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寻找区块链中的“5G”技术

2008年11月,中本聪在论文《比特币:点对点的电子现金系统》第一次提出了区块链的概念。随之,在2009年一月,他创建出了第一个比特币区块,标志着区块链的正式诞生。在这15年间,区块链从程序员的玩具快速发展成了互联网领域十分火热的概念。然而,提起区块链,大部分人都仅仅知道这个词,对于它是干什么的,有什么用完全不知,甚至会将其与诈骗联想。可见,区块链离像“微信”,“抖音”那样家喻户晓的应用还有很大一段距离。正如传统科技行业,技术的突破与革新也是区块链走向大规模应用的关键。区块链中的核心技术在哪?何时出现?能不能出现颠覆性的”5G“技术?

 Part1

区块链简史

去中心化思想的前世今生

区块链的核心思想——去中心化,早在上个世纪就已经有相关的研究了。著名经济学家哈耶克在1976年发表了他的最后一本著作《货币的非国家化》,其中提出的观点“废除中央银行对货币创造的垄断,允许私人发行货币,并自由竞争,在这个竞争过程中,将会出现最好的货币。” 成为了对区块链的超前预言。1982年,计算机科学家、图灵奖获得者Lamport提出了拜占庭将军问题。其描述了一种不同个体之间在无法信任对方的场景下,如何达成一致的问题。如何在不同节点之间达成一致共识,是区块链底层的关键技术。

      在2009年比特币诞生后的很长一段时间里,区块链并没有展现比较多的现实作用,只是极少数一些人用来进行转账,用来兑换一些法币或者购买一些商品。由于比特币具有了一定的购买力,随之而来诞生了一种新的职业——数字货币“矿工”。比特币以及大部分区块链在运行初期都使用了一种叫做工作量证明(POW, proof-of-work)的共识机制。在这种机制下,所有节点都可以生成区块,但需要解决一个计算难题,全网其他节点验证正确后将这个区块加入到区块链的头部。与此同时,成功生成区块的人会获得一些比特币作为奖励,也就是常说的“挖到了矿”。

以太坊的诞生让区块链进入了“2G”时代,其目的是建立一个全球的分布式去中心化计算机。为此以太坊推出了它最为核心的技术贡献——智能合约。智能合约是存储在区块链上的程序,由专用的编程语言编写,对所有用户公开可见并且所有用户都可以付钱创建和运行。有了智能合约,区块链可以作为一个开发平台来构造各种各样的应用程序,而不仅仅是转账。纽约时报称:”以太坊平台是一台由众多用户构成的网络来运转的公用电脑,并用以太币来分配和支付这台电脑的使用权。”

针对POW共识能耗浪费较大的缺陷,以太坊的新版本以及很多新型区块链都尝试使用权益证明(POS, proof-of-stack),权益证明共识的核心是通过代币的质押来保证区块的发起者诚实,同时也通过一定的代币奖励来鼓励用户质押代币成为区块发起者。POS共识不仅解决了POW浪费计算能源的问题,还提高了区块链的运行效率,并且减少了中心化风险。

 Part2

应用大爆发

随之而来的技术难题

以太坊生态的完善带来了区块链应用的井喷,去中心化金融、链上游戏、数字藏品、去中心化社交等等应用如雨后春笋般涌现,将区块链带入了“3G”阶段。大量“新潮的”开发人员将目标转移到区块链上,试图从这蓝海中杀出一条血路。

      去中心化应用的蓬勃发展,逐渐给我们构建了一个新的世界——人们可以在这个世界中社交,娱乐,购物,甚至工作。这些去中心化应用看似和我们手机里日常使用的App没有很大的区别,甚至更加的难用和不稳定。但在这背后,它们却带来了深远的变革。与传统的中心化应用相比,去中心化应用更注重用户隐私和数据安全,将权力从中心化机构转移到了用户手中。这为用户提供了更大的数据主权,消除了隐私泄露的隐患。此外,去中心化应用的智能合约技术也为全球范围内的交易和合作提供了更高的效率和透明度。用户可以在无需信任中介的情况下进行交易,智能合约自动执行协议,确保了交易的公正和可靠性。

随着需求量和用户量的逐渐变大,传统的区块链架构在处理大规模用户同时交互的情境下,已经显得力不从心。当前的一些主流公链,如比特币和以太坊,由于其共识机制和区块大小的限制,导致交易速度较慢,处理能力有限。这阻碍了区块链在实际应用中的大规模采用,特别是在金融、物联网和供应链等领域。这一性能上的困扰引发了对底层技术的迫切需求,需要一些创新性的技术来解决这一问题。

      区块链不可能三角提出了区块链不可能同时满足去中心化、高性能、高安全性三个方面的要求。去中心化和高安全性是区块链的设计理念,若不满足区块链则失去了它本来的意义了。那这样看来,似乎此问题无解。不过好消息是这不是一个通过了严格数学证明的定理,我们仍然有机会突破它。

 Part3

技术的革新

学术业界共同攻克难题

二层网络(Layer2)技术可以认为是区块链中的”4G”技术。Layer2将分层的概念引入区块链中,其在原来的基础区块链(如比特币、以太坊)上继续构建一层新的区块链,这一层新的区块链的去中心化和高安全性与第一层的区块链强相关,同时通过一些精巧的批量处理算法——乐观卷叠(Optimistic rollups),零知识卷叠(Zero-knowledge rollups)等优化区块链的性能。用户能在一层网络能做的任何事,在二层网络也能做到,同时还提高了处理的速度和降低了花费。

      作为目前用户量最多的区块链,以太坊也在努力推进性能的提升,即将上线的分片技术就是代表。分片是一种将整个区块链网络划分为多个较小、独立的子链的方法,每个子链被称为一个分片。每个分片可以独立运行,并行地处理交易。通过引入分片技术,以太坊可以将整个网络的负担分散到多个分片上,从而提高整体的吞吐量和扩展性。

      另外,许多区块链面对日益增长的用户量设计了自己独特的机制,试图与以太坊一较高下。被大众所熟知的Algorand、Solana、Avalanche 均设计了自己独特的共识协议以打破区块链不可能三角的限制,也获得了较好的效果,出于篇幅考虑不在此介绍。下图中列举了目前TVL(总锁定价值)排名前10的区块链,有一半的区块链都不再依赖于以太坊。

    学术届对于区块链技术的研究也不落下风,著名项目Algorand即为学术产物,其发表在分布式系统顶会SOSP2017上,被引用量如今高达1600。同时,学术界关于分布式拜占庭容错(BFT,Byzantine Fault Tolerance)的研究也得到了许多应用,以太坊分片的思想最初源自于论文OmniLedger,而Facebook推出的Libra区块链,其底层共识协议采取的是近年BFT研究领域的关键工作——Hotstuff

 Part4

总结与展望

赛博新世界何时到来

      本文简要介绍了区块链的历史发展,并聚焦于最近的关键技术难题。区块链虽然已经诞生了15个年头,但还完全算不上走到了我们的身边。而这一领域的发展,离不开源源不断的技术变革。这些变革将会慢慢影响所有人的生活,将我们带入赛博新世界。

在文章的最后,我想引用美国电视剧《硅谷》中的一句话作为结束,这是剧中男主角,魔笛手创始人理查德在开场时接受美国国会询问的回答:

脸书拥有80%的移动社交流量,谷歌拥有92%的搜索流量,亚马逊的云服务份额比第二到第五名的总和还要多。没有人能够赢得了它们。它们跟踪我们的每一步,监控我们生活的每一刻,还利用我们的数据获利。这些公司就是国王,他们统领的疆域比任何一个王国都大得多。我们取胜的唯一方式是建立一个民主的、去中心化的互联网。在那样的互联网中,用户是自己数据的主人,我们今天的遭遇不会重演。”

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