干货| 公链的基本挑战：Part 1

毫无疑问，区块链技术拥有巨大的潜力。

分布式交易、市场预测和资产管理平台只是区块链开发人员正在开发的一些有趣的应用程序。

2017年，整个行业筹集了数十亿美元的资金，推动了区块链价值的大幅提升，这其实是一件非常令人兴奋的事情。 炒作是真实的。

不要误会我的意思。 我喜欢这样一个事实，即区块链的“炒作”帮助它在主流用户中流行起来。 所以当我说“比特币”或“以太坊”时，我不再看到人们茫然地注视。

然而，这个故事并没有得到足够的重视：区块链的几个主要技术障碍阻止它成为今天的主流应用。

我相信我们会实现目标，但作为开发商和投资者，我们需要现实一点。 事实是，去信任系统大规模成为主流还需要很多年。

其中一些技术障碍包括：

可扩展性有限

有限的隐私

缺乏正式的合同验证

存储限制

不可持续的共识机制

缺乏治理和标准

工具不足

量子计算的威胁

……还有很多

在本文中，我描述了这些技术障碍并分享了克服它们的几种解决方案。

作为开发人员比特币是公有链吗，我认为将我们的一些注意力从闪亮的众筹转移到真正的技术挑战上是至关重要的。

注意：我不可能列出所有问题和每个解决方案，我只列出了我最熟悉的问题。 如果有些不包括在内，请不要对我太苛刻。 如果我看到这篇文章并认为它是合适的，我很乐意为您发布我在这篇文章中遗漏的任何内容:) ...如果我错了请告诉我。

1. 可扩展性有限

目前，所有公共区块链共识协议都有一个明显的局限性：网络中的每个完整节点都必须处理每笔交易。

为什么是这样？ 那么回想一下，区块链从根本上是“去中心化的”，这意味着没有中央机构来确保系统的安全和运维。 相反，网络中的每个节点都通过处理交易和维护整个系统的备份来保证系统安全。

尽管分布式共识机制为我们提供了我们都关心的区块链核心优势：安全性、政治中立性和抗审查性等，但这些都是以可扩展性为代价的，因为根据定义，分布式的交易数量是一个区块链可以处理的交易数量仅限于网络中一个完整节点可以处理的交易数量。

这里有两个隐藏的含义：

低吞吐量：区块链只能处理有限数量的交易

交易处理时间慢：交易形成区块的时间慢。 例如：比特币出块时间为10分钟，以太坊出块时间约为14秒。 在高峰期，这些块可能需要更长的时间才能形成。 将这段时间与使用 Square 或 Visa 等服务时获得的即时确认进行比较。

因此，公共区块链必须在低交易吞吐量和高中心化之间做出权衡。

换句话说，随着区块链规模的增大，网络中所有节点对存储、带宽和计算能力的需求也随之增加。 在某些情况下，它变得笨重，只有少数节点有资源处理块，这会导致中心化的风险。

那么，我们做了一个360度的改造，又回到了一个需要信任少数大公司的中心化系统。 然而，我们想要的是加密货币最初承诺的，一个每秒能够处理数千笔交易的系统，具有相同的去中心化水平。

可扩展性

理想情况下，我们希望一个区块链设计能够具有与比特币或以太坊相似或更好的安全性，同时，当每个节点处理的交易量不超过网络总交易量的一定百分比时，也是可行的。 换句话说，我们需要一种机制来限制验证每笔交易的节点数量，同时又不失去网络对交易正确性的权威可信度。 这听起来可能比较简单，但在技术上却非常困难。

可扩展性是未来平台成功的障碍。 区块链生态系统中的几个不同的开发团队现在提出了几种解决方案。 我在之前的文章中全面介绍了这个主题，如果您有兴趣，我建议您查看一下。 有关当前解决方案的简要总结，请参见下文：

线下支付渠道

小额支付网络渠道背后的想法是将大多数交易转移到链下。 它本质上是一种区块链交互机制，将原本在链上的交互转移到链下。 区块链只是作为一个结算层来处理一系列交易的总和——最终交易，这有助于减轻底层区块链的负担。

这解决了我们上面讨论的吞吐量问题，因为现在区块链可以扩展到更大的交易量。 此外，小额支付渠道解决了交易速度的问题并消除了区块链上的典型延迟，因为交易是在支付渠道处理后立即生成的，而不是在它们被包含在一个块中时生成的。

区块链生态系统中的小额支付通道网络的例子包括雷电网络和闪电网络。

碎片化

分片背后的概念是区块链的整体状态被分成不同的“切片”，每个切片由网络中的不同节点存储和处理。 每个分片只处理状态的一小部分，分片是并行处理的。 区块链分片类似于传统数据库世界中的分区，除了难以在分散的节点集上维护安全性和可靠性。

链下计算

链下计算和状态通道类似，只是范围更大。 这个想法是在链下执行计算（而不仅仅是在链下转移代币），如果在链上完成并且安全且可验证，这将非常昂贵。 通过将计算和验证过程转移到一个单独的链下协议中，可以实现高交易吞吐量。 以太坊上链下计算的一个例子是 TrueBit。

DAG（有向无环图）

DAG，Directed Acyclic Graph 的缩写，是由顶点和边组成的图数据结构。 （顶点是图中的一个点，边是图中一个点到另一个点的路径。）DAG保证没有环路，即不可能从一个点开始，回到这个点沿着一系列的边缘。 这使我们能够沿着拓扑顺序获得一系列节点（或顶点）。

-DAG-

基于 DAG 的协议（如 IOTA 的 Tangle）的前提是排列全球线性区块链，并使用 DAG 数据结构来维护系统的状态。 为了维护网络安全，这些协议依赖于它们自己的新颖方法，不需要每个节点以线性方式处理每个事务。

另一种基于 DAG 的方法，例如 SPECTER 协议，使用有向无环图 (DAG) 组织块，并并行挖掘 DAG 块以实现更高的吞吐量和更快的事务处理时间。

我希望能够在以后的帖子中写更多基于 DAG 的方法。 事实上，这些协议仍处于非常初级的阶段，尚未大规模实施和使用。 坦率地说，它们有一些基本的局限性/弱点尚未解决，无法被视为可行的可扩展解决方案。

有关这些可扩展性解决方案和其他解决方案的更详细概述，我建议阅读我之前关于可扩展性的文章。

2. 有限隐私

鉴于区块链交易不直接与您的身份相关联，它们看起来更加私密。 世界上任何人都可以匿名创建一个新钱包并使用它进行交易。

然而，事情并没有那么简单。

一方面，这项技术的巨大潜力确实在于可以使用假名：虽然交易记录并存储在公共分类账中，但它们与仅由数字和字母组成的账户地址相关联。 由于这个地址没有真实世界的身份，交易的发起者似乎无法追踪。

然而，这种总体安全性的表象具有误导性。 假名只要不与人联系，一个人就可以保住自己的隐私，但只要与人联系，秘密就暴露了。 一个例子是执法机构承认他们在调查期间能够识别特定的比特币用户，然后将他们“去匿名化”，这违反了区块链上所有交易都是不可见的这一总体前提。

这怎么可能？

商家网站上的 Cookie 和跟踪器使得交易信息很容易在线泄露，任何人（包括政府、执法机构和恶意用户）都可以随意利用它。

此外比特币是公有链吗，在像以太坊这样的区块链平台上，用户与智能合约进行交互，智能合约处理的不仅仅是简单的价值转移。 这些智能合约的所有细节在以太坊区块链上都是公开的，包括交易发送者和接收者、交易数据本身、执行的代码以及存储在合约中的状态。

将关键业务数据上传到区块链，黑客、竞争对手或其他未经授权方可以查看这些数据，这对大多数公司来说都不是一种选择。 考虑以下情况：

隐私仍然是关注隐私和主权的个人、组织和行业的根本障碍。 我们中许多痴迷于区块链和加密货币的人都有共同的兴趣，即建立一个无需信任、抗审查的系统，为个人提供财务支持。 相反，我们正在为系统使用一个公共的、易于追踪的分类账。 （一想到这个，我的心就乱了！

隐私解决方案

以下是不同开发团队一直在努力的一些场景。

椭圆曲线 Diffie-Hellmann-Merkel (ECDHM) 地址

要了解 ECDHM 地址，您需要了解 Diffie-Hellman 密钥交换。 Diffie-Hellman 密钥交换背后的想法是在双方之间建立共享密钥。 它可用于在公共网络上私下交换信息。

你是怎么做到的？

ECDHM 地址可以由发起者和接收者公开共享，然后他们可以使用他们的共享密钥获得匿名比特币地址。 这些比特币地址只能由拥有此密钥的人发布。 唯一公开可见的是可重复使用的 ECDHM 地址。 因此，用户不必担心交易被跟踪。

- 用颜色（而不是非常大的数字）说明的密钥交换概念图（图片来源：%E2%80%93Hellman_key_exchange）-

使用 ECDHM 地址方案的一些示例包括 Peter Todd 的隐形地址、Justus Ranvier 的 BIP47 可重用支付代码、Justin Newton 的 BIP75 带外地址交换等等。 然而，这些方案的实施和实际使用很少见。

混合器（交易混合器）

Mixers 背后的想法是，一群人可以将他们获得的付款合并到一个池中，并在私人分类账上跟踪债务。 然后，当池中的资金被花费时，每笔支付的资金来源都会被掩盖。 任何查看区块链的人都可以看到支付的金额和发送给谁，但理论上无法追踪具体授权给了谁。 混合器服务的一个示例是 CoinJoin。