中国学者首次在NSDI发表区块链论文,打破区块链“不可能三角”瓶颈

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  如果火车站的售票大厅只有一个售票窗口,所有前来买票的人全部要在这个窗口外排队,那么这个售票大厅的卖票速度可想而知,在单位时间内卖出的车票数量将非常有限。

  此前的区块链网络处理任务的进程,就面临这样的尴尬。受到“不可能三角”的制约,早期的区块链网络通常是单链形式,为了兼顾安全性与去中心化,不得不作出性能方面的牺牲,使得区块链技术在处理任务时,“只有一个窗口卖票”,性能亟待提升。

  近日,中科院计算所博士、创新工场人工智能研究院副院长王嘉平等人提出的高性能区块链系统Monoxide模型,打破了这一瓶颈,在尽量不引入额外的实体和机制的前提下,可同时满足安全、高性能和去中心化的三角特性,使区块链横向扩展1000倍以上,从而使数据吞吐量提升1000倍以上。相关论文发表在不久前的2019年NSDI(网络系统设计与实现)国际会议上。

  

  王嘉平 图源:网络

  “不可能三角”

  区块链由“数据块”和“链条”组成,是一种分布式记账底层技术。一般认为,区块链具有去中心化、高安全性等核心优点,可以完美解决共享经济发展过程中的信息不对称、交易成本高、陌生人信任等难题。

  因此,区块链被认为是最具潜力的颠覆性技术之一。根据目前的研究,区块链技术可以应用在数字货币发行与交易、跨境支付与转账、智能合约、供应链溯源等领域。

  不过,处于高速发展中的区块链技术却长期面临着一个著名的“不可能三角”技术瓶颈。区块链“不可能三角”也称“三元悖论”,指区块链网络模型无论采用哪种共识机制来决定新区块的生成方式,都无法同时兼顾性能、安全、去中心化这三项要求,只能满足其中两项而牺牲另外一项,最多三者取其二。

  王嘉平告诉《中国科学报》,受到“不可能三角”的制约,早期的区块链网络通常是单链形式,为了兼顾安全性与去中心化,不得不作出性能方面的牺牲。

  也正是因为这个瓶颈,区块链技术至今仍然无法在各领域内发挥出它的全部潜能。

  “多个窗口卖不同的票”

  而王嘉平等人提出的高性能区块链系统Monoxide模型,则打破了这一瓶颈,可同时满足安全、高性能和去中心化的需求。

  “首先,是用多链取代单链。”王嘉平说。换言之,就是为售票大厅增设窗口。

  事实上,此前也有一些研究尝试在区块链中采取多链模型。但此前研究者提出的多链,都是孤立工作、无法协同的,无法真正发挥“多链”的潜能。

  这可以理解为,售票大厅增设了多个窗口,但是一个窗口只能卖一个目的地的票。这仍将导致前来买票的人在“不对应”的窗口无法成功买票,而是需要根据目的地去对应的窗口买票。

  这意味着,同一时间内,有些窗口前会排起长队,而有些窗口前可能空无一人。整个售票大厅在单位时间内卖出的车票数量仍然有限,卖票效率仍有很大的提升空间。

  其次,是让多链系统协同发挥作用。

  “Monoxide模型是一个并发的多链系统,每一个链称为‘共识组’。”王嘉平介绍。具体来讲,共识组是由多个同质的、功能上完全一致、地位上也完全平等,逻辑上尽量隔离的独立共识系统的实例所构成,它们并行工作,分摊全网的数据吞吐、计算、存储的压力,分摊全网状态的维护工作。

  由于共识组之间完全并行、异步,所以即便某一个共识组发生拥塞,也不会干扰其它共识组的数据吞吐和产出新数据块。

  如此一来,“去往不同目的地的人,无论在哪个窗口都可以直接买票,不同窗口的售票员会在后台协同发挥作用,使单位时间内卖出的车票数量最大化。”

  反应在计算性能上面,区块链的数据吞吐量和容量将有大幅提升,即单位时间每个窗口卖出的票数与单位时间售票大厅容纳的人数明显增加。

  为了验证Monoxide模型的可行性,王嘉平等人在由4.8万个全球节点组成的真实环境中进行了测试。实验证明,Monoxide模型可以将一个现有的单链共识算法,横向扩展1000倍以上,从而使数据吞吐量提升1000倍以上,同时也将全网计算能力(CPU)提升2000倍以上。

  “理论上,横向扩展的倍数上限甚至能够达到10万量级。”王嘉平说。

  推动模型落地应用

  据了解,该论文的两名作者王嘉平博士与汪浩博士,均毕业于中国科院计算所。

  王嘉平曾先后就任微软研究院研究员及主管研究员。多年连续在国际图形学顶级会议ACM SIGGRAPH发表最新研究成果,拥有美国专利十余项。入职创新工场后,王嘉平涉足投资领域,投资方向为区块链和人工智能,曾主导了对比特大陆的首轮机构投资。

  去年12月,计算机网络顶级学术会议NSDI宣布录用由王嘉平及汪浩撰写的区块链研究论文。不久前,2019年NSDI会议正式发布了该论文。据悉,NSDI是USENIX组织开办的关于网络系统设计的著名会议,虽然历史很短,但由于其强调系统、实用、跨学科的特点,广受计算机学者关注。

  一直以来,NSDI以重视文章质量著称,采用严格的双盲评审,每篇文章都要经过两轮总计六到八个审稿人审阅,之后还需经过程序委员会的讨论筛选。通常,每届会议录用20多篇论文,录取率仅在25%左右。

  王嘉平等人的论文入选2019年NSDI国际会议,是该会议今年录取的唯一一篇与区块链相关的论文,也是中国在区块链领域入选该会议的第一篇文章。

  一直以来,区块链技术的应用与普及都备受关注。由于区块链技术在效率提升、安全保护等方面存在巨大潜能,越来越多的行业开始认识到区块链的力量并逐步尝试落地。而Monoxide模型的提出,则让区块链技术向实际落地应用又迈进了一步。

  王嘉平透露,2019年8月,Monoxide将上线测试网络,供开发者做技术评估。这将赋能金融支付、医疗卫生、智慧城市等实际场景。

  据悉,创新工场也将与中科院计算所展开更深入的技术和产业合作,促进区块链技术更好地落地应用。

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