区块链 | 核心技术发展

作者:hellompc  时间:2020-03-24  分类:区块链知识教程  
 
    近年来,产业界、学术界以应用需求为导向,不断加大对区块链核心技术的研究力度,涉及到安全与隐私保护、系统性能、链与链之间交互以及智能合约等技术发展活跃。这些核心技术的研究与突破,能够很好的满足应用场景需求,为区块链落地应用提供了坚实的基础。
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  零知识证明

零知识证明是一种基于概率的验证方式,是一方(证明方)可以向另一方(验证方)证明某事是真实的方法,除了这一具体陈述是真实的事实以外,不透露任何额外的信息。在一些区块链网络上的交易中,除了使用地址来替换交易双方的真实身份,使得交易具有部分匿名性以外,发送、接收地址和金额都是已知的,别人有可能通过网络上的各种信息、和现实世界发生的交互记录等将地址和真实身份对应起来,也因此具有隐私暴露的隐患。采用零知识证明可以避免这一隐患,有效保护用户隐私。
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图4-2  零知识证明图解
 
    零知识证明具备完备性、合理性以及零知识性三条性质,即完备性:如果证明方和验证方都是诚实的,并遵循证明过程的每一步,进行正确的计算,那么这个证明一定是成功的,验证方一定能够接受证明方;合理性:没有人能够假冒证明方,使这个证明成功;零知识性:证明过程执行完之后,验证方只获得了“证明方拥有这个知识”这条信息,而没有获得关于这个知识本身的任何一点信息。
 

  新型共识机制

共识机制是区块链技术的一大核心技术,区块链技术之所以有别于其他分布式技术,共识技术的存在也是一个很重要的原因。区块链拥有众多节点并达到一种平衡状态正是因为共识机制,使得在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题。在达成一致的前提下,平衡效率、可扩展性和资源是共识机制的痛点,因此,面向不同的应用场景和需求,需要符合应用要求的共识机制。随着技术的发展,一些新型共识机制涌现,为满足相应的应用要求提供了解决方案。的技术的出现或许预示着不可能三角正在被打破。
 
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图4-3  新型共识机制
 
    DAG:DirectedAcyclicGraph,中文意为「有向无环图」。相较于传统的区块链沿着一条链的方向进行,DAG则可以同时存在数条不同的路径,同时还确保了所有路径都朝向同一方向。这样的机制使DAG可以同时并行处理很多交易,而不必一直等待区块的打包生成,同时也永远都不会出现分叉的现象,保证了主交易链条的完整性。哈希图Hashgraph是为了解决传统区块链共识的问题,而提出的一种分布式记账技术,或者说,使用了异步拜占庭共识算法的新型区块链技术。它最耀眼的特点是快和准,能在非常快速记清全网的账。

  跨链与分片

随着区块链应用增多,各个条线区块链上承载和存储了大量信息,链与链之间的互联互通成为跨领域、跨行业应用的需求。同时链与链的互联互通也能够最大化的共享区块链上存储的数据,有利于价值的最大化利用。跨链技术也成为实现链与链之间互联互通的有效手段,得到了较多的关注。跨链分为同构链的跨链和异构链的跨链。相比较而言,同构链的跨链交互在实现上相对容易,异构链的跨链技术实现难度较大,目前还较不成熟。目前主流的跨链技术有:公证人机制、侧链/中继、哈希锁定、分布式私钥控制等。
    总的来说,当前跨链技术成熟度还较低,现有的跨链技术主要致力于解决可用性问题,对于跨链易用性、可扩展性以及安全性的研究还有待发展。基于技术发展现状分析,未来跨链技术的重点发展方向包括:加快交易速度,减轻主链负担,发展多链并行处理计算,支持海量交易,提升安全性和加强隐私保护等。
    当前有限的吞吐量是区块链的一个局限性,也是比较明显的问题,为满足高吞吐量的需求,扩展性是区块链发展需具备的要求。分片技术能够解决区块链扩容问题,通过改变网络验证的方式来增加吞吐量。分片技术是一种基于数据库分片传统概念的扩容技术,它将数据库分割成多个碎片并将这些碎片放置在不同的服务器上。通过网络和交易分片,区块链节点的网络被分割成不同的碎片,每个碎片都能形成独立的处理过程并在不同的交易子集上达成共识。通过这种方式,我们可以并行处理相互之间未建立连接的交易子集,通过提高数量级显著提高交易的吞吐量。
智能合约
    近几年,随着区块链、加密货币概念的发展,智能合约也开始被广泛的接受。而智能合约作为一种由计算机执行的合约,本质上其实就是一段代码。目前,智能合约的主流语言除了Solidity、Go、Java等语言实现以外,新的合约实现和支持方式也不断出现,WASM(WebAssembly)是其中的代表。由于智能合约一旦部署,便很难更改,所以智能合约的安全及漏洞检测尤为重要,有关智能合约的安全评估技术也是研究的热点。
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图4-4  智能合约模型
 
    WASM是一种可以使用非Java编程语言编写代码并且能在浏览器上运行的技术方案。WASM拓展了智能合约开发者可用的编程语言,这意味着开发者可以使用任何熟悉的编程语言开发智能合约。WASM的技术优势体现在性能高效、存储成本低、多语言支持等。WASM采用二进制编码,在程序执行过程中的性能优越;相对于文本格式,二进制编码的文本占用的存储空间更小;用户可以使用C/C++/RUST/Go等多种语言编写智能合约并编译成WASM格式的字节码。正因为这些技术优势,WASM合约可以在很多方面优化现有的智能合约体系,无论是开发速度,存储空间还是运行速度都可以得到一定程度优化。
    智能合约安全检测与评估方法包括形式化验证、符合执行分析、模糊测试以及静态分析等,其中形式化验证具有极高的安全有效性。形式化验证是通过形式化逻辑的方式来表示合约代码,并加以严格地推理证明。这个过程依赖于数学逻辑推理的严密性,保证100%覆盖到到代码的运行期行为,可以明确保证在一定范围内的绝对正确。对于规模相对较小而设计复杂的智能合约而言,形式化程序验证无疑是保证其安全可靠的有效方法之一。
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