区块链隐私保护、体系结构与智能合约研究

区块链隐私保护是为了解决公开的交易信息带 来的账户隐私泄漏问题。目前主要通过直接或间接 隐藏用户关键信息来实现，典型的隐私保护技术包 括：混币技术（CoinJoin）、隐秘地址（Stealth Address）、环签名技术（Ring Signature）[5] 以及 zkSNARKs 零知识证明算法 [6]。

混币技术、隐秘地址以及环签名技术只是间 接隐藏交易涉及的关键信息，在可靠性方面存在不 足；zk-SNARKs 零知识证明算法虽然属于直接隐藏 信息，但是其具有“可信赖的公共参数”以及效率 低下的问题。同时，量子计算的不断发展对隐私保 护研究提出了新的要求，而这些典型的隐私保护技 术都不具备抗量子攻击能力。新提出的 zk-STARKs 零知识证明算法完全依赖散列和信息理论，解决了 zk-SNARK“可信赖的设置”问题并具备抗量子攻击 的能力，但是该研究处于早期阶段，技术还不成熟且 存在证据过大等缺点。因此，设计既能保证高效安全， 还能保证交易关键信息隐藏与交易有效性验证的技 术方案依然是未来区块链研究面临的主要技术挑战。

区块链体系结构是区块链系统运行的基础，但 随着用户数量、系统规模的不断增加，其吞吐量低、 交易确认时间长、共识节点接入速度慢、存储资源 浪费等问题愈发突出，严重影响用户使用与行业拓 展。近几年，工业界和学术界从区块链结构设计等 方面开展了一些初步的研究工作。

并行化架构：区块链分片技术（Sharding）采 用并行化思想，将用户划分到不同的网络分片内， 并行处理不相交的交易集合，进而提升整体性能， 但处理涉及不同分片的交易时，需要经过复杂的跨 分片通信，开销很大。Plasma 则通过利用侧链层次 树划分整个网络，用“分治”来扩大交易规模。

链上、链下协同架构：闪电网络（Lightning Network）以类比特币区块链为基础，提出将交易 过程尽可能放在链下，进行链下快速交易，而链上 交易仅用于担保与结算。本质上，闪电网络并没有 提升链上交易性能，并且链下交易环节未存储到区 块链中，会影响交易的可追溯性。雷电网络（Raiden Network）作为“以太坊版本”的闪电网络，可与 Sharding、Plasma 结合，进一步提升交易处理能力。

并行化、链上链下协同等新型架构为解决区块 链的性能和资源占用问题提供了新的研究方向，但 是这些研究工作目前还处于相对早期的阶段，很多 具体的问题如并行化架构的合理分片、跨片通信、链上链下协同的去中心化、可追溯等问题还缺少高 效的算法和机制。

Nick Szabo 于 1996 年首次提出了智能合约的 概念：一个智能合约是一套以数字形式定义的约定，包括合约参与方可以在上面执行这些约定的协 议。区块链为智能合约提供了一个去中心化、不可 篡改、公开透明的运行环境，使得智能合约无需信 任第三方即可根据预设合约协议自动执行。目前针 对智能合约的研究主要围绕智能合约虚拟机、智能 合约升级、链下数据可信喂养等方面展开。

智能合约虚拟机可以分为两大类：自主可控的 虚拟机，如以太坊虚拟机（EVM）；使用现有成熟 的编译运行环境的虚拟机，如 Java 虚拟机（JVM）。使用现有成熟编译运行环境的虚拟机运行效率较 高，但不可控因素较多，而 EVM 等自主可控的虚 拟机当前的运行效率还存在较大问题。目前的研究 工作主要有 Solidity 编译器的优化、适合智能合约 的 Web 程序集（WASM）执行环境研发等，上述工 作均处于早期研究阶段。

智能合约是现实世界契约的计算机化交易协 议，在智能合约的开发过程中，开发者无法将所有 情况考虑在内，当链上的智能合约没有按照预期运 行时，就需要升级智能合约，并且对智能合约的行 为作出解释。Corda 提出将合约法律文本与代码结 合存储于链上，当合约代码发生未预期的行为时以 法律文本为准，但仍缺乏代码可升级的灵活性，因 此一套可升级且可解释的智能合约完整方案是智能 合约大规模应用的关键所在。

智能合约存在于区块链空间，与链下真实世界 活动相关联是其大规模应用的前提。Oraclize 将智 能合约与 Web API 通过加密证明链接起来，使得智 能合约无需额外的信任，即可获得现实世界的真实 活动数据；IC3 提出可信数据喂养系统 Town Crier （TC），通过英特尔最新可信硬件 SGX 向智能合约 提供认证可信以及机密性数据。然而，现有的可信 数据喂养解决方案灵活性较差，如 Oraclize 需要将 整个 https 请求响应返回并且依赖于链下的中心化 服务器，TC 无法支持代码的更新，需要研究新型 灵活、可信的数据喂养方案以满足智能合约对链外 数据的喂养需求。