一、前言
區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N把區(qū)塊以鏈的方式組合在一起的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)區(qū)塊通過(guò)散列的方式與上一個(gè)區(qū)塊相連，實(shí)現(xiàn)了可追溯；同時(shí)，用密碼學(xué)保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和不可偽造。每一個(gè)區(qū)塊的生成，都是參與者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)交易記錄的事件順序和當(dāng)前狀態(tài)建立的共識(shí)。每一個(gè)參與者都可以參與數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)，都可以擁有整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的備份，從而在沒(méi)有中央控制節(jié)點(diǎn)的情況下，使用分布式集體運(yùn)作的方法，構(gòu)建了一個(gè)分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、分布式、去信任、數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯等諸多優(yōu)點(diǎn)。
區(qū)塊鏈技術(shù)起源于化名為“中本聰（SatoshiNakamoto）”的學(xué)者在2008年發(fā)表的奠基性論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》。作為比特幣的底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本技術(shù)（DLT），由于其具有分布式、去信任、不可篡改等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)被認(rèn)為是構(gòu)建未來(lái)“信任互聯(lián)網(wǎng)”“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”的支撐性技術(shù)，已成為全球創(chuàng)新領(lǐng)域最受關(guān)注的話題，受到投資界、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及政府部門(mén)的熱烈追捧。雖然各國(guó)政府對(duì)比特幣和各種虛擬幣的態(tài)度各不相同，但對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)大多持積極的態(tài)度。
近年來(lái)，聯(lián)合國(guó)、國(guó)際貨幣基金組織等機(jī)構(gòu)以及多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家先后發(fā)布了有關(guān)區(qū)塊鏈的系列報(bào)告，探索區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用。當(dāng)前，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超越了金融領(lǐng)域，并逐步在供應(yīng)鏈、征信、身份認(rèn)證、公益慈善、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展開(kāi)實(shí)踐。創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般涌現(xiàn)，烏鎮(zhèn)智庫(kù)2017年發(fā)布的《區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》指出，自2012年以來(lái)，全球區(qū)塊鏈企業(yè)數(shù)量以超過(guò)65.2%的復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。一種樂(lè)觀的預(yù)測(cè)認(rèn)為，到2025年之前，全球GDP總量的10%將利用區(qū)塊鏈技術(shù)儲(chǔ)存。據(jù)數(shù)字市場(chǎng)漫記（DMR）估計(jì)，到2024年，區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到200億美元。
二、國(guó)內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀
作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)源地，美國(guó)在區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用上投入巨大。2017年，美國(guó)至少有8個(gè)州提出和研究了提升區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的法案。2018年2月，美國(guó)眾議院連續(xù)兩次召開(kāi)區(qū)塊鏈聽(tīng)證會(huì)，探討區(qū)塊鏈技術(shù)的新應(yīng)用。美國(guó)國(guó)務(wù)院強(qiáng)調(diào)通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)提高透明度，可以解決腐敗、欺詐或挪用公共采購(gòu)資金的問(wèn)題。美國(guó)財(cái)政部正在進(jìn)行試點(diǎn)計(jì)劃，以確定區(qū)塊鏈技術(shù)是否可以用于供應(yīng)鏈管理，還采取了措施來(lái)改善針對(duì)基于區(qū)塊鏈加密貨幣的“反洗錢(qián)/打擊恐怖主義融資（AML/CFT）”的相關(guān)法律，并與金融機(jī)構(gòu)形成公私合作關(guān)系（PPPs）以共享信息。佛蒙特州的南柏林頓市將試用區(qū)塊鏈技術(shù)，記錄房產(chǎn)交易。加利福尼亞州立法者已經(jīng)提交了一項(xiàng)法案，如果能夠順利通過(guò)，那么該州的電子記錄法律將會(huì)認(rèn)可區(qū)塊鏈簽名和智能合約。紐約州電力公司TransActive Grid提出了基于區(qū)塊鏈的P2P分布式微電網(wǎng)絡(luò)的新能源概念，通過(guò)區(qū)塊鏈建立微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，提高清潔能源利用率，在區(qū)塊鏈上記錄剩余的電量并通過(guò)智能合約賣給鄰居用戶。
2016年1月，英國(guó)政府發(fā)布了一份名為《分布式賬本技術(shù)：超越區(qū)塊鏈》的報(bào)告。報(bào)告指出，區(qū)塊鏈技術(shù)在改變公共和私人服務(wù)領(lǐng)域都有著巨大的潛力。除了創(chuàng)建一個(gè)基于區(qū)塊鏈的公共平臺(tái)為全民和社會(huì)提供服務(wù)，英國(guó)政府還計(jì)劃開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠在政府和公共機(jī)構(gòu)之間使用的應(yīng)用系統(tǒng)。日本政府則大力支持區(qū)塊鏈和數(shù)字貨幣行業(yè)，建立了首個(gè)區(qū)塊鏈行業(yè)組織——日本區(qū)塊鏈協(xié)會(huì)（JBA）與區(qū)塊鏈合作聯(lián)盟。俄羅斯正在大力推動(dòng)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，俄羅斯最大的銀行Sberbank與政府合作，用區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)移和保存文件，成為區(qū)塊鏈真實(shí)的應(yīng)用案例。加拿大有一個(gè)龐大的區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)社區(qū)，匯集了包括以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterin在內(nèi)的一大批區(qū)塊鏈頂級(jí)人才。加拿大證券管理委員會(huì)（CSA）日前主動(dòng)地推出了新的“Fintech沙箱（SandBox）”計(jì)劃，以促進(jìn)加拿大區(qū)塊鏈行業(yè)的發(fā)展。
區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)源于開(kāi)源社區(qū)，并在社區(qū)中發(fā)展壯大，此后逐漸受到金融機(jī)構(gòu)、IT巨頭等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。例如，以比特幣、以太坊為代表的開(kāi)源項(xiàng)目主要以公有鏈為主，打造了區(qū)塊鏈公共平臺(tái)；Linux基金會(huì)于2015年發(fā)起的超級(jí)賬本項(xiàng)目（Hyperledger）則偏重于研究聯(lián)盟鏈技術(shù)。同時(shí)，IBM、微軟Azure、AWS等互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際巨頭企業(yè)正在極力打造支持區(qū)塊鏈應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，區(qū)塊鏈即服務(wù)（Blockchain as a Serveice，BaaS）。
2016年以來(lái)，我國(guó)政府也通過(guò)多種形式關(guān)注和支持區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2016年10月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書(shū)（2016）》[1]，同年12月區(qū)塊鏈?zhǔn)状伪蛔鳛閼?zhàn)略性前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)寫(xiě)入國(guó)務(wù)院“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃，明確提出需加強(qiáng)區(qū)塊鏈等新技術(shù)的創(chuàng)新、試驗(yàn)和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)搶占新一代信息技術(shù)主導(dǎo)權(quán)。中國(guó)人民銀行在2017年成立了數(shù)字貨幣研究所，研究數(shù)字貨幣發(fā)行和支撐該技術(shù)的商業(yè)運(yùn)作框架。中國(guó)人民銀行的基于區(qū)塊鏈的數(shù)字票據(jù)交易平臺(tái)于2017年初進(jìn)入試運(yùn)行階段并測(cè)試成功。此外，騰訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司、阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司等國(guó)內(nèi)知名互聯(lián)網(wǎng)公司也積極布局區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)，全國(guó)另有超過(guò)100家區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)公司，主要瞄準(zhǔn)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)研發(fā)及其在征信、供應(yīng)鏈、資產(chǎn)管理、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的應(yīng)用。2008—2017年，我國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量全球第一，共遞交550份專利申請(qǐng)；美國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量全球第二，共遞交284份專利申請(qǐng)。
三、區(qū)塊鏈面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
比特幣是區(qū)塊鏈技術(shù)的第一個(gè)成功應(yīng)用。截至目前，比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了8年多，除了有限的幾次分叉，沒(méi)有出現(xiàn)重大安全事故，充分顯示了其強(qiáng)大的穩(wěn)定性和安全性。區(qū)塊鏈技術(shù)目前的應(yīng)用大多仍集中在金融領(lǐng)域，例如，數(shù)字貨幣、跨境支付、證券交易、財(cái)產(chǎn)注冊(cè)與認(rèn)證等。然而，其未來(lái)要在金融領(lǐng)域做大規(guī)模推廣應(yīng)用還需要攻克很多問(wèn)題，如性能問(wèn)題、可監(jiān)管性問(wèn)題等。
在供應(yīng)鏈領(lǐng)域，通過(guò)區(qū)塊鏈，供應(yīng)鏈各方可以獲得一個(gè)透明可靠的統(tǒng)一信息平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看狀態(tài)，追溯物品的生產(chǎn)和運(yùn)送整個(gè)過(guò)程，從而提高供應(yīng)鏈管理效率、降低物流成本。當(dāng)發(fā)生糾紛時(shí)，追查和舉證也變得更加容易。然而，供應(yīng)鏈管理往往涉及到諸多實(shí)體，包括物流、資金流、信息流等，這些實(shí)體之間存在大量復(fù)雜的協(xié)作和溝通，應(yīng)用區(qū)塊鏈進(jìn)行鏈上鏈下的有效協(xié)同，也存在諸多技術(shù)難題需要攻關(guān)。
在制造業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)4.0應(yīng)用，可以使用區(qū)塊鏈來(lái)記錄生產(chǎn)過(guò)程的每一步，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的不同參與者，采用不同的權(quán)限來(lái)訪問(wèn)區(qū)塊鏈，以更加可靠和安全的方式，為參與者提取相關(guān)信息并確認(rèn)生產(chǎn)過(guò)程中的步驟。但是不同的終端和傳感器要參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行協(xié)同和驗(yàn)證，當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器計(jì)算能力及存儲(chǔ)很難支撐，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的實(shí)時(shí)性也亟待提高和優(yōu)化。
在能源領(lǐng)域，基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)絡(luò)，也存在可擴(kuò)展性問(wèn)題和驗(yàn)證交易的能源消耗問(wèn)題等。此外，由于區(qū)塊鏈自身的存儲(chǔ)能力有限，應(yīng)用于社交、電子商務(wù)等領(lǐng)域時(shí)，還要考慮大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題、交易效率問(wèn)題等。
當(dāng)前區(qū)塊鏈行業(yè)正高速發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作仍處于初步階段，區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)、共識(shí)算法、隱私保護(hù)、智能合約、跨鏈交易等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)越來(lái)越制約著區(qū)塊鏈技術(shù)及行業(yè)的發(fā)展。盡快尋找有效方案，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，增強(qiáng)完善區(qū)塊鏈領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)是當(dāng)前區(qū)塊鏈發(fā)展浪潮中的關(guān)鍵點(diǎn)與“殺手锏”。
（一）區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)研究
區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)是區(qū)塊鏈系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，但隨著用戶數(shù)量、系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，其吞吐量低、交易確認(rèn)時(shí)間長(zhǎng)、共識(shí)節(jié)點(diǎn)接入速度慢、存儲(chǔ)資源浪費(fèi)等問(wèn)題愈發(fā)突出，嚴(yán)重影響用戶使用與行業(yè)拓展。近幾年，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界從區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了一些初步的研究工作。
并行化架構(gòu)：區(qū)塊鏈分片技術(shù)（Sharding）采用并行化思想，將用戶劃分到不同的網(wǎng)絡(luò)分片內(nèi)，并行處理不相交的交易集合，進(jìn)而提升整體性能，但處理涉及不同分片的交易時(shí)，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的跨分片通信，開(kāi)銷很大。Plasma則通過(guò)利用側(cè)鏈層次樹(shù)劃分整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用“分治”來(lái)擴(kuò)大交易規(guī)模。
鏈上、鏈下協(xié)同架構(gòu)：閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）以類比特幣區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)，提出將交易過(guò)程盡可能放在鏈下，進(jìn)行鏈下快速交易，而鏈上交易僅用于擔(dān)保與結(jié)算。本質(zhì)上，閃電網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有提升鏈上交易性能，并且鏈下交易環(huán)節(jié)未存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中，會(huì)影響交易的可追溯性。雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）作為“以太坊版本”的閃電網(wǎng)絡(luò)，可與Sharding、Plasma結(jié)合，進(jìn)一步提升交易處理能力。
并行化、鏈上鏈下協(xié)同等新型架構(gòu)為解決區(qū)塊鏈的性能和資源占用問(wèn)題提供了新的研究方向，但是這些研究工作目前還處于相對(duì)早期的階段，很多具體的問(wèn)題如并行化架構(gòu)的合理分片、跨片通信、鏈上鏈下協(xié)同的去中心化、可追溯等問(wèn)題還缺少高效的算法和機(jī)制。
（二）區(qū)塊鏈共識(shí)算法研究
區(qū)塊鏈共識(shí)算法保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)可以維護(hù)相同的交易內(nèi)容和順序，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心機(jī)制。目前應(yīng)用比較廣泛的、常見(jiàn)的共識(shí)算法包括工作量證明算法（PoW）、權(quán)益證明算法（PoS）、股份授權(quán)證明算法（DPoS）以及拜占庭容錯(cuò)算法（PBFT）[2]，這些算法各有優(yōu)勢(shì)但也都存在自身的問(wèn)題（見(jiàn)表1）。
近年來(lái)，為了適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求，一些新型共識(shí)算法被提出。Algorand通過(guò)密碼抽簽機(jī)制隨機(jī)選取一組驗(yàn)證者使用優(yōu)化的拜占庭協(xié)議進(jìn)行共識(shí)來(lái)提高共識(shí)效率[3]；Bitcoin-NG通過(guò)工作量證明選取的領(lǐng)導(dǎo)者發(fā)布交易微塊，一定程度上改善了比特幣區(qū)塊鏈PoW共識(shí)的性能[4]；Casper通過(guò)鎖定保證金的驗(yàn)證人下注共識(shí)以提升PoS算法實(shí)現(xiàn)的安全性以及去中心化程度。
表1幾種常見(jiàn)的共識(shí)算法對(duì)比
然而，無(wú)論是PoW、PBFT這些經(jīng)典共識(shí)算法還是Algorand、Bitcoin-NG這些新型算法都面臨“三難困境”問(wèn)題，即區(qū)塊鏈系統(tǒng)最多只能同時(shí)優(yōu)化去中心化、高性能以及安全性三種目標(biāo)中的兩個(gè)，尋求“三難困境”的最優(yōu)解將是未來(lái)的主要研究方向和技術(shù)挑戰(zhàn)。
（三）區(qū)塊鏈隱私保護(hù)研究
區(qū)塊鏈隱私保護(hù)是為了解決公開(kāi)的交易信息帶來(lái)的賬戶隱私泄漏問(wèn)題。目前主要通過(guò)直接或間接隱藏用戶關(guān)鍵信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，典型的隱私保護(hù)技術(shù)包括：混幣技術(shù)（CoinJoin）、隱秘地址（Stealth Address）、環(huán)簽名技術(shù)（Ring Signature）[5]以及zkSNARKs零知識(shí)證明算法[6]。
混幣技術(shù)、隱秘地址以及環(huán)簽名技術(shù)只是間接隱藏交易涉及的關(guān)鍵信息，在可靠性方面存在不足；zk-SNARKs零知識(shí)證明算法雖然屬于直接隱藏信息，但是其具有“可信賴的公共參數(shù)”以及效率低下的問(wèn)題。同時(shí)，量子計(jì)算的不斷發(fā)展對(duì)隱私保護(hù)研究提出了新的要求，而這些典型的隱私保護(hù)技術(shù)都不具備抗量子攻擊能力。新提出的zk-STARKs零知識(shí)證明算法完全依賴散列和信息理論，解決了zk-SNARK“可信賴的設(shè)置”問(wèn)題并具備抗量子攻擊的能力，但是該研究處于早期階段，技術(shù)還不成熟且存在證據(jù)過(guò)大等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)既能保證高效安全，還能保證交易關(guān)鍵信息隱藏與交易有效性驗(yàn)證的技術(shù)方案依然是未來(lái)區(qū)塊鏈研究面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。
（四）區(qū)塊鏈智能合約研究
Nick Szabo于1996年首次提出了智能合約的概念：一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的約定，包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些約定的協(xié)議。區(qū)塊鏈為智能合約提供了一個(gè)去中心化、不可篡改、公開(kāi)透明的運(yùn)行環(huán)境，使得智能合約無(wú)需信任第三方即可根據(jù)預(yù)設(shè)合約協(xié)議自動(dòng)執(zhí)行。目前針對(duì)智能合約的研究主要圍繞智能合約虛擬機(jī)、智能合約升級(jí)、鏈下數(shù)據(jù)可信喂養(yǎng)等方面展開(kāi)。
智能合約虛擬機(jī)可以分為兩大類：自主可控的虛擬機(jī)，如以太坊虛擬機(jī)（EVM）；使用現(xiàn)有成熟的編譯運(yùn)行環(huán)境的虛擬機(jī)，如Java虛擬機(jī)（JVM）。使用現(xiàn)有成熟編譯運(yùn)行環(huán)境的虛擬機(jī)運(yùn)行效率較高，但不可控因素較多，而EVM等自主可控的虛擬機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行效率還存在較大問(wèn)題。目前的研究工作主要有Solidity編譯器的優(yōu)化、適合智能合約的Web程序集（WASM）執(zhí)行環(huán)境研發(fā)等，上述工作均處于早期研究階段。
智能合約是現(xiàn)實(shí)世界契約的計(jì)算機(jī)化交易協(xié)議，在智能合約的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)者無(wú)法將所有情況考慮在內(nèi)，當(dāng)鏈上的智能合約沒(méi)有按照預(yù)期運(yùn)行時(shí)，就需要升級(jí)智能合約，并且對(duì)智能合約的行為作出解釋。Corda提出將合約法律文本與代碼結(jié)合存儲(chǔ)于鏈上，當(dāng)合約代碼發(fā)生未預(yù)期的行為時(shí)以法律文本為準(zhǔn)，但仍缺乏代碼可升級(jí)的靈活性，因此一套可升級(jí)且可解釋的智能合約完整方案是智能合約大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
智能合約存在于區(qū)塊鏈空間，與鏈下真實(shí)世界活動(dòng)相關(guān)聯(lián)是其大規(guī)模應(yīng)用的前提。Oraclize將智能合約與Web API通過(guò)加密證明鏈接起來(lái)，使得智能合約無(wú)需額外的信任，即可獲得現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)活動(dòng)數(shù)據(jù)；IC3提出可信數(shù)據(jù)喂養(yǎng)系統(tǒng)Town Crier（TC），通過(guò)英特爾最新可信硬件SGX向智能合約提供認(rèn)證可信以及機(jī)密性數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的可信數(shù)據(jù)喂養(yǎng)解決方案靈活性較差，如Oraclize需要將整個(gè)https請(qǐng)求響應(yīng)返回并且依賴于鏈下的中心化服務(wù)器，TC無(wú)法支持代碼的更新，需要研究新型靈活、可信的數(shù)據(jù)喂養(yǎng)方案以滿足智能合約對(duì)鏈外數(shù)據(jù)的喂養(yǎng)需求。
（五）區(qū)塊鏈跨鏈通信研究
隨著區(qū)塊鏈技術(shù)被廣泛應(yīng)用于加密數(shù)字貨幣、資產(chǎn)追蹤、身份管理等領(lǐng)域，產(chǎn)生了很多分立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而這些獨(dú)立的區(qū)塊鏈需要相互交易進(jìn)而實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化，就需要研究跨鏈通信技術(shù)。解決跨鏈交易中有效性、可擴(kuò)展性、原子性等問(wèn)題是當(dāng)前區(qū)塊鏈跨鏈通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。
目前區(qū)塊鏈跨鏈通信技術(shù)研究代表性方案包括成對(duì)通信、Interledger、Cosmos、Polkadot等。成對(duì)通信通過(guò)獲取對(duì)方區(qū)塊鏈的區(qū)塊頭與特定交易的簡(jiǎn)化付款驗(yàn)證（SPV）證明，可在沒(méi)有外部參與的情況下驗(yàn)證跨鏈交易的有效性；Interledger通過(guò)構(gòu)建連接器，找到一條到接受者的資金轉(zhuǎn)移路徑，資金在連接器之間轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)跨鏈；Cosmos利用Hub與Zone，當(dāng)源Zone與目的Zone進(jìn)行跨鏈交易時(shí)，Hub對(duì)Zone形成的包進(jìn)行跨鏈轉(zhuǎn)發(fā)；而Polkadot的愿景是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)區(qū)塊鏈之間的跨鏈，同時(shí)事務(wù)可以在不同的區(qū)塊鏈上并行執(zhí)行，從而增加系統(tǒng)的吞吐量。
上述跨鏈通信方案大多面向跨鏈某一具體場(chǎng)景且性能較低，如成對(duì)通信僅限于交易存在性驗(yàn)證，Interledger以及Cosmos僅用于跨鏈轉(zhuǎn)賬這個(gè)單一功能；雖然Polkadot支持的跨鏈類型更為豐富，但是其仍處于非常早期的方案設(shè)計(jì)階段。隨著跨鏈交易的需求不斷增加，實(shí)現(xiàn)安全、高效且通用性好的跨鏈技術(shù)方案迫在眉睫。
四、高通量區(qū)塊鏈
性能問(wèn)題是制約區(qū)塊鏈技術(shù)未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用的重要瓶頸之一。當(dāng)前應(yīng)用廣泛的公有鏈（如比特幣、以太坊）和聯(lián)盟鏈（如超級(jí)賬本）都無(wú)法支持高頻交易的場(chǎng)景，在吞吐量方面與高頻交易（如支付、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)）的實(shí)際需求存在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。為了彌補(bǔ)這種差距，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所開(kāi)展了高通量區(qū)塊鏈技術(shù)的研究。
不同于已有的很多性能優(yōu)化的工作主要集中在協(xié)議和算法層面[2~4]，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所高通量區(qū)塊鏈技術(shù)的研究聚焦于底層架構(gòu)層面的技術(shù)突破，包括區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)以及承載區(qū)塊鏈系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。首先，在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)上，通過(guò)構(gòu)建交易圖譜，將原始區(qū)塊鏈切分為很多切片，并行處理不同分片的交易記錄，片內(nèi)共識(shí)使用流水化技術(shù)優(yōu)化共識(shí)效率，并通過(guò)隨機(jī)輪換記賬節(jié)點(diǎn)集合機(jī)制，在提升效率的同時(shí)保障安全性。對(duì)于跨切片的交易，設(shè)計(jì)了InterChain跨分片通信架構(gòu)（見(jiàn)圖1），通過(guò)分片網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)鏈節(jié)點(diǎn)的協(xié)同實(shí)現(xiàn)交易的跨分片通信。其次，在硬件架構(gòu)上，針對(duì)現(xiàn)有通用計(jì)算架構(gòu)效率不足，而專用芯片僅針對(duì)特定算法應(yīng)用范圍有限的問(wèn)題，提出支持自定義算法的專用芯片架構(gòu)（見(jiàn)圖2），通過(guò)抽象各類共識(shí)、驗(yàn)證簽名算法的計(jì)算內(nèi)核，設(shè)計(jì)基于松耦合計(jì)算內(nèi)核的芯片架構(gòu)，并利用區(qū)塊鏈算法本身的容錯(cuò)性，簡(jiǎn)化功能單元設(shè)計(jì)，從而提升計(jì)算通量。
圖1 InterChain跨分片通信架構(gòu)
圖2高通量區(qū)塊鏈芯片架構(gòu)優(yōu)化
五、政策建議
當(dāng)前我國(guó)投資界、產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界以及政府給予了熱炒的區(qū)塊鏈技術(shù)以高度的關(guān)注。然而，很多項(xiàng)目只是披著區(qū)塊鏈的“外衣”，猶如當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期一樣，魚(yú)龍混雜。著名信息技術(shù)研究和顧問(wèn)機(jī)構(gòu)Gartner每年都發(fā)布的技術(shù)成熟度曲線（the hype cycle）顯示，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展必經(jīng)過(guò)5個(gè)階段：最初的興起期，熱炒的膨脹期，幻滅的低谷期，穩(wěn)步的爬升期，以及成熟的實(shí)質(zhì)產(chǎn)業(yè)期。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等是這樣，區(qū)塊鏈技術(shù)也不例外。經(jīng)過(guò)這兩年熱炒之后的區(qū)塊鏈技術(shù)，必須經(jīng)過(guò)各方面扎實(shí)的技術(shù)研發(fā)、準(zhǔn)備和鋪墊，才可能大規(guī)模形成產(chǎn)業(yè)，影響社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以及人們的生產(chǎn)生活，最終“飛入尋常百姓家”。
因此，對(duì)待區(qū)塊鏈技術(shù)，不能盲目跟風(fēng)，需要理性看待。既要看到區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和可能帶來(lái)的變革，也要認(rèn)識(shí)到當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)存在的不足和挑戰(zhàn)。從技術(shù)層面，要加大區(qū)塊鏈底層和基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)和優(yōu)化；從治理層面，要適時(shí)跟進(jìn)制定法律法規(guī)，創(chuàng)新監(jiān)管模式；從人才層面，要加大交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的力度，補(bǔ)充人才空缺。
（一）應(yīng)重視區(qū)塊鏈底層技術(shù)的研發(fā)
應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，國(guó)內(nèi)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)風(fēng)風(fēng)火火發(fā)展的背后隱藏著區(qū)塊鏈底層技術(shù)研發(fā)投入不足的現(xiàn)實(shí)。目前，大多數(shù)區(qū)塊鏈項(xiàng)目、區(qū)塊鏈團(tuán)隊(duì)都是基于比特幣、以太坊、超級(jí)賬本等國(guó)外提出的區(qū)塊鏈平臺(tái)，或進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，或直接探索在特定領(lǐng)域、特定行業(yè)的應(yīng)用。
為了應(yīng)對(duì)上述性能、安全性等區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，區(qū)塊鏈底層技術(shù)的創(chuàng)新才是重中之重。應(yīng)該加大在體系結(jié)構(gòu)、共識(shí)算法、驗(yàn)證簽名機(jī)制、（跨鏈）通信協(xié)議、專屬硬件等方面的研發(fā)投入，耐心地從底層研發(fā)做起，做到技術(shù)自主可控，引領(lǐng)全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展。
（二）需要發(fā)展創(chuàng)新監(jiān)管模式
不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有專門(mén)的運(yùn)營(yíng)單位，可以作為特定的監(jiān)管對(duì)象，秉承分布式、去中心化思想設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈應(yīng)用（DAPP）一旦部署，就是所有自由接入的節(jié)點(diǎn)和參與者共同負(fù)責(zé)，沒(méi)有中心化節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)，不存在某個(gè)特定機(jī)構(gòu)對(duì)其負(fù)責(zé)，這給區(qū)塊鏈應(yīng)用的監(jiān)管帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。
因此，一方面，國(guó)家在鼓勵(lì)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，要從立法層面積極跟進(jìn)，引導(dǎo)區(qū)塊鏈的應(yīng)用方向，規(guī)范區(qū)塊鏈應(yīng)用的審查和部署；另一方面，要從信息技術(shù)工具層面，加大針對(duì)區(qū)塊鏈平臺(tái)和應(yīng)用的監(jiān)測(cè)、分析、判別、預(yù)警等信息技術(shù)工具的研發(fā)投入和力度，引入人工智能、大數(shù)據(jù)、信息安全等先進(jìn)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)塊鏈平臺(tái)和應(yīng)用的科技監(jiān)管。
（三）加強(qiáng)交叉學(xué)科人才
智能合約（Smart Contract）是運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的計(jì)算機(jī)程序。區(qū)塊鏈技術(shù)讓人們可以在去中心化的情況下達(dá)成共識(shí)，而智能合約則決定了可以達(dá)成什么樣的共識(shí)。換言之，區(qū)塊鏈只是一個(gè)分布式的記賬方式形成的公共賬本，智能合約則進(jìn)一步結(jié)合千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，約定了誰(shuí)與誰(shuí)、在什么情況下記賬，進(jìn)而產(chǎn)生什么樣的賬本。
未來(lái)，區(qū)塊鏈體系基礎(chǔ)架構(gòu)搭建完成，在商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，所謂廣泛應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，很大程度上就是利用區(qū)塊鏈編寫(xiě)智能合約。參與各方進(jìn)行談判和協(xié)商，形成合約條款，再編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序形成智能合約，并保證準(zhǔn)確無(wú)誤，方能部署運(yùn)行。編寫(xiě)、審核智能合約需要精通計(jì)算機(jī)通信和其他專業(yè)領(lǐng)域的大量跨界人才，需要加強(qiáng)這些交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)工作。
