打破区块链不可能三角！2 华人专家论文将登 NSDI 2019计算机顶会

区块链曾经被形容成一项无所不能的科技，被看好能带来下一代的价值互联网。然其自身却存在着称为“不可能三角”的技术瓶颈，至今仍远远无法施展潜能。所谓“不可能三角”，就是指区块链网络很难同时兼顾扩展性（Scalability）、安全性（Security）、去中心性（Decentralization）这三项要求，至多只能取其二。

因为区块链必须通过分布于全世界的成千上万个计算机节点来提供算力，协助验证网络交易，以达到不需要一个权威中心也能让使用者信任的目的。但如此一来，整个网络就很难兼顾扩展性能与安全。最早的比特币区块链和以太坊区块链，历经多年发展仍性能低下。过去一两年许多号称区块链 3.0 的公链项目，都宣称克服了这一不可能三角，但大体而言，至今尚未出现一个完全具信服力、并广为接受的解决方案。

不过，一篇由两名华人专家所撰写的区块链扩容论文〈Monoxide: Scale Out Blockchain with Asynchronized Consensus Zones〉，提出了 Monoxide 方案，关键设计就是通过其创新的“异步共识组”（Asynchronized Consensus Zones），将区块链性能提升至比特币的千倍以上，并同时兼顾安全性与去中心化。这一方案获得计算机顶级学术会议 NSDI 2019 收录，即将于 2 月底在波士顿正式公开发表。

这是继 2017 年著名图灵奖得主、麻省理工学院教授 Silvio Micali 的 AlgoRand 项目登上 SOSP 大会，睽违近两年再有区块链公链论文入选计算机系统顶级会议。

“所谓的不可能三角，只是目前既有区块链项目所归结出来的一个总结问题，并不能代表区块链技术必然会有这一问题”，该篇论文主要作者王嘉平近日接受 DT 君专访时表示。

他进一步解释，如果从单链的前提来讲，不可能三角是正确的，单链系统确实存在这样的天生瓶颈。但如果是从单链演变至多链的前提来看，不可能三角就有了不同的可能性。

王嘉平为微软总部研究院前主管研究员，专注于分布式系统、计算机图形学和视觉以及用于机器学习的 GPU 集群等领域的研究。离开微软后，他又在创新工场担任执行董事，负责区块链和人工智能等投资方向，曾主导了对比特大陆的首轮机构投资，成为其首轮三大主要投资方之一。

去年他通过个人微信公众号发表“区块链到底有什么了不起”、“区块链公链如何才能快起来”等一系列文章，阐述他在区块链领域内的经历，并梳理出为什么他相信区块链技术是一项了不起的技术，在行业内引发广大回响。

图｜ 王嘉平（来源：王嘉平）

王嘉平说，Monoxide 的基础实现和实验验证是在 2018 年夏天就已完成，9 月份时候投稿 NSDI 2019。11 月底就顺利收到大会官方通知收录，比原定时间还早了几天。

NSDI 的全称是“Networked Systems Design and Implementation”，与 OSDI 或 SOSP 齐名，是计算机网络系统领域最富盛名的顶级学术会议之一。此前亦有众多诉求公链性能的区块链团队，希望能将论文投上这类国际顶会，但几乎都告失败。

在今年 NSDI 接受的 49 篇文章中，亦仅有 Monoxide 一篇论文是区块链相关。王嘉平认为，区块链技术相关研究在整个学术界还是非常新兴的课题，主流学术力量尚未完全进入到这个领域，而在已进入者中，计算机系统研究者更是少数。而这篇论文在在 NSDI 上发表，也标志了主流计算机学术界首次对区块链扩容方案相关研究的认可。

他指出，若用计算机体系结构的视角去看待区块链，后者就是一个冯•诺伊曼架构（Von Neumann architecture）的延伸，并将冯•诺伊曼架构的计算架构进一步拓展，使其同特定的物理计算设备分离，才能从根本上避免计算过程被单一的控制方掌控，让所有人都可以信赖这个计算系统。

在这篇论文中，王嘉平与汪浩等人提出了一个名为 Monoxide（一氧化物）的区块链扩容方案，经实验证明在 4.8 万个全球节点组成的测试环境中，性能可以较比特币网络高出 1000 倍，从而有望打破不可能三角这个长期困扰区块链性能的瓶颈。

重要的是，其所提出的 Monoxide 方案，具体采用的共识算法可以是 PoW（工作量证明），也可以是类 BFT（拜占庭容错）或者 VRF（可验证随机函数）。王嘉平对 DT 君表示，他希望未来能通过授权合作的方式，将这一扩容方案与更多区块链项目结合，加速区块链性能的扩展。

图｜ Monoxide 总体设计（来源：王嘉平）

Monoxide 的关键设计是“Asynchronized Consensus Zones”（异步共识组）。异步是其重要特性，但核心是共识组这个模型。

王嘉平解释，共识组由多个同质的、功能上完全一致、地位上也完全平等，并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，分摊全网的吞吐、计算、存储的压力，也分摊全网状态的维护工作。其所提出的共识组包含以下几个特征：

• 具备独立的相对稳定的节点集合，逻辑上不要求一个节点参与到多个共识组。
• 具备独立的账簿，承载全网的一部分用户（组内用户）。各个共识组的组内用户没有交集。
• 具备独立的非阻塞的出块过程，各个组之间没有任何同步的需要（如需要互斥锁定特定资源）。
• 具备独立的未确认交易集合，仅有和组内用户相关的未确认交易会被暂存。
• 具备独立的出块候选或竞争机制，矿工仅限于组内竞争，和其他组的矿工无直接竞争关系。
• 具备独立的 Gossip 网络，完成区块和未确认交易的广播，不波及其他共识组的节点。

由此来看，Monoxide 是一个以分片技术（sharding）为基础的公链架构方案。分片技术并非由 Monoxide 独创，来自新加坡的 Zilliqa 可算是是首个将分片落地的公链项目，目前分片已成为区块链扩容的主流取径之一。

然而既有的分片方案，或多或少都牺牲了安全性或去中心化，还没有出现令人满意的解方。而王嘉平强调，好的分片方案，各个分片应该是同质的，在功能上完全一致，地位上也完全平等。因此他提出异步共识组的模型。

但这会衍生出两个问题，一是如何保障每个共识组的安全性？一是如何正确且高效地完成跨共识组的交易？

对此 Monoxide 提出了“连弩挖矿”（Chu-ko-nu Mining）和“最终原子性”（Eventual Atomicity）两个关键概念，前者通过协议层的调整，放大网络有效算力，防止算力集中攻击特定共识组。后者保障了 Monoxide 系统中交易原子性在所有接力交易被确认和执行之后，可以得到满足。

王嘉平表示，通过设计了这样的一个系统以及协议，Monoxide 保证其上的跨分片交易可以正确、高效地完成，保证攻击单个共识组的代价同攻击整个网络代价相当，也保证了单个运行中的全节点需要承担的系统压力不会随着全网性能的提升而变大。

Monoxide 是否算是真正突破了所谓的区块链不可能三角？王嘉平说，“我认为是。”他强调，虽然还不算完全彻底突破，但是可以说“撕开了一个巨大的口子”。

这个工作，为保证跨片交易得以正确安全地完成，基于当前互联网带宽，系统伸缩性大致会止步于百万 TPS 和几十万个共识组的规模。并不能实现无限的伸缩性。但无论如何，异步共识组仍可轻松达成提升 1000 倍性能的目标。

DeepTech 很高兴将邀请到王嘉平博士成为我们区块链专栏 DeepHash 的作者，这更是他除了个人公众号外，首度在媒体上开设专栏。明天他将在首篇专栏文章中，进一步解释 Monoxide 究竟是如何具体突破区块链不可能三角的，包含其研究中提出的“连弩挖矿”与“最终原子性”两个重要创新。