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區塊鏈可擴展性問題如何解決?Zilliqa聯合創始人賈瑤琪訪談

導讀:6 月 1 ~ 2 日,GIAC 全球互聯網架構大會將於深圳舉行。GIAC 是一個面向架構師、技術負責人及高端技術從業人員的技術架構大會。今年的 GIAC 已經有騰訊、阿裡巴巴、百度、今日頭條、科大訊飛、新浪微博、小米、美圖、Oracle、鏈家、唯品會、京東、餓了麽、美團點評、羅輯思維、ofo 等公司專家出席。


在大會前夕,高可用架構採訪了本屆 GIAC 區塊鏈及數字貨幣講師賈瑤琪,就目大家廣泛關註的區塊鏈的安全和分片等問題進行了訪談。


賈瑤琪,Zilliqa 聯合創始人兼技術總監、區塊鏈和信息安全技術專家。新加坡國立大學博士,曾任該校研究員,重點研究領域是:可擴展和隱私保護的分佈式網絡。他目前致力於下一代可擴展高吞吐量區塊鏈系統Zilliqa的設計和實現。有多篇學術論文發表於 CCS,、USENIX Security 等國際頂級安全會議,曾獲 W2SP 和 ICECCS 最佳論文獎。其研究成果被多家業界公司如谷歌和蘋果採納,並得到了業內知名媒體 Dailydot、Gizmodo、Techspot 等的廣泛報道。 個人網頁:https://www.comp.nus.edu.sg/~jiayaoqi/


Zilliqa (https://www.zilliqa.com/) 作為一個新的可擴展公有區塊鏈,使用分片技術支持每秒數千次的交易,著重為高吞吐量的應用程式提供運行平臺。


它將分片技術從理論變為實踐,運用創新的密碼技術和共識協議,提供隨著網絡增容而不斷提高的交易處理能力。在最新的實驗中,測試網絡達到每秒處理 2,400 個交易以上。這比目前的主流區塊鏈平臺快了200 多倍。


此外,Zilliqa 提供安全和高效的智慧合約架構,以實現“設計即安全”的智慧合約編程和驗證。同時,Zilliqa 為實現安全資料驅動的分佈式應用而量身打造,可以滿足如數字廣告業務、電子資產管理等大規模高吞吐量應用的規模化要求。


高可用架構:你是如何接觸到區塊鏈的?又是如何決定加入區塊鏈行業?在這個過程中對區塊鏈的認識有哪些變化?

賈瑤琪:我本科就是做信息安全出身的,在新加坡國立大學讀博期間我一直研究的都是互聯網底層協議以及可擴展和隱私保護的分佈式網絡,這些都與區塊鏈底層技術密切相關。開始的時候,區塊鏈技術最讓我興奮的就是他的中本聰共識協議 (Nakamoto Consensus),使用工作量證明和最長鏈原則解決了成千上萬節點達成共識的問題,這在學術界也是開放新的科研難題。


從 2014 年開始,我做 Peer-to-peer Web 相關的研究,與學弟 Loi Luu 和導師 Prateek Saxena 有過很多關於區塊鏈可擴展性和隱私保護的討論。我真正接觸分片技術是在 2015年,當時我的導師 Prateek Saxena 和學弟 Loi Luu 合著發表了題為《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》 [1] 的論文,這是在區塊鏈學術領域有人第一次提出分片的概念。此後,我便在導師的幫助與指導下,同師兄、師弟一道,共同開展了對區塊鏈尤其是分片技術的深入研究。

在成立 Zilliqa 之前,我曾分別擔任國大和 Anquan Capital 公司的研究員,重點研究區塊鏈可擴展性的解決方案及其實現。直至2017年7月,我和師兄心書、Anquan Capital 公司其他專家和前輩一致認為分片技術落地現實、成果可期時,我們共同成立了 Zilliqa 公司,併在2018年第一季度正式推出了 Zilliqa 的 1.0 版公測網,成為全球首個將分片技術落地的區塊鏈專案。

一路走來,我除了不斷加深對區塊鏈的瞭解和認識外,更加感受到區塊鏈是一場前所未有的技術革新,面前既有海闊天高,也有不測之淵,因此推動區塊鏈技術的發展道路漫長、責任重大,我將與 Zilliqa 團隊全體成員一起,共同為更好的區塊鏈世界努力貢獻力量。我個人也會踐行一直以來的夢想: Decentralize the Web in a secure/scalable/incentivized/privacy-preserving manner.


高可用架構:Zilliqa 混合使用了 PoW 以及 PBFT,最近社區中關於 PoW、PoS、DPoS 不同共識演算法的爭論很熱,都覺得自己代表未來,你是如何看待這個問題?

賈瑤琪:PoW 的安全性是經過實踐驗證的,但耗能大、效率低,權益證明和代理人共識協議相對較新,能夠在一個很小的團體內部很快達成共識,但有去中心化程度不足、安全性尚未得到驗證等問題。我認為共識協議都各有自己的優缺點,沒有好壞之分,只是每個機制的設計理念、應用場景不同。

Zilliqa 採用的是 PoW + PBFT 的方案。PoW 在 Zilliqa 中不用於做共識,而是為了抵抗Sybil攻擊並且用來做網絡分片,即僅用於確定礦工的身份。在 Zilliqa 中,所有節點在加入網絡以及每隔一段時間都要做一次 PoW,這樣 PoW 就在更大的間隔上運行,所以 Zilliqa 在使用 PoW 保證安全性的同時也使能源消耗降到最低。


Zilliqa 用 pBFT 來做共識的主要考慮是:

1、它不是計算資源密集型的,比 PoW 耗能少;
2、它可以利用一個小的共識組,因此效率更高;
3、它不像基於 PoW 的共識機制需要至少 6 個確認,由於 pBFT 的共識協議確保不會發生臨時分叉,所以交易具有最終性。

Zilliqa 的 PoW + PBFT 的方案跟前面的幾個是站在不同的角度設計的,我們認為幾種方案可以共生。有關 Zilliqa 共識協議的更詳細介紹,歡迎閱讀我們博客中的專題文章《Zilliqa 的設計構思第2部分:共識協議》[2]。


高可用架構:區塊鏈的性能以及吞吐問題一直大家關註的點,也是 Zilliqa 的標的,能否分享下這個問題的不同的解決方案以及比較?

賈瑤琪:當前,區塊鏈的性能已經不能滿足大家的使用需求,所以在安全和去中心化的基礎上不斷提高區塊鏈的吞吐量和可擴展性已成為所有專案面臨的共同挑戰。目前已有的解決方案主要有:

一是增加區塊的大小。例如在比特幣中一個區塊大小約有1MB,去年底的 SegWit2x 曾將區塊大小提高到2MB以提高吞吐量,但Bitcoin Core 最終出於對安全性和其他因素的考慮取消了 SegWit2x 硬分叉。由於計算性能及帶寬的限制,區塊大小在提升到一定程度後,礦工難以在短時間內難以完成全網廣播,可能導致整個網絡不能正常運行,因此這個方案僅能非常有限地提升吞吐量。

二是鏈下交易。如比特幣的閃電網絡(Lightning Network)、以太坊的 Raiden Network 等。在這些方案中,用戶可以提前支付一些以太坊或比特幣作為押金,之後在鏈下與他人進行交易,交易結束後進行總的結算,最終將結算結果放在區塊鏈上。這種方式可以大幅度提升系統的吞吐量,達到每秒上萬甚至更高的交易數,但不足之處在於鏈下交易失去了開放性、透明性的優勢,相當於做了客戶端服務器的一個終端,並且沒有那麼多節點進行行為監督,也就少了去中心化的優勢。

三是代理人共識協議解決方案。即所有礦工通過權益證明或官方驗證等方式選舉出一定數量的代理人,選出的代理人就產生區塊達成共識,之後廣播給整個網絡從而達成整個網絡的共識。正如上個問題說到的那樣,這個方案的好處是共識是在很小的團體內部達成的因此速度較快,但相較比特幣、以太坊即共識由成千上萬節點共同決策而言,這一方案容易被質疑去中心化和安全性不足。此外,因為這一小部分的代理人節點可能是由同一個利益團體選出來的,他們是否能代表絕大多數人的利益尚待考證。

Zilliqa 實現高吞吐量和可擴展的解決方案為分片技術(sharding)。

分片受傳統資料庫分片概念的啟發,就像資料庫被切分成幾部分放置在不同的服務器上一樣,在公有區塊鏈中,交易被劃歸到不同的分片(shard)上同時進行處理,也就是說每個節點只處理整個網絡中一小部分的交易,並且這個處理過程是與整個網絡中的其他節點同時進行的。這就意味著,加入網絡的節點越多,分片的數量也越多,整個網絡能夠同時處理的交易也越多。

在所有的鏈上擴展解決方案中,分片技術是獨一無二的,因為它帶來的擴展是橫向的,即網絡吞吐量隨著礦工節點數量的增加而增長,這是其他解決方案不具備的特性。正是因為分片的這種特性,再加上它是鏈上的、任意節點都可以加入的、去中心化的,分片技術很可能成為推動區塊鏈技術迅速普及的理想動力。

今年3月初,Vitalik 曾攜他的團隊到 Zilliqa 與我們的團隊共同討論了分片技術面臨的挑戰和解決方法,我們都十分贊同分片是當前通往區塊鏈可擴展的重要途徑。前些天,Vitalik 在發表“分片即將來臨(Sharding is coming.)”的狀態時也在留言中表示,Ethereum 和 Zilliqa 都應該建好自己的生態系統,未來尋找合作的方法,Zilliqa 的 CEO Xinshu 也轉推了這個留言並表示,分片技術面臨挑戰,最好共同努力解決。

有關 Zilliqa 分片技術的更詳細介紹,歡迎閱讀我們博客中的專題文章《Zilliqa 的設計構思第 1 部分:網絡分片》[3] 。此外,我曾在 Vitalik 創辦的《比特雜誌》中發表過專題文章《Op Ed: The Many Faces of Sharding for Blockchain Scalability》[4] 介紹當前分片技術的分類和各自之間的不同,也歡迎查看,希望有助於大家增加對各種分片技術的瞭解。


我認為,無論是分片還是以上提到的幾種不同的方案都各有特色,是可以共生的甚至有一些還是可以相互結合的,Zilliqa 將繼續致力於研究和完善分片技術,推動區塊鏈的長遠發展。


高可用架構:你原來的研究方向是可擴展和隱私保護的分佈式網絡,區塊鏈在隱私保護領域,遇到的挑戰以及主要解決方案是什麼?有什麼最近的理論或者實踐進展可以給大家分享的嗎?

賈瑤琪:雖然說 Zilliqa 當前主打通過分片技術提高區塊鏈的可擴展性,但我們也十分重視區塊鏈的互通性和隱私保護,我們已有計劃在未來通過多種途徑改進和提高區塊鏈在互通性和隱私保護方面的技術。我認為隱私保護的需要主要出現在以下幾種情況:

一是當用戶希望隱藏交易發送方、接收方和交易數額時;
二是隱藏用於呼叫智慧合約的資料時;
三是隱藏智慧合約迴路(circuit)本身時。

對於這三種不同的情況,Zilliqa目前的解決方法是:

  • 對於情況一,我們可以使用類似 Monero 的隱私保護(基於匿名集大小的環簽名)或者像 ZCash 使用 Snarks;

  • 對於情況二,我們有計劃使用諸如保密函式計算 (secure function evaluation) 和 ZkSnark 等密碼方案;

  • 對於情況三,我們將不得不探索隱私保護函式計算 (private function evaluation)。當前,我們還沒有確定最終的、具體的計劃,我們將分階段按計劃提高隱私保護性能。

上述提到的一和二解決方法相對比較容易做,因為現在已經有使用這些技術和方式的專案存在了,而解決方法三則更為複雜,可能需要更多的學術研究和實踐檢驗。當前,已有一些學術文獻中就解決方法三有初始想法,但許多基本假設仍需要仔細檢查。此外,現有的一些對情況三的解決方法,還需要運行合約的各方和援引它的一方之間的交互。所以我更願意說,解決區塊鏈隱私保護的挑戰並不是一朝一夕的事情,而是需要付出持續的、長久的心血。

高可用架構:區塊鏈的抗量子計算,也是大家關註的一個點。Zilliqa 考慮這個問題了嗎?一般都有哪些解決方案?

賈瑤琪:我們 Zilliqa 團隊一些成員如 Amrit 是密碼學出身的,因此一直十分關註量子計算機的發展。

許多人認為,量子計算機可能是對區塊鏈的威脅,主要原因是其強大的計算能力會使區塊鏈的安全防線,例如數字簽名,變得不再牢固。但是我認為,量子計算機並沒有大家想象的那麼可怕,因為現實的情況是,目前的量子計算機的計算能力還不夠高,並且越往上增加難度越大。比如,實現量子計算還面臨著一項基礎性困難,隨機波動、量子比特的熱能甚至基本的量子物理過程都可能會改變數子比特所處的狀態,對它造成干擾。

而量子計算在發展的同時,密碼學必然也會與時俱進,10年後的量子計算機與現有的區塊鏈密碼體系不可相提並論。目前學術界也在積極研究後量子密碼 (Post-quantum cryptography),已經有不少可以使用的後量子密碼演算法。未來,我們 Zilliqa 還將繼續進行密碼學方面的研究,提高區塊鏈的抗量子計算能力。

高可用架構:作為區塊鏈公鏈專案的技術負責人,你覺得區塊鏈當前主要缺哪方面的技術人才?區塊鏈對技術人來說,會帶來哪些影響和挑戰?

賈瑤琪:我認為區塊鏈領域的技術人才大致上可以分為研究和工程兩個方向。研究型人才對區塊鏈的理念設計(如共識協議)、發展方面、問題解決至關重要,相當於區塊鏈發展的“領路人”;工程型人才對區塊鏈的方案測試、技術實現、問題發現的根本,相當於區塊鏈得以落地的“基石”。這兩種技術性人才來說對區塊鏈的發展都是不可或缺的,區塊鏈當前面臨的耗能高、吞吐量亟待提高、智慧合約安全性有待完善等一系列問題也是所有技術人員的共同挑戰。我希望能有機會與各方面專家和技術人多交流,就當前區塊鏈面臨的挑戰進行深入討論,共同為區塊鏈的發展貢獻力量。

高可用架構:對 GIAC 大會有什麼期望或者寄語?

賈瑤琪:本屆 GIAC 大會群英薈萃、內容豐富,相信將對全球互聯網架構的思想交流和技術發展貢獻重要力量,衷心祝願 GIAC 大會圓滿成功!


相關鏈接


  1. A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains 公有區塊鏈的安全分片協議, http://www.comp.nus.edu.sg/~tsunami/papers/Elastico.pdf

  2. Zilliqa的設計構思第2部分:共識協議,https://blog.zilliqa.com/zilliqa-%E7%9A%84%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%9E%84%E6%80%9D-4ca8a3f61f99

  3. Zilliqa的設計構思第1部分:網絡分片, https://blog.zilliqa.com/zilliqa%E7%9A%84%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%9E%84%E6%80%9D-483839031cf0

  4. Op Ed: The Many Faces of Sharding for Blockchain Scalability,https://bitcoinmagazine.com/articles/op-ed-many-faces-sharding-blockchain-scalability/

本文采訪編輯王淵命,技術原創及架構實踐文章,歡迎通過公眾號選單「聯繫我們」進行投稿。

本期 GIAC 大會上,區塊鏈部分的精彩議題如下:


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