区块链技术的现状与趋势探析

亚太未来金融研究院  2019-01-11  区块链/区块链Blockchain栏目  

  来源:金融电子化

  作者:狄刚 中国人民银行数字货币研究所副所长

  区块链的内涵和外延随着技术的发展不断演化,其能否大面积应用,取决于技术的成熟度和外部环境的匹配度。我们有必要进一步关注现阶段的技术热点,把握好发展脉络和未来趋势。

  辨识区块链

  从2008年中本聪提出比特币概念至今,已经走过整整10年,作为比特币底层技术的区块链技术被越来越多的人所了解,给很多行业带来了新的观察视角,也被应用到越来越多的业务场景。在金融领域,2015年上半年区块链技术成为华尔街热议的焦点。随后,许多政府部门、国际组织、学术智库对其进行了研究和分析。有观点认为区块链技术有可能成为下一代金融基础设施的关键性技术,也有观点认为区块链是场泡沫甚至是庞氏骗局。不管争议如何,区块链技术确实给金融行业带来了较强的震动,成为了金融科技乃至监管科技中一个不容忽视的重要研究方向。

  需要强调的是,技术本身是中立的,技术与场景应用不存在必然的绑定关系。区块链的应用场景不局限于数字货币,数字货币的应用也完全可以与区块链技术无关,两者没有必然绑定关系,更不能混为一谈。区块链分公有链与许可链,以比特币为代表的公有链通常是一个匿名系统,而金融场景则要求用户实名,资产记名,且要满足监管要求。同时,公有链对一些技术特性的限制过于极端,也不免影响了其性能的提升以及数据隐私的保护,因此公有链在金融场景的应用存在先天不足。

  去除这些不必要的限制,并引入身份机制后,就出现了许可链的概念。许可链通常指具有角色划分和权限管理的区块链,根据记账节点所属的差异,许可链还可以进一步划分为联盟链和私有链,因为私有链的使用范围很小,通常我们讨论的许可链特指联盟链。随着区块链技术的发展,出现了一些数据结构中没有哈希链式结构或者没有区块,但使用了分布式共识思想的新产品形态,因此有时区块链也被称为分布式账本。分布式账本的名称弱化了“块”“链”的技术特性,更加关注技术的应用场景,为业界所广泛使用。

  区块链发展需直面四大挑战

  金融行业对于新技术应用始终持积极而开放的态度,结合金融行业特点,区块链大规模应用的主要技术障碍有性能瓶颈、隐私保护与安全治理、跨链互操作、系统运维和业务连续性管理等。

  性能瓶颈

  金融交易具有海量、高频、数据一致性要求高等特点,对支撑技术提出了较高的性能要求。传统分布式系统的一致性算法由“FLP不可能定理”给出了理论上限,在工程上超不出PBFT等BFT类算法的1/3容错范畴。中本聪引入经济博弈,提出了一个全新的分布式系统设计思路。

  在区块链领域,跨学科的理论研究往往和先进的工程实践紧密结合,互相借鉴,共同发展。例如以VRF和DAG为代表的新的共识机制是在安全、性能和分布式这三个维度上进行再平衡,其中既有理论上的创新性,也依赖于工程上的良好实现。

  新理论之外,也有人尝试提出兼具两类共识算法优势的混合共识机制,比如ELAineShi等在2017年提出,将中本聪共识和BFT类共识有机结合,形成混合共识方案。该方案通过PoW机制来选取Committee(负责交易的验证确认及区块创建),Committee通过PBFT进行交易及区块的共识确认。SilvioMicali等提出的Algorand协议可视为一种多级动态验证组BFT共识和VRF的混合方案。

  解决性能瓶颈,除改进共识算法外,还可在系统架构上进行调整,比如通过分片、分层,以及牺牲一定的“去中心化”来满足不同业务需要。在联盟链中,“弱中心化”的方式也为性能提升预留了空间。可以预期,除少量特殊场景外,联盟链吞吐量不够的问题在未来两年内有望得到解决。

  在公有链范围下,分层和分片的设计思路基本获得了业界共识。从比特币的闪电网络,到以太坊的雷电网络和Plasma,再到以跨链为特色的一系列项目,Layer1保障安全,Layer2聚焦性能,这样的分层架构具有更强的合理性,渐成主流。

  性能方面,除交易吞吐量外,交易延迟和确定性的问题同样重要。因为网络带宽和节点交易处理速度的限制,区块广播后被广泛验证和接纳需要时间,但现有区块链项目的设计中,全节点必须验证和处理每笔交易,使得整个系统的处理速度取决于网络中最弱节点的处理能力。通过引入分片机制,对节点和交易进行分组,不同组间交叉验证既能保证系统安全又可大幅提高系统吞吐能力,但缺点是当交易数据跨不同分片时,其处理变得复杂,需要在架构上做好全局设计。例如有些以分片为特色的项目,借助多重签名技术把PBFT共识的通讯复杂度从O(n2)降到O(n),把大规模的节点分组从理论变成了现实。通过把交易分到不同的节点组,实现了节点组之间可以并行处理交易,当节点线性增加时,系统的吞吐能力原则上也可以线性增加。分片技术也是性能和安全的一种平衡,只有每个节点组的节点数足够多才可以保证系统的安全性。

  隐私保护与安全治理

  金融安全关系国家安全,金融监管对隐私保护和信息安全提出了更为严格的要求。虽然区块链在设计上大量采用了现代成熟的密码学算法,但仍不能确保绝对安全。在联盟链中,隐私保护的问题更加突出,不仅涉及交易双方身份的隐藏,还需对链上业务数据进行保护,这就需要引入一些新的密码学算法和理论,比如零知识证明、环签名、同态加密、安全多方计算等。此外,用于提升性能和扩展性的分层架构也可以解决部分隐私问题,且在某些场景下,解决得更为彻底和高效。

  区块链系统是由人设计并运营的,因此无法避免系统和智能合约等各层面的漏洞风险,做好事前、事中、事后的安全管理至关重要。事前要有安全审计、智能合约的形式化验证等手段;事中要有异常监控、紧急干预等机制设计;事后要有业务对冲、回滚、可审计的修改等手段。此外,由于区块链具有难以篡改的特性,还需要设计额外的流程进行安全事故后的数据修复与业务补救。同时,区块链作为一个多参与方的分布式系统需要建立治理机制,对成员加入/退出、系统升级、业务规则更新、监管介入、针对安全事件的紧急响应等事项制定好规则,并将链上治理和链外治理的方式在系统中体现出来。

  跨链互操作

  金融业务相互交织、联动、协同,跨机构、跨市场的创新与监管都要求支撑技术具有良好的交互性与互通性。目前的区块链项目都是不同团队基于不同理念和不同方式开发的异构区块链。这些项目都是独立的封闭体系,像是一个个相互隔绝的“信息孤岛”。由于缺乏公认的技术标准以及跨链的解决方案,区块链之间不能进行互操作,通用性大打折扣。开发者需要在不同的区块链平台上移植应用并进行适配,成本消耗巨大。

  目前,互操作性正在成为区块链发展的新趋势。为了解决跨链的互操作性,学术界和业界提出了各种解决方案。主要有:1)多中心的公证人机制;2)侧链/中继技术;3)哈希锁定技术;4)分布式密钥控制技术等等。如Bitfury集团和Ripple公司合作,使闪电网络与其他7个依托In-terledger协议连接的网络系统实现兼容。实践中,异构的区块链系统间如何做到网络层互联、数据层互通,尚无可用方案,迫切需要探索建立使不同区块链项目之间真正具备互操作性的行业标准。

  运维监控与业务连续性管理

  区块链节点具有高冗余度特性,并且分布于不同的实体控制之下,对于系统的安全和健壮性是优势,但对于系统运维及业务连续性管理则是巨大挑战。当系统需要升级或者修补漏洞时,需要记账节点间协调处理问题。在联盟链中,可在系统上线前进行一些制度安排,比如设计一个由联盟核心成员组成的安全管理委员会,当有运维事件发生时,统一决策和实施。

  除了链外的制度设计,通过技术手段减少系统运维和管理成本很有必要。由于区块链不同节点跨机构部署,联合运维协调难度大,出现故障很难在第一时间获取各节点全量日志进行故障分析与诊断。因此,有意地对节点软件进行异构安排,可减少软件bug对系统的影响,引入紧急干预机制对系统进行刹车。此外,借鉴“云管平台”建立可视化的“链管平台”,可以实时掌握系统运行情况,基于共识基础部署系统与变更管理,对异常状况及时报警并实施干预。

  区块链应用场景探索

  时至今日,区块链金融服务领域应用进展缓慢,原因主要是资产较难上链。如何做到链下实物与链上数字资产的准确映射?上链过程中,如何保证源头真实性问题?上链后,如何实时保证链上链下账实相符?因此,更难推动金融服务上链。正如互联网早期,大量信息还未电子化,用户未形成上网习惯,在线服务场景必然缺乏根基。从2017年开始,区块链的应用探索逐渐聚焦于数据交换、信息共享、登记存证等方向,通过这些项目的积累,当越来越多的资产和数据上链后,基于区块链的金融服务方能水到渠成。所以,虽然目前落地的案例看起来不如区块链描述的那么具备颠覆性,但却是区块链应用实践过程中不可或缺的基础环节与必由之路。

  在供应链融资领域,参与方众多、流程复杂、数据不规范、交易背景透明度低、银行审核成本高,如何避免企业伪造或篡改贸易背景非常关键。通过区块链技术,可将一个商业核心主体的供应链上下游企业,如买方、卖方、金融机构所涉及的所有进、销、存、买卖、借贷、担保等经济活动的商业和金融流程集成到一个完整的交易中,实现信息流、物流、资金流的三流合一。可以有效促进市场信任机制的形成,实现信任的可传递与信息的可穿透,从而促进行业协作,减少风险和欺诈;同时可以有效降低业务运作成本,降低贸易融资成本,提升交易效率,促进全球的贸易融资市场扩张。

  区块链针对层级型企业、垄断型企业生态的作用并不明显,但针对平权型机构的协同业务需求,过去往往在架构设计上很难达成统一,比如跨部委的联网系统涉及众多单位,到底以谁为中心,中心数据库应该放在哪?由此引出了到底采用“中心模式”还是“三角模式”“多边模式”,大家很难谈拢。如果利用区块链,新技术背景下有了大家重新坐下来谈的机会,无需纠结以谁为主,接口标准、数据同步、对账工作也变得简单,同时节省了前置系统开发、购买中间件等成本,业务流程也得以优化和重构。当然,不是说有了区块链就一定万事大吉,但是区块链至少提供了一种大家都认可的协议,使大规模、跨部门、跨领域的可信协作成为可能。

  区块链发展离不开良好的外部环境

  区块链技术在不断进化发展的同时,同样依赖外部环境的支撑和帮助,包括强有力的网络基础、活跃的开发者生态以及良好的商业生态环境,外部环境与内生因素共同影响着技术发展和应用落地。

  网络基础设施

  分布式网络有着较强的生命力,以互联网为例,作为最大的分布式系统之一,在几十年的发展过程中不断演进扩展,历经各种意外或蓄意攻击,但从未被彻底关闭。在一个星型网络中,物理的拓扑结构使得任何信息都要经过中心节点或者会聚节点。“点对点”的协商和数据传输不仅不能减少网络中心需要传递的数据量,还会增加中心的负荷,降低信息传递效率。网络拓扑要适配于组织结构,在一个层级型的组织中,星型拓扑对线路的利用效率要高于网状拓扑结构,因此金融城域网的网络拓扑是匹配金融系统组织结构的,非常贴近传统体系的实际需求。但当应用架构开始分布式迁移,组织开始扁平化,底层节点间的通信增多,中心节点则会成为性能和可用性的瓶颈。因此金融城域网需经适度改造才能更好地支撑区块链系统。

  开发者生态

  区块链是一个天然的开放平台,可视为一个支撑分布式可信应用的操作系统。平台的繁荣依赖于丰富的应用,而应用的开发则需要开发者社区的支持。可以说,一个成功的平台背后必然有一个活跃的开发者社区,并催生开发工具、文档、公共组件、设计模式上的成熟和完善。当前,区块链尚处发展早期,新的区块链场景层出不穷,也都在尝试构建属于自己的开发者生态。随着区块链技术的不断成熟,开发者社区也会出现自然分化,形成应用开发的产业链,从而降低开发成本。在不久的将来,区块链应该会收敛到少数几个主流平台,形成完整且良好的开发者生态。

  联盟链相比公有链的长处是应用和场景。可以在小而美的封闭场景中快速落地,但其技术生态发展往往缺乏规模效应,因此联盟链可借助公有链项目的技术生态,向公允标准靠拢,降低自身开发成本,扬长避短,快速推进应用落地。

  商业生态

  完善的开发者生态能够帮助项目落地并带来足够多的用户和数据上链,而商业生态要完成的是如何让项目得到广泛应用。目前社会上对于区块链技术还有一些认知误区,要不就神化、泛化其作用,要不就走向另一个极端,认为其就是诈骗和非法集资的代名词。诚然,区块链就是一个中性的技术,为区块链正本清源需要整个行业和社会的共同努力。

  联盟链项目大都针对某个行业的特点,在面向行业具体应用场景落地时,会受到行业内各项规章制度和业务规范的约束,个别约束会与区块链不可篡改的特性相悖。因此,项目要想得到有效的商业运转,除考虑针对可能修改的数据设计链外存储方案,还要争取行业内有关协会以及法律对电子签章的承认。此外,项目在链上的商业流程虽有链下原有业务流程做参考,但也要针对区块链做进一步的流程再造与优化,以便充分发挥区块链的透明、信任优势,提供更高的效率和更好的体验。

  另外,技术共识不等于业务共识。区块链可以一定程度上通过技术共识满足对等协同业务的生态需求,但并不能指望其解决所有的业务共识问题。类似前几年云计算很流行,很多机构做了公共基础设施云,但实际利用率很低。为什么上你的云而不是别人的云?同理,区块链的代码开源、技术门槛并不高,有一定技术能力的机构都在牵头建链,希望主导生态,但机构性质是否中立、公允、权威、专业?这种共识较难达成。比照“可信云”,将来是否会出现“可信链”“公允链”?毋庸置疑,有一定中心背书的基础设施链会对生态主体有虹吸效应,生命力将更持久、更有活力。

  未来展望

  过去3年,区块链技术吸引了社会各界和资本的极大关注,多次催生出大量泡沫,带来了“非理性繁荣”。但随着泡沫的破灭及区块链项目的“去伪存真”,业界认知正在变得更加理性、客观和务实。区块链技术应用于实体经济服务才是其本源。通过渐进式发展,在起步阶段,落地于小而美的闭环场景更加切合实际、成功的可能性也更大。只有在积累众多成功闭环场景的基础上,才能推动全开放场景走向成熟。作为代价此消彼涨的技术,区块链同时具备正作用与副作用,需要结合其优势、回避短板,组合各种优势技术并围绕需求实现综合效果最优。

  我国作为世界科技创新和应用大国,从市场规模、技术研发的基础条件以及人才储备等各方面分析,都具备引领区块链技术发展的条件。当前社会已经步入数字经济时代,原有的封闭主体逐步走向开放,横向合作与资源共享需求愈加旺盛,越来越多的跨主体合作需求产生,对信任的需求愈发高频化、复杂化、长尾化与全球化,而区块链技术正是针对这些变化提供了一种新型的可信跨界合作与技术结盟解决方案,平权型、互补型、对等型的金融生态已开始借力发展。

  通过业界的不断务实演进与创新发展,区块链技术的下一步有望与物联网、智能化等技术深度融合,为实体产业赋能,为数字经济发展提供新动力。

  END

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