区块链技术的发展趋势

当应用于实际业务时，目前的区块链平台在诸多方面尚存在问题，为了解决这些问题，未来的区块链还需在以下几个方面进一步研究发展：
（１）共识机制．

共识机制目前已经成为了区块链系统性能的关键瓶颈．在基于证明机制的共识算法中，经受多年实践性安全检验的 PoW 机制有着消耗大量计算资源及性能低下的问题．在基于投票机制的共识算法中，有着完善理论证明的PBFT算法面临着广播带来的网络开销过大的问题．如何提高系统吞吐率是共识机制最迫切需要解决的问题，因此，包括在少部分可信节点中选取主节点的共识算法、保证高概率正确性的异步共识算法、基于特定安全性前提并减少网络广播的共识算法、基于可信硬件的共识算法、同时融合PoW与PBFT优势的共识算法在未来都是值得关注的．
 

（２）隐私保护．

因为能够隐藏交易内容，零知识证明和同态加密是最受关注的隐私保护解决方案．零知识证明目前更多被应用于数字货币领域，只有 ZeroCash 和 Hawk 基于零知识证明构建了区块链应用和模型．同态加密算法可抵抗量子计算的攻击，但其运算效率低，距离实际应用尚有较大差距．因此，针对零知识证明、同态加密等隐私保护方案，如何扩大应用领域、提高运算效率、加快应用落地，将会是今后最迫切的研究工作．
 

（３）部分存储．

比特币平台的每个网络节点都全量的存储着所有历史交易数据，这虽然保证了数据的公开性、透明性及系统的高可用性，但也带来数据隐私问题；另外，每个交易都需同步到全网所有节点，也会带来性能问题．所以，很多平台采用了只存储部分交易数据的解决方案．Corda主要应用于对数据隐私要求较高的金融领域，所以从一开始就反对区块链中每个节点存储全部数据，而使数据仅对交易双方及监管可见．Hyperleder Fabric 1.0 的多通道技术从性能和隐私两个角度考虑，使每个通道仅存储与通道节点有关的交易．以太坊 2.0 的分片技术将全网交易数据按片数等分，使得每个分片存储的交易数据尽可能均衡．随着交易量和数据量的剧增，区块链节点由全量存储到部分存储将会成为未来的一个趋势．
 

（４）链外交易．

为了提高交易处理能力，比特币社区提出了增大区块、隔离见证（segregated witness）和闪电网络（lightning network）等扩容方案．当前比特币区块尺寸上限为1 MB，比特币社区提出增大区块尺寸上限至２MB以容纳２倍的交易量．比特币交易的输入脚本包含有发送者的签名数据以证明其拥有该笔比特币，但签名数据仅仅用于矿工挖矿时做交易验证，没有其它额外的用途．隔离见证是将交易中的签名数据移出以减少交易尺寸使区块容纳更多交易．增大区块和隔离见证只是增加了区块容量，无法从根本上改善性能，但闪电网络可达到每秒百万级的交易量．闪电网络是一种提供比特币链外（off-chain）双向快速支付的通道，其提供了高频、小额、立即确认的支付方式，并且具有更好的隐私性和更低的手续费．雷电网络（Raiden network）是根据闪电网络提出的以太坊链外快速支付通道．闪电网络和雷电网络把小额交易放在链外，既实现了高速交易，也减轻了主链压力，主链只处理最终的交易及作为争议仲裁的最后手段．闪电网络和雷电网络是目前提高交易处理能力最有效的方案，未来会有一定的发展空间．
 

（５）多链与侧链．

传统区块链平台的单链设计方案使得系统整体处理能力受限于单个计算节点．多链设计方案可使互不相关的交易实现分片存储和并发执行，不但提高了系统的可扩展性，使全网不再受限于单个节点，而且链间隔离还保证了交易数据的隐私．除了以太坊中的分片、Hyperleder Fabric中的多通道，Monax、Multichain 等区块链平台也提供了自己的多链方案．侧链（sidechain）最初是通过锚定比特币而实现数字资产交易的区块链技术，主要解决比特币平台应用单一、性能受限等问题．侧链是一个独立的区块链，有自己的账本、共识机制、交易类型和智能合约，通过锁定主链上的比特币，可使得相应数量的比特币在侧链上流通．例如，Blockstream 推出的元素链通过与比特币双向锚定，既实现了比特币在主链和侧链间的互转，还提供了智能合约，私密交易等特性．通过为每个应用分别创建一个锚定到主链的侧链，可扩展传统区块链支持多种应用类型．多链与侧链能够解决现有区块链的问题和不足，未来需要进行更多研究。

（６）跨链．

面对数量众多、类型各异的区块链平台，跨链技术可以实现它们之间的互联、互通及互信．以数字资产为例，如果能够打破不同区块链间的壁垒，即可实现各类数字资产的跨链交易，形成融合多种资产的价值互联网．目前较有影响力跨链技术是Polkadot和Cosmos．Polkadot的主干网络被称为中继链（relaychain），其以以太坊为主实现了与各种平行链（parachain）的互连，每个平行链就是一个单独的区块链网络．Polkadot 还以其它公有链为升级目标，最终让以太坊直接可与任何链进
行通讯．Cosmos把不同种类的区块链子网看做Zone，通过主干网络CosmosHub上运行的Inter-Blockchain Communicatioin（IBC）协议实现不同 Zone 之间的互联．Cosmos 专注于实现跨链的数字资产交易，而 Polkadot 则专注于实现通用的跨链通信．跨链技术目前还在研究和试验阶段，但如同 TCP/IP 在当今互联网的地位，未来非常需要对应的方案来实现区块链间的“万链互联”．

（７）区块树和区块图．

区块之间未必要由链表来组织，业界已提出用树和图来组织区块的方案．为了应对出块间隔时间减小带来的分叉问题，以太坊中引入 GHOST 协议，该协议承认叔块使得以太坊区块链实质上成为了树形结构．为了适应于物联网小额支付的场景，IOTA 区块链平台提出使用有向无循环图（DAG）来组织区块的方案Tangle，每块只包含一个交易且至少链接之前的两个区块以表示确认过两个交易，整个图根据结点权重计算最长链并作为主链．未来非常需要在区块树和区块图方面进行更多的研究与实践．
 

 （８）SQL on Blockchain. 

随着区块链系统性能的改善及交易数据的积累，基于区块链的数据分析工作将会成为迫切需求．现有的技术人员更熟悉传统的关系数据库，现有的数据分析工具也基本都基于 SQL 构建，区块链中的区块数据、交易数据及状态数据更趋近于结构化数据．如同Hadoop 编程由Mapredunce转向SQL on Hadoop、Spark 编程由 RDD 转向 SparkSQL 的发展历程一样，主流区块链平台在未来非常需要SQL on Blockchain的查询引擎，从而使现有技术人员能够快速上手，使现有数据分析工具能够无缝接入．

 （９）BlockchainDB． 

类似互联网企业的快速发展催生了一批优秀的 NoSQL 数据库，随着一批去中心、去中介的新互联网应用的出现，未来迫切需要一种从底层到上层都直接支持现有区块链特性的数据库，可称其为 BlockchainDB．参照图１的层次结构可知，BlockchainDB在各层的设计上可完全借鉴数据库领域已有的成果和技术．BlockchainDB在网络层上应该是基于 P2P 协议的，便于实现各种节点的动态加入与退出，从底层网络协议支持去中心化的架构．数据库领域在 P2P 数据库管理方面已有了多年的研究及实际产品，可借鉴其相关成果．Block-chainDB 在共识层上应该支持具有拜占庭容错的共识算法，为了支持公有链、联盟链的不同应用场景，其应该分别提供证明机制、投票机制的共识算法．尽管数据库领域更多采用的是Paxos 、Raft 等CFT 共识算法，但其设计经验仍然值得借鉴．为了便于存储和检索，BlockchainDB在数据层上可直接应用现有数据库的存储与索引技术来处理区块链中的状态数据与索引数据．区块数据和传统数据库的预写式日志非常类似，它们都维护了所有的历史操作记录，都是在表数据之前写入，都是追加形式的写且支持数据重放，只不过预写日志不具备不可篡改性且不支持查询，但预写日志在高速写入等方面的研究可用于区块数据．另外，区块中的交易数据具有可追溯的特性，但不论在基于交易还是基于账户的模型中，目前的追溯查询并不高效，因此可借鉴数据仓库和科学数据管理领域的数据溯源（data provenance）来解决，数据溯源的查询表达具有严格的代数学基础，且可在关系数据库上实现．在智能合约层，智能合约与当前数据库的存储过程类似，其响应外部事件的机制与触发器类似，因此可借鉴存储过程与触发器的设计经验，甚至可以实现类似PL/SQL或 TSQL 编写的智能合约．BlockchainDB 在应用层上应该原生支持 SQL，提供支持访问区块数据、交易数据、状态数据的 SQL 语句，使应用程序获得与访问传统数据库相同的接口，以降低应用开发人员、数据库管理员的学习门槛．由于去中心化的区块链与中心化的传统数据库在体系上的差异，传统数据库相关技术并非可直接应用于BlockchainDB，这就需要根据区块链的特性开展进一步研究。

 

展望

在没有第三方权威机构的中介协调下，区块链在互不了解的交易双方间建立了可靠的信任，去中心化地实现了可信的价值传输，因此区块链被称为价值互联网或第二代互联网．首先，区块链以较低的成本实现了点对点的价值传输，这会冲击到以银行为代表的传统金融机构；其次，区块链的去中心化特性消除了对第三方中介机构的需求，达成了对等的直接交易，实现了真正的共享经济，这将影响到以中介代理为核 心 业 务 的 互 联 网 公 司．最 后，挑 战 与机遇并存，区块链的发展同时会给云计算、大数据及物联网等行业的发展带来更多的想象空间．所以区块链不仅仅是一种新型数据库，也是一场互联网价值革命，将会给众多行业带来深远影响。

本文参考自计算机学报：邵奇峰等：区块链技术：架构及进展