區塊鏈技術發展現狀與展望

2019-11-05 13:50 來源:網絡
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  區塊鏈技術起源于2008年由化名為 “中本聰” (Satoshi Nakamoto)的學者在密碼學郵件組發表的奠基性論文《比特幣:一種點對點電子現金系統》。近兩年來,區塊鏈技術的研究與應用呈現出爆發式增長態勢,被認為是繼大型機、個人電腦、互聯網、移動/社交網絡之后計算范式的第五次顛覆式創新,是人類信用進化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第四個里程碑。區塊鏈技術是下一代云計算的雛形,有望像互聯網一樣徹底重塑人類社會活動形態,并實現從目前的信息互聯網向價值互聯網的轉變。

  區塊鏈的技術特點

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  區塊鏈具有去中心化、時序數據、集體維護、可編程和安全可信等特點。

  去中心化:區塊鏈數據的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸等過程均是基于分布式系統結構,采用純數學方法而不是中心機構來建立分布式節點間的信任關系,從而形成去中心化的可信任的分布式系統;

  時序數據:區塊鏈采用帶有時間戳的鏈式區塊結構存儲數據,從而為數據增加了時間維度,具有極強的可驗證性和可追溯性;

  集體維護:區塊鏈系統采用特定的經濟激勵機制來保證分布式系統中所有節點均可參與數據區塊的驗證過程(如比特幣的“挖礦”過程),并通過共識算法來選擇特定的節點將新區塊添加到區塊鏈;

  可編程:區塊鏈技術可提供靈活的腳本代碼系統,支持用戶創建高級的智能合約、貨幣或其它去中心化應用;

  安全可信:區塊鏈技術采用非對稱密碼學原理對數據進行加密,同時借助分布式系統各節點的工作量證明等共識算法形成的強大算力來抵御外部攻擊、保證區塊鏈數據不可篡改和不可偽造,因而具有較高的安全性。

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  區塊鏈與比特幣

  比特幣是迄今為止最為成功的區塊鏈應用場景,區塊鏈技術為比特幣系統解決了數字加密貨幣領域長期以來所必需面對的雙重支付問題和拜占庭將軍問題。與傳統中心機構(如中央銀行)的信用背書機制不同的是,比特幣區塊鏈形成的是軟件定義的信用,這標志著中心化的國家信用向去中心化的算法信用的根本性變革。近年來,比特幣憑借其先發優勢,目前已經形成體系完備的涵蓋發行、流通和金融衍生市場的生態圈與產業鏈,這也是其長期占據絕大多數數字加密貨幣市場份額的主要原因。

  區塊鏈的發展脈絡與趨勢

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  區塊鏈技術是具有普適性的底層技術框架,可以為金融、經濟、科技甚至政治等各領域帶來深刻變革。按照目前區塊鏈技術的發展脈絡,區塊鏈技術將會經歷以可編程數字加密貨幣體系為主要特征的區塊鏈1.0模式,以可編程金融系統為主要特征的區塊鏈2.0模式和以可編程社會為主要特征的區塊鏈3.0模式。然而,上述模式實際上是平行而非演進式發展的,區塊鏈1.0模式的數字加密貨幣體系仍然遠未成熟,距離其全球貨幣一體化的愿景實際上更遠、更困難。目前,區塊鏈領域已經呈現出明顯的技術和產業創新驅動的發展態勢,相關學術研究嚴重滯后、亟待跟進。

  區塊鏈的基礎模型與關鍵技術

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  一般說來,區塊鏈系統由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層組成。

  數據層封裝了底層數據區塊以及相關的數據加密和時間戳等技術;

  網絡層則包括分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等;

  共識層主要封裝網絡節點的各類共識算法;

  激勵層將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中來,主要包括經濟激勵的發行機制和分配機制等;

  合約層主要封裝各類腳本、算法和智能合約,是區塊鏈可編程特性的基礎;

  應用層則封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例。

  該模型中,基于時間戳的鏈式區塊結構、分布式節點的共識機制、基于共識算力的經濟激勵和靈活可編程的智能合約是區塊鏈技術最具代表性的創新點。

  區塊鏈技術的應用場景

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  區塊鏈技術不僅可以成功應用于數字加密貨幣領域,同時在經濟、金融和社會系統中也存在廣泛的應用場景。根據區塊鏈技術應用的現狀,本文將區塊鏈目前的主要應用籠統地歸納為數字貨幣、數據存儲、數據鑒證、金融交易、資產管理和選舉投票共六個場景:

  數字貨幣:以比特幣為代表,本質上是由分布式網絡系統生成的數字貨幣,其發行過程不依賴特定的中心化機構。

  數據存儲:區塊鏈的高冗余存儲、去中心化、高安全性和隱私保護等特點使其特別適合存儲和保護重要隱私數據,以避免因中心化機構遭受攻擊或權限管理不當而造成的大規模數據丟失或泄露。

  數據鑒證:區塊鏈數據帶有時間戳、由共識節點共同驗證和記錄、不可篡改和偽造,這些特點使得區塊鏈可廣泛應用于各類數據公證和審計場景。例如,區塊鏈可以永久地安全存儲由政府機構核發的各類許可證、登記表、執照、證明、認證和記錄等。

  金融交易:區塊鏈技術與金融市場應用有非常高的契合度。區塊鏈可以在去中心化系統中自發地產生信用,能夠建立無中心機構信用背書的金融市場,從而在很大程度上實現了“金融脫媒”;同時利用區塊鏈自動化智能合約和可編程的特點,能夠極大地降低成本和提高效率。

  資產管理:區塊鏈能夠實現有形和無形資產的確權、授權和實時監控。無形資產管理方面已經廣泛應用于知識產權保護、域名管理、積分管理等領域;有形資產管理方面則可結合物聯網技術形成“數字智能資產”,實現基于區塊鏈的分布式授權與控制。

  選舉投票:區塊鏈可以低成本高效地實現政治選舉、企業股東投票等應用,同時基于投票可廣泛應用于博彩、預測市場和社會制造等領域。

  區塊鏈技術的現存問題

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  安全性威脅是區塊鏈迄今為止所面臨的最重要的問題。其中,基于PoW共識過程的區塊鏈主要面臨的是51%攻擊問題,即節點通過掌握全網超過51%的算力就有能力成功篡改和偽造區塊鏈數據。其他問題包括新興計算技術破解非對稱加密機制的潛在威脅和隱私保護問題等。

  區塊鏈效率也是制約其應用的重要因素。區塊鏈要求系統內每個節點保存一份數據備份,這對于日益增長的海量數據存儲來說是極為困難的。雖然輕量級節點可部分解決此問題,但適用于更大規模的工業級解決方案仍有待研發。比特幣區塊鏈目前每秒僅能處理7筆交易,且交易確認時間一般為10分鐘,這極大地限制了區塊鏈在大多數金融系統高頻交易場景中的應用。

  PoW共識過程高度依賴區塊鏈網絡節點貢獻的算力,這些算力主要用于解決SHA256哈希和隨機數搜索,除此之外并不產生任何實際社會價值,因而一般意義上認為這些算力資源是被“浪費”掉了,同時被浪費掉的還有大量的電力資源。如何能有效匯集分布式節點的網絡算力來解決實際問題,是區塊鏈技術需要解決的重要問題。

  區塊鏈網絡作為去中心化的分布式系統,其各節點在交互過程中不可避免地會存在相互競爭與合作的博弈關系,例如比特幣礦池的區塊截留攻擊博弈等。區塊鏈共識過程本質上是眾包過程,如何設計激勵相容的共識機制,使得去中心化系統中的自利節點能夠自發地實施區塊數據的驗證和記賬工作,并提高系統內非理性行為的成本以抑制安全性攻擊和威脅,是區塊鏈有待解決的重要科學問題。

  智能合約與區塊鏈技術

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  智能合約是一組情景-應對型的程序化規則和邏輯,是部署在區塊鏈上的去中心化、可信共享的程序代碼。通常情況下,智能合約經各方簽署后,以程序代碼的形式附著在區塊鏈數據(例如一筆比特幣交易)上,經P2P網絡傳播和節點驗證后記入區塊鏈的特定區塊中。智能合約封裝了預定義的若干狀態及轉換規則、觸發合約執行的情景(如到達特定時間或發生特定事件等)、特定情景下的應對行動等。區塊鏈可實時監控智能合約的狀態,并通過核查外部數據源、確認滿足特定觸發條件后激活并執行合約。

  智能合約對于區塊鏈技術來說具有重要的意義。

  一方面,智能合約是區塊鏈的激活器,為靜態的底層區塊鏈數據賦予了靈活可編程的機制和算法,并為構建區塊鏈2.0和3.0時代的可編程金融系統與社會系統奠定了基礎;

  另一方面,智能合約的自動化和可編程特性使其可封裝分布式區塊鏈系統中各節點的復雜行為,成為區塊鏈構成的虛擬世界中的軟件代理機器人,這有助于促進區塊鏈技術在各類分布式人工智能系統中的應用,使得基于區塊鏈技術構建各類去中心化應用(Decentralized application, Dapp)、去中心化自治組織(Decentralized Autonomous Organization, DAO)、去中心化自治公司(Decentralized Autonomous Corporation, DAC)甚至去中心化自治社會(Decentralized Autonomous Society, DAS)成為可能。

  區塊鏈和智能合約技術的主要發展趨勢是由自動化向智能化方向演化。

  現存的各類智能合約及其應用的本質邏輯大多仍是根據預定義場景的“ IF-THEN”類型的條件響應規則,能夠滿足目前自動化交易和數據處理的需求。

  未來的智能合約應具備根據未知場景的“ WHAT-IF”推演、計算實驗和一定程度上的自主決策功能,從而實現由目前“自動化”合約向真正的“智能”合約的飛躍。

  區塊鏈驅動的平行社會

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  近年來,基于CPSS(Cyber-Physical-Social Systems)的平行社會已現端倪,其核心和本質特征是虛實互動與平行演化。區塊鏈是實現CPSS平行社會的基礎架構之一,其主要貢獻是為分布式社會系統和分布式人工智能研究提供了一套行之有效的去中心化的數據結構、交互機制和計算模式,并為實現平行社會奠定了堅實的數據基礎和信用基礎。

  就數據基礎而言,管理學家愛德華戴明曾說過:除了上帝,所有人必須以數據說話。

  然而在中心化社會系統中,數據通常掌握在政府和大型企業等“少數人”手中,為少數人“說話”,其公正性、權威性甚至安全性可能都無法保證。區塊鏈數據則通過高度冗余的分布式節點存儲,掌握在“所有人”手中,能夠做到真正的“數據民主”。就信用基礎而言,中心化社會系統因其高度工程復雜性和社會復雜性而不可避免地會存在“默頓系統”的特性,即不確定性、多樣性和復雜性,社會系統中的中心機構和規則制定者可能會因個體利益而出現失信行為;區塊鏈技術有助于實現軟件定義的社會系統,其基本理念就是剔除中心化機構、將不可預測的行為以智能合約的程序化代碼形式提前部署和固化在區塊鏈數據中,事后不可偽造和篡改并自動化執行,從而在一定程度上能夠將“默頓”社會系統轉化為可全面觀察、可主動控制、可精確預測的“牛頓”社會系統。

  ACP(人工社會Artificial Societies、計算實驗Computational Experiments和平行執行ParallelExecution)方法是迄今為止平行社會管理領域唯一成體系化的、完整的研究框架,是復雜性科學在新時代平行社會環境下的邏輯延展和創新。ACP方法可以自然地與區塊鏈技術相結合,實現區塊鏈驅動的平行社會管理。

  首先,區塊鏈的P2P 組網、分布式共識協作和基于貢獻的經濟激勵等機制本身就是分布式社會系統的自然建模,其中每個節點都將作為分布式系統中的一個自主和自治的智能體(agent)。隨著區塊鏈生態體系的完善,區塊鏈各共識節點和日益復雜與自治的智能合約將通過參與各種形式的Dapp,形成特定組織形式的DAC和DAO,最終形成DAS,即ACP中的人工社會。

  其次,智能合約的可編程特性使得區塊鏈可進行各種“ WHAT-IF” 類型的虛擬實驗設計、場景推演和結果評估,通過這種計算實驗過程獲得并自動或半自動地執行最優決策。

  最后,區塊鏈與物聯網等相結合形成的智能資產使得聯通現實物理世界和虛擬網絡空間成為可能,并可通過真實和人工社會系統的虛實互動和平行調諧實現社會管理和決策的協同優化。不難預見,未來現實物理世界的實體資產都登記為鏈上智能資產的時候,就是區塊鏈驅動的平行社會到來之時。

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責任編輯:bozhihua
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