區(qū)塊鏈曾經(jīng)被形容成一項(xiàng)無所不能的科技，被看好能帶來下一代的價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)。然其自身卻存在著稱為“不可能三角”的技術(shù)瓶頸，至今仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法施展?jié)撃?。所謂“不可能三角”，就是指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)很難同時(shí)兼顧擴(kuò)展性（Scalability）、安全性（Security）、去中心性（Decentralization）這三項(xiàng)要求，至多只能取其二。

因?yàn)閰^(qū)塊鏈必須通過分布于全世界的成千上萬個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)來提供算力，協(xié)助驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)交易，以達(dá)到不需要一個(gè)權(quán)威中心也能讓使用者信任的目的。但如此一來，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就很難兼顧擴(kuò)展性能與安全。最早的比特幣區(qū)塊鏈和以太坊區(qū)塊鏈，歷經(jīng)多年發(fā)展仍性能低下。過去一兩年許多號(hào)稱區(qū)塊鏈 3.0 的公鏈項(xiàng)目，都宣稱克服了這一不可能三角，但大體而言，至今尚未出現(xiàn)一個(gè)完全具信服力、并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(qū)塊鏈擴(kuò)容論文〈Monoxide: Scale Out Blockchain with Asynchronized Consensus Zones〉，提出了 Monoxide 方案，關(guān)鍵設(shè)計(jì)就是通過其創(chuàng)新的“異步共識(shí)組”（Asynchronized Consensus Zones），將區(qū)塊鏈性能提升至比特幣的千倍以上，并同時(shí)兼顧安全性與去中心化。這一方案獲得計(jì)算機(jī)頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議 NSDI 2019 收錄，即將于 2 月底在波士頓正式公開發(fā)表。

這是繼 2017 年著名圖靈獎(jiǎng)得主、麻省理工學(xué)院教授 Silvio Micali 的 AlgoRand 項(xiàng)目登上 SOSP 大會(huì)，睽違近兩年再有區(qū)塊鏈公鏈論文入選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)頂級(jí)會(huì)議。

“所謂的不可能三角，只是目前既有區(qū)塊鏈項(xiàng)目所歸結(jié)出來的一個(gè)總結(jié)問題，并不能代表區(qū)塊鏈技術(shù)必然會(huì)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(shí)表示。

他進(jìn)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(tǒng)確實(shí)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，專注于分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺以及用于機(jī)器學(xué)習(xí)的 GPU 集群等領(lǐng)域的研究。離開微軟后，他又在創(chuàng)新工場(chǎng)擔(dān)任執(zhí)行董事，負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈和人工智能等投資方向，曾主導(dǎo)了對(duì)比特大陸的首輪機(jī)構(gòu)投資，成為其首輪三大主要投資方之一。

去年他通過個(gè)人微信公眾號(hào)發(fā)表“區(qū)塊鏈到底有什么了不起”、“區(qū)塊鏈公鏈如何才能快起來”等一系列文章，闡述他在區(qū)塊鏈領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)歷，并梳理出為什么他相信區(qū)塊鏈技術(shù)是一項(xiàng)了不起的技術(shù)，在行業(yè)內(nèi)引發(fā)廣大回響。

圖｜王嘉平（來源：王嘉平）

王嘉平說，Monoxide 的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是在 2018 年夏天就已完成，9 月份時(shí)候投稿 NSDI 2019。11 月底就順利收到大會(huì)官方通知收錄，比原定時(shí)間還早了幾天。

NSDI 的全稱是“Networked Systems Design and Implementation”，與 OSDI 或 SOSP 齊名，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)領(lǐng)域最富盛名的頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議之一。此前亦有眾多訴求公鏈性能的區(qū)塊鏈團(tuán)隊(duì)，希望能將論文投上這類國際頂會(huì)，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(qū)塊鏈相關(guān)。王嘉平認(rèn)為，區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)研究在整個(gè)學(xué)術(shù)界還是非常新興的課題，主流學(xué)術(shù)力量尚未完全進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域，而在已進(jìn)入者中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究者更是少數(shù)。而這篇論文在在 NSDI 上發(fā)表，也標(biāo)志了主流計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)界首次對(duì)區(qū)塊鏈擴(kuò)容方案相關(guān)研究的認(rèn)可。

他指出，若用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的視角去看待區(qū)塊鏈，后者就是一個(gè)馮?諾伊曼架構(gòu)（Von Neumann architecture）的延伸，并將馮?諾伊曼架構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)進(jìn)一步拓展，使其同特定的物理計(jì)算設(shè)備分離，才能從根本上避免計(jì)算過程被單一的控制方掌控，讓所有人都可以信賴這個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。

在這篇論文中，王嘉平與汪浩等人提出了一個(gè)名為 Monoxide（一氧化物）的區(qū)塊鏈擴(kuò)容方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明在 4.8 萬個(gè)全球節(jié)點(diǎn)組成的測(cè)試環(huán)境中，性能可以較比特幣網(wǎng)絡(luò)高出 1000 倍，從而有望打破不可能三角這個(gè)長期困擾區(qū)塊鏈性能的瓶頸。

重要的是，其所提出的 Monoxide 方案，具體采用的共識(shí)算法可以是 PoW（工作量證明），也可以是類 BFT（拜占庭容錯(cuò)）或者 VRF（可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)）。王嘉平對(duì) DT 君表示，他希望未來能通過授權(quán)合作的方式，將這一擴(kuò)容方案與更多區(qū)塊鏈項(xiàng)目結(jié)合，加速區(qū)塊鏈性能的擴(kuò)展。

圖｜ Monoxide 總體設(shè)計(jì)（來源：王嘉平）

Monoxide 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)是“Asynchronized Consensus Zones”（異步共識(shí)組）。異步是其重要特性，但核心是共識(shí)組這個(gè)模型。

王嘉平解釋，共識(shí)組由多個(gè)同質(zhì)的、功能上完全一致、地位上也完全平等，并邏輯上盡量隔離的獨(dú)立共識(shí)系統(tǒng)的實(shí)例所構(gòu)成，它們并行工作，分?jǐn)側(cè)W(wǎng)的吞吐、計(jì)算、存儲(chǔ)的壓力，也分?jǐn)側(cè)W(wǎng)狀態(tài)的維護(hù)工作。其所提出的共識(shí)組包含以下幾個(gè)特征：

具備獨(dú)立的相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)集合，邏輯上不要求一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與到多個(gè)共識(shí)組。

具備獨(dú)立的賬簿，承載全網(wǎng)的一部分用戶（組內(nèi)用戶）。各個(gè)共識(shí)組的組內(nèi)用戶沒有交集。

具備獨(dú)立的非阻塞的出塊過程，各個(gè)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(dú)立的未確認(rèn)交易集合，僅有和組內(nèi)用戶相關(guān)的未確認(rèn)交易會(huì)被暫存。

具備獨(dú)立的出塊候選或競(jìng)爭機(jī)制，礦工僅限于組內(nèi)競(jìng)爭，和其他組的礦工無直接競(jìng)爭關(guān)系。

具備獨(dú)立的 Gossip 網(wǎng)絡(luò)，完成區(qū)塊和未確認(rèn)交易的廣播，不波及其他共識(shí)組的節(jié)點(diǎn)。

由此來看，Monoxide 是一個(gè)以分片技術(shù)（sharding）為基礎(chǔ)的公鏈架構(gòu)方案。分片技術(shù)并非由 Monoxide 獨(dú)創(chuàng)，來自新加坡的 Zilliqa 可算是是首個(gè)將分片落地的公鏈項(xiàng)目，目前分片已成為區(qū)塊鏈擴(kuò)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(xiàn)令人滿意的解方。而王嘉平強(qiáng)調(diào)，好的分片方案，各個(gè)分片應(yīng)該是同質(zhì)的，在功能上完全一致，地位上也完全平等。因此他提出異步共識(shí)組的模型。

但這會(huì)衍生出兩個(gè)問題，一是如何保障每個(gè)共識(shí)組的安全性？一是如何正確且高效地完成跨共識(shí)組的交易？

對(duì)此 Monoxide 提出了“連弩挖礦”（Chu-ko-nu Mining）和“最終原子性”（Eventual Atomicity）兩個(gè)關(guān)鍵概念，前者通過協(xié)議層的調(diào)整，放大網(wǎng)絡(luò)有效算力，防止算力集中攻擊特定共識(shí)組。后者保障了 Monoxide 系統(tǒng)中交易原子性在所有接力交易被確認(rèn)和執(zhí)行之后，可以得到滿足。

王嘉平表示，通過設(shè)計(jì)了這樣的一個(gè)系統(tǒng)以及協(xié)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(gè)共識(shí)組的代價(jià)同攻擊整個(gè)網(wǎng)絡(luò)代價(jià)相當(dāng)，也保證了單個(gè)運(yùn)行中的全節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)的系統(tǒng)壓力不會(huì)隨著全網(wǎng)性能的提升而變大。

Monoxide 是否算是真正突破了所謂的區(qū)塊鏈不可能三角？王嘉平說，“我認(rèn)為是?！彼麖?qiáng)調(diào)，雖然還不算完全徹底突破，但是可以說“撕開了一個(gè)巨大的口子”。

這個(gè)工作，為保證跨片交易得以正確安全地完成，基于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)帶寬，系統(tǒng)伸縮性大致會(huì)止步于百萬 TPS 和幾十萬個(gè)共識(shí)組的規(guī)模。并不能實(shí)現(xiàn)無限的伸縮性。但無論如何，異步共識(shí)組仍可輕松達(dá)成提升 1000 倍性能的目標(biāo)。

DeepTech 很高興將邀請(qǐng)到王嘉平博士成為我們區(qū)塊鏈專欄 DeepHash 的作者，這更是他除了個(gè)人公眾號(hào)外，首度在媒體上開設(shè)專欄。明天他將在首篇專欄文章中，進(jìn)一步解釋 Monoxide 究竟是如何具體突破區(qū)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(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新。