公鏈核心要素、共識機制的優劣及痛點分析

 公鏈是區塊鏈的底層協議,是區塊鏈世界的“操作系統”,為各種應用開發提供基礎技術支撐,是未來區塊鏈技術落地應用的核心基礎。經歷了公鏈 1.0 比特幣和公鏈 2.0 以太坊的探索,公鏈 3.0 正著眼于解決系統的擴展性、安全性和監管兼容性問題,以承載大規模的商業應用。同時,公鏈 3.0 仍需保留區塊鏈的開放、自治等特性。與互聯網的架構不同,區塊鏈底層協議的價值遠遠超過應用層,底層公鏈仍將是現階段區塊鏈行業的攻關重點,各公鏈在可擴展性、應用性、共識哲學,以及應用生態搭建上的角逐將長期延續。


1.公鏈1.0-比特幣

比特幣在設計之初定位為支付工具,只能進行價值傳輸。中本聰因此大幅刪減了許多腳本指令,所以其安全性極高。但比特幣的腳本語言是圖靈不完備的,不能執行循環語句,可擴展性差,許多高級應用無法建立在比特幣腳本之上。

2.公鏈2.0-以太坊

以太坊是一個具備圖靈完備腳本的公共區塊鏈平臺,被稱為“世界計算機”。除進行價值傳遞外,開發者還能夠在以太坊上創建任意的智能合約。以太坊通過智能合約的方式,拓展了區塊鏈商用渠道,比如眾多區塊鏈項目的代幣發行,智能合約開發,以及去中心化DAPP 的開發,目前基于以太坊的DAPP 已經超過1000 個。然而,當前的以太坊網絡存在擴展性不足、安全性差、開發難度高以及過度依賴手續費等問題,區塊鏈的大規模商用遭遇了發展瓶頸。

3.公鏈3.0-大規模商用

公鏈 3.0 定位于能大規模商用,與實際資產和真實價值相關聯,推動實體經濟發展。目前正在競爭區塊鏈 3.0 的公鏈項目有 EOS,Cardano等,但這些公鏈項目多數處于理論論證及測試階段,少數主鏈完成開發的項目也仍處于早期探索階段。而技術儲備充足、財力雄厚的公鏈 2.0 代表以太坊仍在不斷地自我迭代,準備采用 Plasma、Sharding 和 Casper 等技術大幅度提高以太坊的處理性能。

公鏈是未來一切區塊鏈商業應用的基礎設施,在已有的技術中,涉及到共識機制、智能合約、跨鏈技術、側鏈技術、兼容性和擴展性等,在這些技術的組合影響下,直接決定著公鏈的基本性能,包括維護公鏈正常運行的節點數量、交易處理速度及應用開發的難易程度等。區塊鏈底層平臺技術開發具有技術結構復雜、開發難度大、開發周期長及爭議較大等特點。

圍繞著公鏈這些底層技術,又形成包括區塊鏈錢包、區塊鏈瀏覽器、節點競選、礦機、礦池、開發組件、開發模塊、技術社區及項目社群等一系列的生態系統,這些生態系統的完善程度直接決定著公鏈的使用效率和效果。

目前市場上整體生態系統比較成熟的項目包括ETH、NEO 等,但這些項目尚不能支撐起高頻的商業應用,所以市場一直在探索符合商用的公鏈。

區塊鏈底層技術平臺尚處于不斷創新,逐漸完善的階段,以目前的技術水平尚不足以對現實世界產生巨大影響并進入到實際的大規模商用階段。在目前的區塊鏈底層平臺的研發過程中,對共識機制、中心化與去中心化、交易處理速度和安全等問題最為關注,討論也最為激烈,但對于未來如何實現高效、安全和去中心化的平臺大家還尚未形成共識。

公鏈的核心要素

互聯網世界里的核心資源要素包括存儲資源、傳輸資源、運算資源三個方面, 區塊鏈技術作為互聯網技術的延伸,其核心資源要素與互聯網有很大的相關性。同時,區塊鏈是信任的機器,在互聯網傳遞信息的功能之外,還承載著價值傳輸的使命,因而區塊鏈世界的核心資源要素可歸結為存儲資源、傳輸資源、運算資源和共識機制所產生的信任資源四個方面。

業界通常將區塊鏈的架構分為五個層面,分別為數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層,我們將其中的核心技術要素提煉成五個維度,包括可擴展性和傳輸技術、系統安全、分布式存儲、監管兼容性和共識機制。公鏈的核心技術要素和核心資源要素如圖 2-1 所示。

 

共識機制的優劣

主流公鏈采用的共識機制有:PoW、PoS、DPoS 以及 PBFT,簡單介紹如下:

工作量證明機制 Proof of Work(PoW)是指獲得多少代幣,取決于主體挖礦貢獻的工作量,一般來說,電腦性能越好, 分給礦工的礦就會越多。代表幣種:BTC、LTC 和現階段的 ETH。

權益證明 Proof of Stake(PoS):類似于財產儲存在銀行,這種模式會根據你持有代幣的量和時間,分配給你相應的利息。簡單來說,就是指誰擁有的幣多(需要錢包在線),誰就有發言權, 所以 PoS 就是根據在線錢包的持幣比例來證明誰有發言權。

授權權益證明Delegated Proof of Stake(DPoS):讓每一個持有某種資產的人進行投票,由此產生一定數量的代表 ,再由選舉產生的代表按照某種機制出塊。從某種角度來看,DPoS有點像是議會制度,如果代表不能履行他們的職責(比如出現作弊等情況,他們會被除名,網絡會選出新的節點來取代他們。代表幣種:EOS。

實用拜占庭容錯算法 PBFT PracticalByzantine Fault Tolerance(PBFT):PBFT 是一種狀態機副本復制算法,即服務作為狀態機進行建模,狀態機在分布式系統的不同節點進行副本復制。每個狀態機的副本都保存了服務的狀態,同時也實現了服務的操作。將所有的副本組成的集合使用大寫字母 R 表示,使用 0 到|R|-1 的整數表示每一個副本。為了描述方便,假設|R|=3f+1,這里 f 是有可能失效的副本的最大個數。盡表幣種:NEO。

除了以上共識機制之外,還有各種改進型的共識機制,包括租用共識機制 LPoS(通過這一機制,代幣持有者可以將他們的代幣借給全網節點的礦工,并獲得分紅收益)、動態權益的共識協議(DSC,通過動態選舉若干記賬人,然后在所有記賬人中采用PBFT 方式進行交易共識)、FBA 聯邦拜占庭共識、OCE(基于 DBFT 共識協議和可驗證隨機函數VRF 的增強版本共識引擎,實現了近乎無限的可擴展性,只需很少的計算量,生產幾乎不會分叉的區塊鏈網絡,OCE支持可插拔驗證者、在線協議修復/升級)等。

主流共識機制的特性優劣分析如圖 2-2 所示:

 

 

痛點分析

對于 PoW 共識機制:由于專業礦工和礦機的存在,最終算力過度集中讓社區趨向中心化發展,礦霸事件頻出,容易遭受 51%攻擊造成交易回滾,用戶損失資產;同時擴展性較弱,性能較低,此外,大量重復計算產生的高能耗也是 PoW 被詬病的原因之一;

對于 PoS 和 DPoS,這種不需要消耗太多算力即可達成共識的機制對 PoW 的上述缺陷有所彌補,但依靠代幣數量獲得出塊又形成了新的中心化趨勢,而且實現過程復雜容易分叉,需要運行大量的節點保證公鏈網絡正常,這樣會造成網絡流量壓力大,中間步驟存在安全漏洞。

1.區塊確認時間較長

 

比特幣平均 10 分鐘出一個塊,大致需要 6個區塊確認,區塊確認時間約為60 分鐘;以太坊平均 15 秒出一個塊,大致需要 12 個區塊確認,區塊確認時間約為 3 分鐘。區塊確認完成才代表當前交易處理已完成,全網已記錄,按照此種方式計算,比特幣的 TPS(每秒處理事務數)約為 7,以太坊的 TPS 約為15。主流區塊鏈項目的 TPS 情況如圖 2-3
所示。

 

根據目前傳統商用應用的處理速度來看,現有區塊鏈平臺項目的交易處理速度尚不能支撐起大規模的商用應用,雖然在不斷探索和開發,但區塊鏈要真正的進入的商用應用,還需要很長的路要走。傳統互聯網應用的 TPS 情況如圖 2-4 所示。

2.幣價隨市場波動較大

從數字貨幣出現伊始,人們就一直在詬病它瘋狂的價格波動,近半年 BTC 的價格波動就超過 300%,ETH 的波動超過 400%,某些小幣種的波動甚至超過1500%。相比其他金融資產和法幣,數字貨幣價格波動較大的主要原因有三個:

1)監管漏洞較大

數字貨幣存在著很大的監管漏洞,這是造成其價格波動不穩的主要原因。每一個新興科技產品,都存在技術層面和道德層面兩方面的使用倫理。從技術層面來看,任何一個使用者,只要沒有破壞技術層面的準則和規范,都屬于正常使用。但是從道德層面來看,將技術應用于非法目的,顯然是任何一個國家與合法組織都不能接受的。

因此,一些研究區塊鏈的學者和程序員,希望可以在技術層面上保持區塊鏈的“去中心化”和“匿名化”特性;而在道德層面上與政府、司法部門合作,達到必要的監管目的。

2)投機心態彌漫

以比特幣、以太坊為代表的數字貨幣并非一些人所想象的“龐氏騙局”、“郁金香熱”,而是具有技術價值和金融實踐價值的數字資產;但幾乎沒有門檻的 ICO 使得五花八門的區塊鏈項目被拼湊了出來,其中充斥著許多毫無實質內容的空殼。有些 ICO 項目直接把國外的開源項目代碼搬來,稍稍改變幾個參數,就上線圈錢了。這樣的項目,引來了大量投機者。

某些投機者購買某 ICO 代幣,短時間內翻60 倍,而他的本金只有 10 萬。這種規模的回報率,已經遠遠超出合理范圍。

3)自身技術尚不成熟

公有區塊鏈目前存在很多的問題。區塊預設容量太小,擴容方案又多有瑕疵;轉賬交易速度慢,大量擱置交易;通過對特定網絡端口的攻擊可以破壞區塊鏈正常確認工作;大量中心化的礦場、交易所逐漸占據全網超過半數的算力,一旦這些平臺被黑,整個區塊鏈網絡可能面臨生死考驗;諸如此類,不一而足。技術不成熟,就意味著區塊鏈網絡可能面臨攻擊,其市場價格也就容易產生較大波動。

綜上所述,監管漏洞大往往會讓價格迅速上升,因為眾多非法交易一直在助推價格走勢;投機氣氛濃厚是數字貨幣價格呈現過山車走勢的重要原因,但凡有壞消息流出,價格便會應聲回落或踟躕不前;技術不成熟,令價格無法穩定在合理區間內,價格的漲跌幅度較大。

3.特殊場景下隱私無法得到保護

當中本聰于 2009 年發明比特幣時,他提供了一種方式供無條件信賴彼此的參與者們協作維護規范且防篡改的交易和電子信息紀錄。后面的區塊鏈公有鏈都參照了這種方式,每一個參與者都能夠獲得完整的數據備份,所有交易數據都是公開和透明的。這是區塊鏈的優勢特點,但另一方面,對于很多區塊鏈應用方來說, 這個特點又是致命的。因為很多時候,不僅僅用戶本身希望他的帳戶隱私和交易信息被保護,就商業機構來說,很多帳戶和交易信息更是這些機構的重要資產和商業機密,不希望公開分享給同行。

比特幣對隱私保護的解決思路是,通過隔斷交易地址和地址持有人真實身份的關聯,來達到匿名的效果。所以雖然能夠看到每一筆轉賬記錄的發送方和接受方的地址,但無法對應到現實世界中的具體某個人。但這樣的保護是很弱的,通過觀察和跟蹤區塊鏈的信息,通過地址 ID、IP 信息等還是可以追查到帳戶和交易的關聯性。

文章來源:區塊網


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