中國學者首次在NSDI發表區塊鏈論文，打破區塊鏈“不可能三角”瓶頸

2019-04-29

如果火車站的售票大廳只有一個售票窗口，所有前來買票的人全部要在這個窗口外排隊，那麼這個售票大廳的賣票速度可想而知，在單位時間內賣出的車票數量將非常有限。

此前的區塊鏈網絡處理任務的進程，就面臨這樣的尷尬。受到“不可能三角”的制約，早期的區塊鏈網絡通常是單鏈形式，為了兼顧安全性與去中心化，不得不作出性能方面的犧牲，使得區塊鏈技術在處理任務時，“只有一個窗口賣票”，性能亟待提升。

近日，中科院計算所博士、創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塊鏈系統Monoxide模型，打破了這一瓶頸，在儘量不引入額外的實體和機制的前提下，可同時滿足安全、高性能和去中心化的三角特性，使區塊鏈橫向擴展1000倍以上，從而使數據吞吐量提升1000倍以上。相關論文發表在不久前的2019年NSDI（網絡系統設計與實現）國際會議上。

王嘉平圖源：網絡

“不可能三角”

區塊鏈由“數據塊”和“鏈條”組成，是一種分佈式記賬底層技術。一般認為，區塊鏈具有去中心化、高安全性等核心優點，可以完美解決共享經濟發展過程中的信息不對稱、交易成本高、陌生人信任等難題。

因此，區塊鏈被認為是最具潛力的顛覆性技術之一。根據目前的研究，區塊鏈技術可以應用在數字貨幣發行與交易、跨境支付與轉賬、智能合約、供應鏈溯源等領域。

不過，處於高速發展中的區塊鏈技術卻長期面臨着一個著名的“不可能三角”技術瓶頸。區塊鏈“不可能三角”也稱“三元悖論”，指區塊鏈網絡模型無論採用哪種共識機制來決定新區塊的生成方式，都無法同時兼顧性能、安全、去中心化這三項要求，只能滿足其中兩項而犧牲另外一項，最多三者取其二。

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

也正是因為這個瓶頸，區塊鏈技術至今仍然無法在各領域內發揮出它的全部潛能。

“多個窗口賣不同的票”

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

**“首先，是用多鏈取代單鏈。”**王嘉平説。換言之，就是為售票大廳增設窗口。

事實上，此前也有一些研究嘗試在區塊鏈中採取多鏈模型。但此前研究者提出的多鏈，都是孤立工作、無法協同的，無法真正發揮“多鏈”的潛能。

這可以理解為，售票大廳增設了多個窗口，但是一個窗口只能賣一個目的地的票。這仍將導致前來買票的人在“不對應”的窗口無法成功買票，而是需要根據目的地去對應的窗口買票。

這意味着，同一時間內，有些窗口前會排起長隊，而有些窗口前可能空無一人。整個售票大廳在單位時間內賣出的車票數量仍然有限，賣票效率仍有很大的提升空間。

其次，是讓多鏈系統協同發揮作用。

“Monoxide模型是一個併發的多鏈系統，每一個鏈稱為‘共識組’。”王嘉平介紹。具體來講，共識組是由多個同質的、功能上完全一致、地位上也完全平等，邏輯上儘量隔離的獨立共識系統的實例所構成，它們並行工作，分攤全網的數據吞吐、計算、存儲的壓力，分攤全網狀態的維護工作。

由於共識組之間完全並行、異步，所以即便某一個共識組發生擁塞，也不會干擾其它共識組的數據吞吐和產出新數據塊。

如此一來，“去往不同目的地的人，無論在哪個窗口都可以直接買票，不同窗口的售票員會在後台協同發揮作用，使單位時間內賣出的車票數量最大化。”

反應在計算性能上面，區塊鏈的數據吞吐量和容量將有大幅提升，即單位時間每個窗口賣出的票數與單位時間售票大廳容納的人數明顯增加。

為了驗證Monoxide模型的可行性，王嘉平等人在由4.8萬個全球節點組成的真實環境中進行了測試。實驗證明，Monoxide模型可以將一個現有的單鏈共識算法，橫向擴展1000倍以上，從而使數據吞吐量提升1000倍以上，同時也將全網計算能力（CPU）提升2000倍以上。

“理論上，橫向擴展的倍數上限甚至能夠達到10萬量級。”王嘉平説。

推動模型落地應用

據瞭解，該論文的兩名作者王嘉平博士與汪浩博士，均畢業於中國科院計算所。

王嘉平曾先後就任微軟研究院研究員及主管研究員。多年連續在國際圖形學頂級會議ACM SIGGRAPH發表最新研究成果，擁有美國專利十餘項。入職創新工場後，王嘉平涉足投資領域，投資方向為區塊鏈和人工智能，曾主導了對比特大陸的首輪機構投資。

去年12月，計算機網絡頂級學術會議NSDI宣佈錄用由王嘉平及汪浩撰寫的區塊鏈研究論文。不久前，2019年NSDI會議正式發佈了該論文。據悉，NSDI是USENIX組織開辦的關於網絡系統設計的著名會議，雖然歷史很短，但由於其強調系統、實用、跨學科的特點，廣受計算機學者關注。

一直以來，NSDI以重視文章質量著稱，採用嚴格的雙盲評審，每篇文章都要經過兩輪總計六到八個審稿人審閲，之後還需經過程序委員會的討論篩選。通常，每屆會議錄用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國際會議，是該會議今年錄取的唯一一篇與區塊鏈相關的論文，也是中國在區塊鏈領域入選該會議的第一篇文章。

一直以來，區塊鏈技術的應用與普及都備受關注。由於區塊鏈技術在效率提升、安全保護等方面存在巨大潛能，越來越多的行業開始認識到區塊鏈的力量並逐步嘗試落地。而Monoxide模型的提出，則讓區塊鏈技術向實際落地應用又邁進了一步。

王嘉平透露，2019年8月，Monoxide將上線測試網絡，供開發者做技術評估。這將賦能金融支付、醫療衞生、智慧城市等實際場景。

據悉，創新工場也將與中科院計算所展開更深入的技術和產業合作，促進區塊鏈技術更好地落地應用。