中国科学（英文版）：区块链系统的发展、挑战和趋势展望

摘要

区块链技术作为核心技术自主创新的重要突破口，是新时期国家治理体系和治理能力现代化的重要支撑。其本质是一种全新的分布式基础架构与计算方式，承载着信息共享与价值传递的巨大潜力，担负着构建价值互联网信任体系的使命。本文将从分布式系统演进变革的角度梳理当前制约区块链技术及其应用的核心挑战，介绍新一代区块链系统，并对未来区块链生态系统的发展趋势进行探讨与展望。

该成果“Towards trustworthy blockchain systems in the era of “Internet of value”: development, challenges, and future trends”发表在期刊 Science China Information Sciences, vol. 65, no. 153101, pp. 1-11, May 2022。

论文链接：

http://scis.scichina.com/en/2022/153101.pdf

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引言

区块链技术作为核心技术自主创新的重要突破口，是新时期国家治理体系和治理能力现代化的重要支撑。其本质是一种全新的分布式基础架构与计算方式，能够在多主体“弱信任”环境中有效实现数据一致存储、防篡改可追溯和信任逐级传递，承载着信息共享与价值传递的巨大潜力。区块链通过分布式账本、密码算法来存储验证数据，利用共识协议新增和更新数据，运行智能合约保证逻辑自动执行，被视作“可信价值互联网”的重要基石，助力数字经济发展和社会信用体系建设。

在分布式系统不断发展的历程中，区块链作为一种新型可信分布式系统，引起了工业界和研究界的广泛关注。在2008年金融危机期间，区块链首次作为比特币的底层技术出现。比特币系统由全球大量的参与节点组成，在一个共享账本中验证和记录所有金融交易，允许交易被共同“见证”。在传统的分布式系统中，交易方之间需依赖可信中心机构进行验证，这种模式极易受到单点故障的影响，例如网络攻击或第三方干预。与传统分布式系统不同，区块链技术有望重建公共信任，并以点对点方式进行交易，实现交易的去中心化。《经济学人》杂志2015年10月刊的封面将区块链定义为“信任机器” [1]，它通过新的共识机制改变了传统的中心化信任方式。

区块链作为战略性前沿技术，其应用已由最初的金融延伸至物联网、工业制造、跨境贸易、医疗健康、政务服务等多个领域，成为国际科技竞争的新焦点。以加密货币为代表的“区块链 1.0”时代为高效自动化金融交易提供了希望，而以太坊的发展远远超出了加密货币的范围，以可编程的智能合约开启了“区块链 2.0”新时代。区块链技术的应用正在经历从单一领域向多元化领域的转变：从最早的与加密货币相关的金融，向多元化的行业领域扩展，包括更快、更精简的全球贸易金融、跨境运输和物流、供应链，以及公共医疗保健和电子政务服务的自动化等。

目前，国内外区块链系统和企业级区块链联盟呈现加速发展态势，形成百花齐放的多链开放共存生态。然而，区块链核心技术仍需要五至十年方可产生变革性的影响。现有制约区块链这一新形态分布式系统发展的技术瓶颈主要包括共识算法、网络性能、数据存储、跨链交互等。以跨链交互瓶颈为例，如今在多链应用场景下（包括跨链资产转移、交互认证、分布式协作、跨链数据共享、跨链实时清算、多角色用户身份认证等）多链系统的异构性导致“缺乏互操作性”，不同链之间无法通信或验证信息，这种现象严重影响了用户体验并阻碍行业发展[2-4]。

本文将首先概述分布式系统的发展和区块链技术的基本要素，然后分析解释区块链所面临的挑战，最后对区块链的发展现状和未来趋势进行讨论。

图1  分布式系统的历史演进

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分布式计算范式的历史演变

互联网技术的快速发展、用户及设备市场的规模急剧增加推动着分布式系统的持续演进。图1展示了在分布式系统发展历程中的一些重要里程碑。20世纪80年代，出现了由物理分离的多台计算机通过网络连接形成的分布式系统，共同完成任务或向客户端提供服务或应用程序。集群计算起源于1995年由David Patterson等人开发的伯克利工作站网络（NOW）项目[5]。NOW项目目标是提高虚拟内存和文件系统性能，实现廉价、高可用和可伸缩的文件存储并提供强大的分析处理能力，以满足桌面计算和应用程序需求。

1999年加州大学伯克利分校的计算机科学家 David Gedye发起迄今全球最大的分布式网格计算项目--“搜寻地外智慧”SETI@home，旨在利用公众提供的数百万台个人计算机的闲置算力完成太空射电望远镜信号的计算分析[6]。Globus联盟2002年在全球网格论坛（OGF）提出开放网格服务体系结构（OGSA）以支持可互操作的网格计算[7]。中国教育科研（ChinaGrid）项目[8]旨在为研究和教育提供泛在化、高效可靠的网格服务，主要包括计算网格（e-Science）、信息服务网格（e-Info）和仪器共享网格（e-Instrument）。

2006年亚马逊网络服务（AWS）项目标志着云计算的开启。AWS的最初目标是以web服务的形式向市场提供IT服务和资源。2010年，OpenStack推出开源云操作系统，打造了一个易于实现、大规模部署、标准繁荣统一的云计算管理平台。OpenStack通过各种行业服务提供IaaS解决方案。每个服务都为用户提供一个集成的API，确保用户可以根据自己的需要选择可插拔的服务组件。

伴随2008年比特币诞生，其底层支撑技术——区块链逐渐进入大众视野，并作为新型分布式计算范式成为国际研究和应用的热点技术。2013年底，Vitalik Buterin创建了基于可编程智能合约的以太坊——第二大公有链平台。Linux基金会于2015年发起开源超级账本Hyperledger Fabric项目[10]，目标是共建满足多行业用户需求和信任审查能力的开放平台。作为智能合约项目的典型代表，以太坊和超级账本分别代表区块链的两个重要发展方向：应用于公众的公有链和应用于企业的联盟链。2019年，Facebook宣布发布一种新的基于区块链的数字货币Libra的初始版本。

表1给出了区块链和传统分布式系统之间的比较。最重要的部分是分布式共识协议，其目的是更新和同步区块链网络的数据，被用来确定对抗环境中交易的顺序 (即假设不是每个参与者都是诚实的)。然而，确保数据一致性并非易事，特别是在有不诚实、错误或恶意参与节点的假设下。一般来说，现有的区块链共识协议可以分为两类:基于抽奖和基于投票的协议 [11,12]。前者具有良好的可伸缩性，但性能较差，以工作量证明 (PoW) 为代表。当这种基于抽奖的共识遇到了性能瓶颈时，经典的基于BFT (拜占庭容错) 的共识被引入了区块链。BFT在节点之间做出投票决定，以实现高效率，因此也被称为基于投票的共识。

表1 区块链系统与传统分布式系统对比

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区块链技术面临的主要挑战

现有制约区块链这一新形态分布式系统发展的技术瓶颈主要包括共识算法、网络性能、数据存储及跨链交互等。

共识机制是区块链系统性能和可扩展的首要影响因素。彩票类共识性能严重不足且出块延迟高，例如，比特币每个区块的生成时间在10分钟左右，吞吐量远低于VISA。类BFT共识机制应用于联盟链并提供高性能，例如实用的拜占庭容错 (PBFT）。然而，网络规模的快速增长和动态性使得类BFT共识仍然难以适用于大规模区块链部署。

区块链P2P网络直接影响区块链传输性能。例如，以太坊网络同步区块耗时约10秒。高网络延迟显著降低以太坊共识效率。同时，块广播延迟占用过多的块间隔，导致区块链系统整体性能损失并易受双花攻击。为了优化区块链网络协议，比特币系统采用缩短网络直径的方法，然而带来巨大的重复计算开销。以太坊采用结构化P2P以增加了网络连通性，但需要花费高昂的维护成本。

随着实际区块链系统中用户动态接入、应用规模持续增长以及链上数据存储总量不断增加，底层数据存储方法对区块链的系统性能和可扩展性有着极其重要的影响。以全球用户量最多的公链——比特币为例，当吞吐率TPS（Transaction per second，每秒交易数目）为7的时候，全节点每年存储的数据为50G，而TPS提升至1000的时候，存储开销将高达7500G。随着区块链应用生态不断丰富，区块链系统的链上数据总量将持续增长。由于节点需要从链上下载完整的历史数据，这进一步加剧了存储资源压力。同时，数据的存储成本极其昂贵，例如以太坊存储1MB数据需要花费大约3.76以太币（ETH），即便按目前市价来算，也接近3000元人民币。

跨链交互是区块链向外拓展、链与链之间互联互通的桥梁。随着行业发展，链与链之间交互操作越来越重要。例如，在溯源平台上实现不同溯源场景对不同底层的需求，以及不同溯源系统的交互需求等。跨链机制的缺失导致各区块链陷入单链价值孤岛困境，势必降低区块链社区的活力，从而限制整个区块链生态的发展。因此，亟需研究区块链跨链交互技术以将现有互不相连的区块链孤岛打通，以实现多链信息共享与价值释放。

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近期发展态势

全球区块链市场规模预计将从2020年的30亿美元以惊人的67.3%的年增长率增长到2025年的397亿美元。目前，Github平台上共有71735个关于区块链的开源项目，这个数字会继续快速增长。然而，上述提到的挑战会给企业部署合适的区块链基础设施与上层应用带来技术上的困难和操作上的开销。根据Gartner发布的统计数据，真正以区块链为主导的经济和政府转型还需要五到十年的时间。科技巨头和初创企业通过制定战略来积极参与区块链“游戏规则”的制定与更新。

值得注意的是，区块链现在已经成为一种平台技术，如图2所示，主要分为两种：任何一方都可以参与其中的公有链（不需要信任中心化机构），以及需要对参与者提前进行许可与认证的联盟链。与联盟链相比，公有链是开放的、完全透明的且完全自由的。每个用户都可以自由地读取和添加账本数据。然而，如今人们对联盟链越来越感兴趣，因为它可以通过访问控制机制和加密隐私保护以支持企业级参与者的认证生态系统。

作为区块链的先驱系统，比特币促进了公有链发展的繁荣。由于其较低的交易速率以及资源密集型计算架构，许多可替代的数字货币（又称山寨币）出现了，其使用率不断提高。比如，莱特币 [13] 是比特币的一种替代币种，可以提供更短的区块生成时延以及更快的交易确认速率。为了继续拓展区块链的应用领域，以太坊开启了智能合约赋能的可编程交易模式。结合物联网设备，IOTA [14] 是第一个使用DAG（有向无环图）来作为区块链底层存储模型的项目。IOTA可以并行地处理许多交易，因此促进了系统性能的提升。Conflux [15] 是一个基于DAG的公有链系统，可以为未来去中心化应用（DApps）提供可扩展且安全的共识协议。作为第一个采用分片技术的项目，Zilliqa证明了将分片整合到区块链中的可能性 [16]。然而，目前仍缺乏可以实际应用的公有链系统，可以在提供高性能的同时保证系统的安全性。

图2  主流的公链与联盟链平台

作为公有链的补充，联盟链在具有准入证书的可信联盟之间实现了高效的共识与安全性。几乎所有的联盟链都力图提供一个更友好的用户接口以及低开销的部署手段。特别的是，预先授权的实体的读写权限会受到一定限制。作为先驱的联盟链项目，超级账本（Hyperledger Fabric）可实现20000的高吞吐量，使其在企业应用中具有显著的价值。FISCO-BCOS通过结合以太坊和Hyperledger Fabric的优势特性，成为了开发安全高效的企业级区块链解决方案。它是由80多家金融机构和金融科技公司组成，是一个实用的研究平台 [17]。R3推出的Corda是一个富有竞争力的联盟链平台，涉及全球300多家公司，并革新了多个行业，比如为数字资产市场构建全交易生命周期的解决方案。Hyperchain则充分利用了云平台，可以提供可用性更高、更灵活的区块链服务。蚂蚁金服推出了蚂蚁链（AntChain）[18]，以帮助增强透明度和建立信任，涵盖了跨境汇款、慈善捐赠、农产品追溯等50多个用例。值得注意的是，蚂蚁链允许客户平均每天上传超过1亿的数字资产。Cosmos区块链网络的最终目标是通过IBC（区块链间通信协议）和Tendermint BFT协议创建一个基于区块链的互联网。作为Facebook在2019年推出的明星项目，Libra旨在重塑现有的支付方式。

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未来发展方向

区块链发展阶段已从传统单链独立发展转向多链协作通信的新阶段。新阶段将侧重性能与功能的统一，包括实现多方协作处理、高效安全共识，提供灵活和可扩展的底层存储等。

数据模型从链式发展到图式。目前主流区块链系统的底层数据模型普遍采用链式数据结构，其高昂的计算开销、严重的资源消耗和缓慢的处理速度，已逐渐无法满足动态开放环境的高并发用户接入。为解决传统链式区块链的处理速度无法满足大规模商用的困境，研究者们提出了基于DAG (Directed Acyclic Graph)有向无环图的图式区块链[19]，可并行处理多个交易数据，具有并发处理效率高、验证计算开销低的显著优势，成为区块链领域的重要技术发展趋势。

底层混合存储模型。当前区块链系统的数据结构简单、查询功能单一，亟待进一步丰富以支持高性能分析。混合区块链存储模型可实现高效检索和动态实时更新，形成一种功能丰富、性能优异的区块链数据管理框架[20]。通过设计新型数据集成方法和先进的数据分析有助于确保数据存储以及分析查询可信性。

高速区块链网络。区块链网络需要能够处理大量的事务请求，以满足各种应用程序的性能需求。如今的区块链网络是基于P2P网络协议的，未来将会出现更多的区块链网络体系结构，以改进区块链网络的能力。因此，区块链网络将更加广泛且兼容未来的互联网。通过建立信任、降低风险、降低成本，以及加快交易速度，将会有更多的DApp在区块链网络上构建。

健全的区块链网络监管治理机制。健全有效的监管治理机制对区块链生态系统的健康发展至关重要。以金融科技（FinTech）领域为例，通过构建基于区块链的监管沙盒，形成“事前-事中-事后的全过程监管”可有效防范系统性风险[17]。在2020年全球新冠疫情暴发中，区块链发挥重要的数据监测作用，促进可追溯的防疫物资流通和透明的捐款流通，建立了可靠的传染病疫情报告体系并避免谣言传播。基于人工智能的区块链网络治理模型可以用于持续监控、评估和诊断。

跨链交互形式从“间接”到“直接”。区块链生态由众多具有不同性能和功能需求的区块链系统组成。在现阶段，跨链交互是业界广泛关注的热点。现有“间接”互联的公证人或侧链机制仍存在安全性以及效率不足等问题。因此，多个区块链之间的有效“直接”互联将促进数据和价值在区块链生态系统中自由地流动[21]。

同构向异构不断演进。现有多链系统可支持同构区块链之间的跨链交互。区块链向主流应用技术迈出的关键一步应该是异构融合，即保留各链的特点同时融合优势特征，具有更多的操作类型、功能交互，以满足多样化应用需求。

与新兴IT技术融合共生。目前，区块链逐渐与物联网、云计算等多种底层架构逐步开始融合，成为了创新应用的底层基础设施。例如，区块链与云计算基础设施融合形成的BaaS（blockchain-as-a-service）平台，可以为金融机构提供区块链服务。

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结论

区块链是一种新的分布式计算范式，可以在多实体“弱信任”环境下有效地实现数据存储一致、不可篡改和渐进式信任传递。它继承了传统分布式系统的技术精髓，也面临一系列新挑战，为进一步的技术创新留下了巨大潜力。目前其主要技术瓶颈包括巨大的存储成本、较低的系统性能和缺乏互操作性。区块链的核心技术仍有待突破，距离变革还有五到十年的时间，未来区块链生态系统的发展趋势将迈向新型数据模型、可信联盟及混合跨链交互。

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详细内容请参见：

Hai Jin and Jiang Xiao. Towards Trustworthy Blockchain Systems in the Era of "Internet of Value": Development, Challenges, and Future Trends. In Science China Information Science (SCIS), vol. 65, no. 153101, pp. 1-11, May 2022.