區(qū)塊鏈技術(shù)還長期面臨著一個(gè)不可能三角技術(shù)的瓶頸

如果火車站的售票大廳只有一個(gè)售票窗口，所有前來買票的人全部要在這個(gè)窗口外排隊(duì)，那么這個(gè)售票大廳的賣票速度可想而知，在單位時(shí)間內(nèi)賣出的車票數(shù)量將非常有限。

此前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的進(jìn)程，就面臨這樣的尷尬。受到“不可能三角”的制約，早期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常是單鏈形式，為了兼顧安全性與去中心化，不得不作出性能方面的犧牲，使得區(qū)塊鏈技術(shù)在處理任務(wù)時(shí)，“只有一個(gè)窗口賣票”，性能亟待提升。

近日，中科院計(jì)算所博士、創(chuàng)新工場人工智能研究院副院長王嘉平等人提出的高性能區(qū)塊鏈系統(tǒng)Monoxide模型，打破了這一瓶頸，在盡量不引入額外的實(shí)體和機(jī)制的前提下，可同時(shí)滿足安全、高性能和去中心化的三角特性，使區(qū)塊鏈橫向擴(kuò)展1000倍以上，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提升1000倍以上。相關(guān)論文發(fā)表在不久前的2019年NSDI（網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)）國際會(huì)議上。

“不可能三角”

區(qū)塊鏈由“數(shù)據(jù)塊”和“鏈條”組成，是一種分布式記賬底層技術(shù)。一般認(rèn)為，區(qū)塊鏈具有去中心化、高安全性等核心優(yōu)點(diǎn)，可以完美解決共享經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的信息不對(duì)稱、交易成本高、陌生人信任等難題。

因此，區(qū)塊鏈被認(rèn)為是最具潛力的顛覆性技術(shù)之一。根據(jù)目前的研究，區(qū)塊鏈技術(shù)可以應(yīng)用在數(shù)字貨幣發(fā)行與交易、跨境支付與轉(zhuǎn)賬、智能合約、供應(yīng)鏈溯源等領(lǐng)域。

不過，處于高速發(fā)展中的區(qū)塊鏈技術(shù)卻長期面臨著一個(gè)著名的“不可能三角”技術(shù)瓶頸。區(qū)塊鏈“不可能三角”也稱“三元悖論”，指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)模型無論采用哪種共識(shí)機(jī)制來決定新區(qū)塊的生成方式，都無法同時(shí)兼顧性能、安全、去中心化這三項(xiàng)要求，只能滿足其中兩項(xiàng)而犧牲另外一項(xiàng)，最多三者取其二。

王嘉平告訴《中國科學(xué)報(bào)》，受到“不可能三角”的制約，早期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常是單鏈形式，為了兼顧安全性與去中心化，不得不作出性能方面的犧牲。

也正是因?yàn)檫@個(gè)瓶頸，區(qū)塊鏈技術(shù)至今仍然無法在各領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮出它的全部潛能。

“多個(gè)窗口賣不同的票”

而王嘉平等人提出的高性能區(qū)塊鏈系統(tǒng)Monoxide模型，則打破了這一瓶頸，可同時(shí)滿足安全、高性能和去中心化的需求。

“首先，是用多鏈取代單鏈?！蓖跫纹秸f。換言之，就是為售票大廳增設(shè)窗口。

事實(shí)上，此前也有一些研究嘗試在區(qū)塊鏈中采取多鏈模型。但此前研究者提出的多鏈，都是孤立工作、無法協(xié)同的，無法真正發(fā)揮“多鏈”的潛能。

這可以理解為，售票大廳增設(shè)了多個(gè)窗口，但是一個(gè)窗口只能賣一個(gè)目的地的票。這仍將導(dǎo)致前來買票的人在“不對(duì)應(yīng)”的窗口無法成功買票，而是需要根據(jù)目的地去對(duì)應(yīng)的窗口買票。

這意味著，同一時(shí)間內(nèi)，有些窗口前會(huì)排起長隊(duì)，而有些窗口前可能空無一人。整個(gè)售票大廳在單位時(shí)間內(nèi)賣出的車票數(shù)量仍然有限，賣票效率仍有很大的提升空間。

其次，是讓多鏈系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮作用。

“Monoxide模型是一個(gè)并發(fā)的多鏈系統(tǒng)，每一個(gè)鏈稱為‘共識(shí)組’?！蓖跫纹浇榻B。具體來講，共識(shí)組是由多個(gè)同質(zhì)的、功能上完全一致、地位上也完全平等，邏輯上盡量隔離的獨(dú)立共識(shí)系統(tǒng)的實(shí)例所構(gòu)成，它們并行工作，分?jǐn)側(cè)W(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐、計(jì)算、存儲(chǔ)的壓力，分?jǐn)側(cè)W(wǎng)狀態(tài)的維護(hù)工作。

由于共識(shí)組之間完全并行、異步，所以即便某一個(gè)共識(shí)組發(fā)生擁塞，也不會(huì)干擾其它共識(shí)組的數(shù)據(jù)吞吐和產(chǎn)出新數(shù)據(jù)塊。

如此一來，“去往不同目的地的人，無論在哪個(gè)窗口都可以直接買票，不同窗口的售票員會(huì)在后臺(tái)協(xié)同發(fā)揮作用，使單位時(shí)間內(nèi)賣出的車票數(shù)量最大化?！?/p>

反應(yīng)在計(jì)算性能上面，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)吞吐量和容量將有大幅提升，即單位時(shí)間每個(gè)窗口賣出的票數(shù)與單位時(shí)間售票大廳容納的人數(shù)明顯增加。

為了驗(yàn)證Monoxide模型的可行性，王嘉平等人在由4.8萬個(gè)全球節(jié)點(diǎn)組成的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)證明，Monoxide模型可以將一個(gè)現(xiàn)有的單鏈共識(shí)算法，橫向擴(kuò)展1000倍以上，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提升1000倍以上，同時(shí)也將全網(wǎng)計(jì)算能力（CPU）提升2000倍以上。

“理論上，橫向擴(kuò)展的倍數(shù)上限甚至能夠達(dá)到10萬量級(jí)?！蓖跫纹秸f。

推動(dòng)模型落地應(yīng)用

據(jù)了解，該論文的兩名作者王嘉平博士與汪浩博士，均畢業(yè)于中國科院計(jì)算所。

王嘉平曾先后就任微軟研究院研究員及主管研究員。多年連續(xù)在國際圖形學(xué)頂級(jí)會(huì)議ACM SIGGRAPH發(fā)表最新研究成果，擁有美國專利十余項(xiàng)。入職創(chuàng)新工場后，王嘉平涉足投資領(lǐng)域，投資方向?yàn)閰^(qū)塊鏈和人工智能，曾主導(dǎo)了對(duì)比特大陸的首輪機(jī)構(gòu)投資。

去年12月，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議NSDI宣布錄用由王嘉平及汪浩撰寫的區(qū)塊鏈研究論文。不久前，2019年NSDI會(huì)議正式發(fā)布了該論文。據(jù)悉，NSDI是USENIX組織開辦的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著名會(huì)議，雖然歷史很短，但由于其強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)、實(shí)用、跨學(xué)科的特點(diǎn)，廣受計(jì)算機(jī)學(xué)者關(guān)注。

一直以來，NSDI以重視文章質(zhì)量著稱，采用嚴(yán)格的雙盲評(píng)審，每篇文章都要經(jīng)過兩輪總計(jì)六到八個(gè)審稿人審閱，之后還需經(jīng)過程序委員會(huì)的討論篩選。通常，每屆會(huì)議錄用20多篇論文，錄取率僅在25%左右。

王嘉平等人的論文入選2019年NSDI國際會(huì)議，是該會(huì)議今年錄取的唯一一篇與區(qū)塊鏈相關(guān)的論文，也是中國在區(qū)塊鏈領(lǐng)域入選該會(huì)議的第一篇文章。

一直以來，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用與普及都備受關(guān)注。由于區(qū)塊鏈技術(shù)在效率提升、安全保護(hù)等方面存在巨大潛能，越來越多的行業(yè)開始認(rèn)識(shí)到區(qū)塊鏈的力量并逐步嘗試落地。而Monoxide模型的提出，則讓區(qū)塊鏈技術(shù)向?qū)嶋H落地應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。

王嘉平透露，2019年8月，Monoxide將上線測試網(wǎng)絡(luò)，供開發(fā)者做技術(shù)評(píng)估。這將賦能金融支付、醫(yī)療衛(wèi)生、智慧城市等實(shí)際場景。

據(jù)悉，創(chuàng)新工場也將與中科院計(jì)算所展開更深入的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)合作，促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)更好地落地應(yīng)用。