如果火車站的售票大廳只有一個售票窗口，所有前來買票的人全部要在這個窗口外排隊，那么這個售票大廳的賣票速度可想而知，在單位時間內(nèi)賣出
如果火車站的售票大廳只有一個售票窗口，所有前來買票的人全部要在這個窗口外排隊，那么這個售票大廳的賣票速度可想而知，在單位時間內(nèi)賣出的車票數(shù)量將非常有限。
此前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的進程，就面臨這樣的尷尬。受到“不可能三角”的制約，早期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常是單鏈形式，為了兼顧安全性與去中心化，不得不作出性能方面的犧牲，使得區(qū)塊鏈技術(shù)在處理任務(wù)時，“只有一個窗口賣票”，性能亟待提升。
近日，中科院計算所博士、創(chuàng)新工場人工智能研究院副院長王嘉平等人提出的高性能區(qū)塊鏈系統(tǒng)Monoxide模型，打破了這一瓶頸，在盡量不引入額外的實體和機制的前提下，可同時滿足安全、高性能和去中心化的三角特性，使區(qū)塊鏈橫向擴展1000倍以上，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提升1000倍以上。相關(guān)論文發(fā)表在不久前的2019年NSDI(網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn))國際會議上。
“不可能三角”
區(qū)塊鏈由“數(shù)據(jù)塊”和“鏈條”組成，是一種分布式記賬底層技術(shù)。一般認為，區(qū)塊鏈具有去中心化、高安全性等核心優(yōu)點，可以完美解決共享經(jīng)濟發(fā)展過程中的信息不對稱、交易成本高、陌生人信任等難題。
因此，區(qū)塊鏈被認為是最具潛力的顛覆性技術(shù)之一。根據(jù)目前的研究，區(qū)塊鏈技術(shù)可以應(yīng)用在數(shù)字貨幣發(fā)行與交易、跨境支付與轉(zhuǎn)賬、智能合約、供應(yīng)鏈溯源等領(lǐng)域。
不過，處于高速發(fā)展中的區(qū)塊鏈技術(shù)卻長期面臨著一個著名的“不可能三角”技術(shù)瓶頸。區(qū)塊鏈“不可能三角”也稱“三元悖論”，指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)模型無論采用哪種共識機制來決定新區(qū)塊的生成方式，都無法同時兼顧性能、安全、去中心化這三項要求，只能滿足其中兩項而犧牲另外一項，最多三者取其二。
王嘉平告訴《中國科學(xué)報》，受到“不可能三角”的制約，早期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通常是單鏈形式，為了兼顧安全性與去中心化，不得不作出性能方面的犧牲。
也正是因為這個瓶頸，區(qū)塊鏈技術(shù)至今仍然無法在各領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮出它的全部潛能。
“多個窗口賣不同的票”
而王嘉平等人提出的高性能區(qū)塊鏈系統(tǒng)Monoxide模型，則打破了這一瓶頸，可同時滿足安全、高性能和去中心化的需求。
“首先，是用多鏈取代單鏈。”王嘉平說。換言之，就是為售票大廳增設(shè)窗口。
事實上，此前也有一些研究嘗試在區(qū)塊鏈中采取多鏈模型。但此前研究者提出的多鏈，都是孤立工作、無法協(xié)同的，無法真正發(fā)揮“多鏈”的潛能。
這可以理解為，售票大廳增設(shè)了多個窗口，但是一個窗口只能賣一個目的地的票。這仍將導(dǎo)致前來買票的人在“不對應(yīng)”的窗口無法成功買票，而是需要根據(jù)目的地去對應(yīng)的窗口買票。
這意味著，同一時間內(nèi)，有些窗口前會排起長隊，而有些窗口前可能空無一人。整個售票大廳在單位時間內(nèi)賣出的車票數(shù)量仍然有限，賣票效率仍有很大的提升空間。
其次，是讓多鏈系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮作用。
“Monoxide模型是一個并發(fā)的多鏈系統(tǒng)，每一個鏈稱為‘共識組’。”王嘉平介紹。具體來講，共識組是由多個同質(zhì)的、功能上完全一致、地位上也完全平等，邏輯上盡量隔離的獨立共識系統(tǒng)的實例所構(gòu)成，它們并行工作，分攤?cè)W(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐、計算、存儲的壓力，分攤?cè)W(wǎng)狀態(tài)的維護工作。
由于共識組之間完全并行、異步，所以即便某一個共識組發(fā)生擁塞，也不會干擾其它共識組的數(shù)據(jù)吞吐和產(chǎn)出新數(shù)據(jù)塊。
如此一來，“去往不同目的地的人，無論在哪個窗口都可以直接買票，不同窗口的售票員會在后臺協(xié)同發(fā)揮作用，使單位時間內(nèi)賣出的車票數(shù)量最大化。”
反應(yīng)在計算性能上面，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)吞吐量和容量將有大幅提升，即單位時間每個窗口賣出的票數(shù)與單位時間售票大廳容納的人數(shù)明顯增加。
為了驗證Monoxide模型的可行性，王嘉平等人在由4.8萬個全球節(jié)點組成的真實環(huán)境中進行了測試。實驗證明，Monoxide模型可以將一個現(xiàn)有的單鏈共識算法，橫向擴展1000倍以上，從而使數(shù)據(jù)吞吐量提升1000倍以上，同時也將全網(wǎng)計算能力(CPU)提升2000倍以上。
“理論上，橫向擴展的倍數(shù)上限甚至能夠達到10萬量級。”王嘉平說。
推動模型落地應(yīng)用
據(jù)了解，該論文的兩名作者王嘉平博士與汪浩博士，均畢業(yè)于中國科院計算所。
王嘉平曾先后就任微軟研究院研究員及主管研究員。多年連續(xù)在國際圖形學(xué)頂級會議ACM SIGGRAPH發(fā)表最新研究成果，擁有美國專利十余項。入職創(chuàng)新工場后，王嘉平涉足投資領(lǐng)域，投資方向為區(qū)塊鏈和人工智能，曾主導(dǎo)了對比特大陸的首輪機構(gòu)投資。
去年12月，計算機網(wǎng)絡(luò)頂級學(xué)術(shù)會議NSDI宣布錄用由王嘉平及汪浩撰寫的區(qū)塊鏈研究論文。不久前，2019年NSDI會議正式發(fā)布了該論文。據(jù)悉，NSDI是USENIX組織開辦的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的著名會議，雖然歷史很短，但由于其強調(diào)系統(tǒng)、實用、跨學(xué)科的特點，廣受計算機學(xué)者關(guān)注。
一直以來，NSDI以重視文章質(zhì)量著稱，采用嚴格的雙盲評審，每篇文章都要經(jīng)過兩輪總計六到八個審稿人審閱，之后還需經(jīng)過程序委員會的討論篩選。通常，每屆會議錄用20多篇論文，錄取率僅在25%左右。
王嘉平等人的論文入選2019年NSDI國際會議，是該會議今年錄取的唯一一篇與區(qū)塊鏈相關(guān)的論文，也是中國在區(qū)塊鏈領(lǐng)域入選該會議的第一篇文章。
一直以來，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用與普及都備受關(guān)注。由于區(qū)塊鏈技術(shù)在效率提升、安全保護等方面存在巨大潛能，越來越多的行業(yè)開始認識到區(qū)塊鏈的力量并逐步嘗試落地。而Monoxide模型的提出，則讓區(qū)塊鏈技術(shù)向?qū)嶋H落地應(yīng)用又邁進了一步。
王嘉平透露，2019年8月，Monoxide將上線測試網(wǎng)絡(luò)，供開發(fā)者做技術(shù)評估。這將賦能金融支付、醫(yī)療衛(wèi)生、智慧城市等實際場景。
據(jù)悉，創(chuàng)新工場也將與中科院計算所展開更深入的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)合作，促進區(qū)塊鏈技術(shù)更好地落地應(yīng)用。(鄭金武)
