到哪一类?是否可以这样理解,以太坊是公有链底层技术平台,JUICE是联盟链底层技术平台?看现在的功能体系,似乎又跟baas系统有些像。

 

A:JUICE开放服务平台是基于JUICE区块链底层平台搭建的联盟链服务平台。JUICE区块链底层平台是由矩阵元自主研发,自带同态加密,零知识证明等隐私安全特性,并集成了丰富的服务接口和组件。

 

JUICE开放服务平台为开发者提供丰富的学习材料,帮助开发者快速掌握区块链相关知识;通过真实的场景体验,让开发者了解区块链技术在各行业作用和适用场景;详细的代码样例和渐进式的教程,帮助开发者快速掌握智能合约开发技术;高效易用的IDE,使开发者无需进行复杂的环境搭建和工具安装即可进行合约开发。

 

JUICE开发服务平台的宗旨是让开发者和企业可以在其基础上快速构建自己的区块链应用,可以支持商业产品的正式的联盟链,开发者可以将真正面向用户级别的商用Dapp部署到开放平台。

 

Q.现在BAT、平安、万向等大企业都推出了或者即将推出baas平台,如何理解baas这种形式,与底层技术协议的区别是什么?从非技术人员的角度看,两者都是吸引开发者来开发应用。

 

A:Baas是对区块链底层协议的封装后,让开发者能够快速的建立属于自己的区块链。Baas平台通常提供高度定制化的底层区块链系统,从准入机制,权限管理到共识机制,隐私保护算法,每个平台都有其各自的特性。而且Baas平台只提供联盟链和私有链的快速搭建,与公链协议不同,其往往缺少内生的激励机制。

 

Baas其实主要是简化了部署的环节,对于区块链来说,支持异构网络环境下的部署模式,更有利于去中心化的管理模式。Baas并非是联盟链真正推广的痛点问题,真正的联盟链的推广问题往往并不在于部署,而是应用。

 

Q.区块链的交易能力的拓展,目前来看主要有哪些手段?您之前说过解决交易能力需要软硬结合,也推出了硬件钱包。在交易能力的拓展中,硬件所起的作用是什么?

 

A:交易能力的提升,需要软硬件的协同进化。在软件算法协议层面的性能优化之外,更重要的是专有硬件的加速和批量处理,通过专有硬件的性能优化,交易能力可以达到成倍的增长。

 

JUICE联盟链的交易能力的提升在于几个方面:1、pbft、raft共识协议层面的优化;2、智能合约执行环境的优化(如支持jvm);3、架构方面的改进(交易rpc协议使用websocket异步方式);4、状态通道概念的引入,可以支持联盟内的部分节点建立状态通道的方式进行交易)。

 

硬件是提供安全保护的重要手段,安全体系中最有效的方法是物理隔离。矩阵元推出的硬件钱包,提供用户认证功能,为用户私钥提供安全的存储环境和交易执行环境。同时矩阵元硬件钱包集成了与JUICE适配的同态加密、广播加密、零知识证明等隐私保护算法。

 

Q隐私保护是影响区块链应用的主要因素。矩阵元目前主要的技术策略是安全多方计算和非交互零知识证明。两者分别可以解决哪些问题?这两项技术还需要继续在哪些方面继续完善?

 

A:安全多方计算最早可以追溯到姚期智院士提出的百万富翁问题,即两个百万富翁不依靠第三方,比较谁更有钱,却又不让对方知道自己的资产。更一般的意义上来说,安全多方计算允许多个参与方以各自数据为输入,共同计算一个结果,并且保持各自数据的隐私性和对数据的所有权。这个共同计算的结果,往往以加密的形式上传至区块链,用作后期的审计和追溯。安全多方计算是解决数据隐私和数据归集“矛盾”的有效方案。

 

矩阵元已经完成通用两方安全计算的算法实现和系统集成。自主研发和集成了电路编译器,可以将自定义的类C语言Frutta自动编译为布尔电路作为两方安全计算的输入。矩阵元将在4月份推出基于安全多方计算的数据交易平台——JUGO开放服务平台。

 

矩阵元已经开始通用多方(3方以上)安全算法的实现和集成,多方协议在算法层面和系统集成层面的难度要远远大于两方协议。矩阵元将在今年下半年全面集成多方协议。并且,针对大数据量和复杂计算逻辑,矩阵元将提供软硬一体的解决方案,解决性能瓶颈。

 

零知识证明指证明者在不向验证者提供任何额外有用信息的情况下,使验证者相信某个论断是正确的。在区块链场景下,为实现全网共识,所有交易记录都是全网可见的,这实际上泄漏了用户的交易数据,这就是交易隐私和登记确权的“矛盾”。

 

矩阵元的零知识证明方案,采用加法同态对交易数据进行加密,同时提供“交易有效”的零知识证明。其他共识节点只需通过检查证明即可确认交易是否有效,且不需要知道交易的实际内容。

 

矩阵元的非交互零知识证明方案具有高效的性能,其证明生成和验证时间均在50ms以内,证明生成所需RAM小于4M,可支持移动端。后续,矩阵元将升级现有算法版本,具备更高的性能,支持更多的证明论断。

 

Q.除了安全多方计算和非交互零知识证明,隐私保护方面还有哪些解决的技术路径?

 

A:矩阵元正投入大量资源进行同态加密和可验证计算的研发。同态加密和可验证计算在隐私保护方面有着巨大的应用潜力。

 

同态加密提供了一种对加密数据进行处理的功能,对加密的数据进行处理后,得到的密文数据对应的明文,正好是直接对原始明文处理的结果。单独的加法同态或者乘法同态都相对容易实现,实际上矩阵元已将加法同态加密和零知识证明相结合用于解决交易隐私的问题。同时满足加法和乘法同态,在算法上有一定的难度,这也是学术界一直面临的难题。

 

可验证计算,是计算资源受限方将复杂的计算委托给资源丰富的计算方完成计算,并且可以在资源消耗很小的情况下验证结果的正确性,同时保证输入数据不泄漏给计算方。

 

矩阵元正同密码学术界合作,努力打造通用的同态加密与可验证计算平台,为数据隐私提供更完备的保障。

 

Q.智能合约目前在技术和应用上还存在哪些问题?

 

A:目前智能合约主要的问题在于可用性与可扩展性。以以太坊为例,合约的编程语言为solidity。对于目前的开发者而言,solidity编程的效率极低。用普通高级编程语言能完成的内容,采用solidity往往需要3倍以上的工作量。并且solidity和EVM本身的一些缺陷也大大限制了智能合约的使用。(solidity编程的效率挺高的,运行效率不高,EVM本身的限制也比较多,更多的限制在于智能合约本身能做的事情不多,所以现在oracle预言机比较火,但这个方向还是很好。)

 

区块链系统中,智能合约之所以能自动执行,其本质是每个节点都在本地将合约完整的执行一遍。一旦合约比较复杂,这种机制将极大的限制系统的性能。这也是为什么目前为止,智能合约只能支持较为简单的业务场景。

 

矩阵元已经集成基于java的智能合约和虚拟机JVM,支持java语言开发智能合约,同时JVM的性能强于EVM。开发者可以直接用java编写智能合约,从而提高开发者效率,降低使用门槛。同时,矩阵元将在合约可扩展性的研发上投入更多资源。

 

Q.现在都在谈token经济,甚至认为token对区块链不可或缺。这种看法是否有失偏颇?没有发token的技术公司,如何形成自己的激励机制,吸引更多的开发者和企业客户?

 

A:公链的token是维持其系统有效运行的内生性激励,具有其独特的经济学价值,是区块链重要的组成部分。在大多数联盟链系统中,是没有引入token机制的。这种情况下,吸引客户最大的激励是业务驱动。联盟链场景下,更多的是解决无中心的问题,而不是去中心化。不同机构之间往往不存在一个共同认可的第三方中心,并且机构之间系统对接成本太高。联盟链在无中心的场景下,以很低的成本对接各个机构,共同推进业务,使商业利益最大化。(其中,JUICE内置的gas机制主要是为防止恶意的智能合约编写死循环来作恶。)

 

Q.人工智能技术在最近几十年内经历了高峰低谷。现在区块链很热,是否以后也会经历一段低潮期?

 

A:起伏是任何事物发展的客观规律,区块链也不例外。目前火热的区块链市场充斥着大量的泡沫。从炒币到各种罔顾常识的炒作都表明市场的浮躁。长远看来,现阶段能做的就是在赛道上做好长期准备,不断完善、积累底层技术。在未来,真正能够做底层的区块链公司不会超过三家。待泡沫退去,依然存活下来的才是真正被市场认可的。

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