打破區塊鏈不可能三角！2 華人專家論文將登 NSDI 2019 計算機頂會
區塊鏈曾經被形容成一項無所不能的科技，被看好能帶來下一代的價值網際網路。然其自身卻存在著稱為“不可能三角”的技術瓶頸，至今仍遠遠無法施展潛能。 所謂“不可能三角”，就是指區塊鏈網路很難同時兼顧擴充套件性（Scalability）、安全性（Security）、去中心性（Decentralization）這三項要求，至多隻能取其二。
因為區塊鏈必須通過分佈於全世界的成千上萬個計算機節點來提供算力，協助驗證網路交易，以達到不需要一個權威中心也能讓使用者信任的目的。但如此一來，整個網路就很難兼顧擴充套件效能與安全。最早的比特幣區塊鏈和以太坊區塊鏈，歷經多年發展仍效能低下。 過去一兩年許多號稱區塊鏈 3.0 的公鏈專案，都宣稱克服了這一不可能三角，但大體而言，至今尚未出現一個完全具信服力、並廣為接受的解決方案。
不過，一篇由兩名華人專家所撰寫的區塊鏈擴容論文〈Monoxide: Scale Out Blockchain with Asynchronized Consensus Zones〉，提出了 Monoxide 方案，關鍵設計就是通過其創新的“非同步共識組”（Asynchronized Consensus Zones），將區塊鏈效能提升至比特幣的千倍以上，並同時兼顧安全性與去中心化。這一方案獲得計算機頂級學術會議 NSDI 2019 收錄，即將於 2 月底在波士頓正式公開發表。
這是繼 2017 年著名圖靈獎得主、麻省理工學院教授 Silvio Micali 的 AlgoRand 專案登上 SOSP 大會，睽違近兩年再有區塊鏈公鏈論文入選計算機系統頂級會議。
“所謂的不可能三角，只是目前既有區塊鏈專案所歸結出來的一個總結問題，並不能代表區塊鏈技術必然會有這一問題” ，該篇論文主要作者王嘉平近日接受 DT 君專訪時表示。
他進一步解釋，如果從單鏈的前提來講，不可能三角是正確的，單鏈系統確實存在這樣的天生瓶頸。但如果是從單鏈演變至多鏈的前提來看，不可能三角就有了不同的可能性。
王嘉平為微軟總部研究院前主管研究員，專注於分散式系統、計算機圖形學和視覺以及用於機器學習的 GPU 叢集等領域的研究。 離開微軟後，他又在創新工場擔任執行董事，負責區塊鏈和人工智慧等投資方向，曾主導了對位元大陸的首輪機構投資，成為其首輪三大主要投資方之一。
去年他通過個人微信公眾號發表“區塊鏈到底有什麼了不起”、“區塊鏈公鏈如何才能快起來”等一系列文章，闡述他在區塊鏈領域內的經歷，並梳理出為什麼他相信區塊鏈技術是一項了不起的技術，在行業內引發廣大回響。
圖｜ 王嘉平（來源：王嘉平）
王嘉平說，Monoxide 的基礎實現和實驗驗證是在 2018 年夏天就已完成，9 月份時候投稿 NSDI 2019。11 月底就順利收到大會官方通知收錄，比原定時間還早了幾天。
NSDI 的全稱是“Networked Systems Design and Implementation”，與 OSDI 或 SOSP 齊名，是計算機網路系統領域最富盛名的頂級學術會議之一。 此前亦有眾多訴求公鏈效能的區塊鏈團隊，希望能將論文投上這類國際頂會，但幾乎都告失敗。
在今年 NSDI 接受的 49 篇文章中，亦僅有 Monoxide 一篇論文是區塊鏈相關。王嘉平認為，區塊鏈技術相關研究在整個學術界還是非常新興的課題，主流學術力量尚未完全進入到這個領域，而在已進入者中，計算機系統研究者更是少數。而這篇論文在在 NSDI 上發表，也標誌了主流計算機學術界首次對區塊鏈擴容方案相關研究的認可。
他指出，若用計算機體系結構的視角去看待區塊鏈，後者就是一個馮•諾伊曼架構（Von Neumann architecture）的延伸，並將馮•諾伊曼架構的計算架構進一步拓展，使其同特定的物理計算裝置分離，才能從根本上避免計算過程被單一的控制方掌控，讓所有人都可以信賴這個計算系統。
在這篇論文中，王嘉平與汪浩等人提出了一個名為 Monoxide（一氧化物）的區塊鏈擴容方案，經實驗證明在 4.8 萬個全球節點組成的測試環境中，效能可以較比特幣網路高出 1000 倍，從而有望打破不可能三角這個長期困擾區塊鏈效能的瓶頸。
重要的是，其所提出的 Monoxide 方案，具體採用的共識演算法可以是 PoW（工作量證明），也可以是類 BFT（拜占庭容錯）或者 VRF（可驗證隨機函式）。王嘉平對 DT 君表示，他希望未來能通過授權合作的方式，將這一擴容方案與更多區塊鏈專案結合，加速區塊鏈效能的擴充套件。
圖｜ Monoxide 總體設計（來源：王嘉平）
Monoxide 的關鍵設計是“Asynchronized Consensus Zones”（非同步共識組）。非同步是其重要特性，但核心是共識組這個模型。
王嘉平解釋，共識組由多個同質的、功能上完全一致、地位上也完全平等，並邏輯上儘量隔離的獨立共識系統的例項所構成，它們並行工作，分攤全網的吞吐、計算、儲存的壓力，也分攤全網狀態的維護工作。其所提出的共識組包含以下幾個特徵：
- 具備獨立的相對穩定的節點集合，邏輯上不要求一個節點參與到多個共識組。
- 具備獨立的賬簿，承載全網的一部分使用者（組內使用者）。各個共識組的組內使用者沒有交集。
- 具備獨立的非阻塞的出塊過程，各個組之間沒有任何同步的需要（如需要互斥鎖定特定資源）。
- 具備獨立的未確認交易集合，僅有和組內使用者相關的未確認交易會被暫存。
- 具備獨立的出塊候選或競爭機制，礦工僅限於組內競爭，和其他組的礦工無直接競爭關係。
- 具備獨立的 Gossip 網路，完成區塊和未確認交易的廣播，不波及其他共識組的節點。
由此來看，Monoxide 是一個以分片技術（sharding）為基礎的公鏈架構方案。分片技術並非由 Monoxide 獨創，來自新加坡的 Zilliqa 可算是是首個將分片落地的公鏈專案，目前分片已成為區塊鏈擴容的主流取徑之一。
然而既有的分片方案，或多或少都犧牲了安全性或去中心化，還沒有出現令人滿意的解方。而王嘉平強調，好的分片方案，各個分片應該是同質的，在功能上完全一致，地位上也完全平等。因此他提出非同步共識組的模型。
但這會衍生出兩個問題，一是如何保障每個共識組的安全性？一是如何正確且高效地完成跨共識組的交易？
對此 Monoxide 提出了“連弩挖礦”（Chu-ko-nu Mining）和“最終原子性”（Eventual Atomicity）兩個關鍵概念，前者通過協議層的調整，放大網路有效算力，防止算力集中攻擊特定共識組。後者保障了 Monoxide 系統中交易原子性在所有接力交易被確認和執行之後，可以得到滿足。
王嘉平表示，通過設計了這樣的一個系統以及協議，Monoxide 保證其上的跨分片交易可以正確、高效地完成，保證攻擊單個共識組的代價同攻擊整個網路代價相當，也保證了單個執行中的全節點需要承擔的系統壓力不會隨著全網效能的提升而變大。
Monoxide 是否算是真正突破了所謂的區塊鏈不可能三角？王嘉平說，“我認為是。”他強調，雖然還不算完全徹底突破，但是可以說“撕開了一個巨大的口子”。
這個工作，為保證跨片交易得以正確安全地完成，基於當前網際網路頻寬，系統伸縮性大致會止步於百萬 TPS 和幾十萬個共識組的規模。並不能實現無限的伸縮性。但無論如何，非同步共識組仍可輕鬆達成提升 1000 倍效能的目標。
DeepTech 很高興將邀請到王嘉平博士成為我們區塊鏈專欄 DeepHash 的作者，這更是他除了個人公眾號外，首度在媒體上開設專欄。明天他將在首篇專欄文章中，進一步解釋 Monoxide 究竟是如何具體突破區塊鏈不可能三角的，包含其研究中提出的“連弩挖礦”與“最終原子性”兩個重要創新。