一文尽览,中国学者首次在NSDI发表区块链论文

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中国学者首次在NSDI发表区块链论文
打破区块链“不可能三角”瓶颈

创新工场执行董事王嘉平向链闻透露,由他提出并在计算机网络和分布式系统顶级学术会议
NSDI 2019 上发表的区块链扩容方案 Monoxide 已经进入实施阶段,计划在 8
月份发布测试网,届时可供开发者进行技术评估。

如果火车站的售票大厅只有一个售票窗口,所有前来买票的人全部要在这个窗口外排队,那么这个售票大厅的卖票速度可想而知,在单位时间内卖出的车票数量将非常有限。

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此前的区块链网络处理任务的进程,就面临这样的尴尬。受到“不可能三角”的制约,早期的区块链网络通常是单链形式,为了兼顾安全性与去中心化,不得不作出性能方面的牺牲,使得区块链技术在处理任务时,“只有一个窗口卖票”,性能亟待提升。

一文尽览 8 月发布测试网的 Monoxide 实现逻辑及应用场景

近日,中科院计算所博士、创新工场人工智能研究院副院长王嘉平等人提出的高性能区块链系统Monoxide模型,打破了这一瓶颈,在尽量不引入额外的实体和机制的前提下,可同时满足安全、高性能和去中心化的三角特性,使区块链横向扩展1000倍以上,从而使数据吞吐量提升1000倍以上。相关论文发表在不久前的2019年NSDI(网络系统设计与实现)国际会议上。

王嘉平博士,创新工场执行董事,Monoxide 论文作者

“不可能三角”

链闻早些时候曾报道,Monoxide
是由王嘉平博士和汪浩博士撰提出的一种异步共识组区块链扩容方案,可以在由
4.8 万个全球节点组成的测试环境中,实现比比特币网络高出 1000
倍的每秒事务处理量,以及 2000 倍的状态内存容量,二人撰写的论文入选了
NSDI 2019,成为区块链领域中国人入选国际顶级会议的第一篇论文。

区块链由“数据块”和“链条”组成,是一种分布式记账底层技术。一般认为,区块链具有去中心化、高安全性等核心优点,可以完美解决共享经济发展过程中的信息不对称、交易成本高、陌生人信任等难题。

王嘉平与汪浩均毕业于中国科院计算所,中科院计算所也是该篇论文的联合署名单位之一。创新工场表示,未来将与中科院计算所展开更深入的技术和产业合作。

因此,区块链被认为是最具潜力的颠覆性技术之一。根据目前的研究,区块链技术可以应用在数字货币发行与交易、跨境支付与转账、智能合约、供应链溯源等领域。

中国区块链技术论文首次入选国际顶会

不过,处于高速发展中的区块链技术却长期面临着一个著名的“不可能三角”技术瓶颈。区块链“不可能三角”也称“三元悖论”,指区块链网络模型无论采用哪种共识机制来决定新区块的生成方式,都无法同时兼顾性能、安全、去中心化这三项要求,只能满足其中两项而牺牲另外一项,最多三者取其二。

王嘉平与汪浩提出 Monoxide 方案的论文被 NSDI 2019
收录,是在区块链领域,中国人入选国际顶级会议的第一篇文章。

王嘉平告诉《中国科学报》,受到“不可能三角”的制约,早期的区块链网络通常是单链形式,为了兼顾安全性与去中心化,不得不作出性能方面的牺牲。

NSDI 全称 Networked Systems Design and Implementation,是 USENIX
旗下的旗舰会议之一,也是计算机网络系统领域的顶级学术会议。

也正是因为这个瓶颈,区块链技术至今仍然无法在各领域内发挥出它的全部潜能。

与其他同领域的顶级学术会议相比,NSDI
更加侧重于网络系统的设计与实现,注重系统的性能和伸缩性,大名鼎鼎的大数据系统
Spark 就曾发表在 2012 年的 NSDI 大会上面。

“多个窗口卖不同的票”

一直以来,NSDI
以重视文章质量著称,采用严格的双盲评审,每篇文章都要经过两轮总计六到八个审稿人审阅,之后还需经过程序委员会的讨论筛选。通常,每届会议录用
20 多篇论文,录取率仅在 25% 左右。

而王嘉平等人提出的高性能区块链系统Monoxide模型,则打破了这一瓶颈,可同时满足安全、高性能和去中心化的需求。

NSDI
关注的研究课题是计算机网络和分布式系统,区块链的核心技术就属于这个领域。可是事实上,学术界目前在这个领域的主流研究方向还是关注于中心化的数据中心、超算中心里的理论挑战和实际工程问题,对应的大多是云计算行业和涉及大量计算任务的机器学习领域。

“首先,是用多链取代单链。”王嘉平说。换言之,就是为售票大厅增设窗口。

此次,王嘉平博士与汪浩博士共同发表的论文《Monoxide: Scale Out Blockchain
with Asynchronized Consensus Zones》入选 NSDI
2019,是国际主流学术界首次认可区块链扩容方案的相关研究,是该会议今年录取的唯一一篇与区块链相关的论文,也是中国入选区块链领域的第一篇文章。

事实上,此前也有一些研究尝试在区块链中采取多链模型。但此前研究者提出的多链,都是孤立工作、无法协同的,无法真正发挥“多链”的潜能。

NSDI 2019 大会的联合主席 Jay Lorch
告诉链闻:「评审委员会的成员对这篇论文提出的想法非常兴奋,认为这个想法值得讨论并且将引发相应的后续工作。」

这可以理解为,售票大厅增设了多个窗口,但是一个窗口只能卖一个目的地的票。这仍将导致前来买票的人在“不对应”的窗口无法成功买票,而是需要根据目的地去对应的窗口买票。

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这意味着,同一时间内,有些窗口前会排起长队,而有些窗口前可能空无一人。整个售票大厅在单位时间内卖出的车票数量仍然有限,卖票效率仍有很大的提升空间。

一文尽览 8 月发布测试网的 Monoxide 实现逻辑及应用场景

其次,是让多链系统协同发挥作用。

打破区块链不可能三角瓶颈,类似 AI 方面深度学习技术的突破

“Monoxide模型是一个并发的多链系统,每一个链称为‘共识组’。”王嘉平介绍。具体来讲,共识组是由多个同质的、功能上完全一致、地位上也完全平等,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,分摊全网的数据吞吐、计算、存储的压力,分摊全网状态的维护工作。

近年来,区块链技术蓬勃发展,大有变革整个在线数字世界的气势和雄心。

由于共识组之间完全并行、异步,所以即便某一个共识组发生拥塞,也不会干扰其它共识组的数据吞吐和产出新数据块。

从 2008 年「区块链之父」中本聪发表论文《Bitcoin: A Peer-to-Peer
Electronic Cash
System》至今的十余年间,全世界最聪明的学者、开发者投身于这一领域的研究上面,前赴后继地出现了各种致力于提高区块链系统性能的项目。

如此一来,“去往不同目的地的人,无论在哪个窗口都可以直接买票,不同窗口的售票员会在后台协同发挥作用,使单位时间内卖出的车票数量最大化。”

不过,处于高速前进中的区块链技术却长期面临着一个著名的「不可能三角」技术瓶颈。也正是因为这个问题,区块链技术至今仍然无法在各领域内发挥出它的全部潜能。

反应在计算性能上面,区块链的数据吞吐量和容量将有大幅提升,即单位时间每个窗口卖出的票数与单位时间售票大厅容纳的人数明显增加。

这里的区块链「不可能三角」也称「三元悖论」,指区块链网络模型无论采用哪种共识机制来决定新区块的生成方式,都无法同时兼顾性能、安全、去中心化这三项要求,只能满足其中两项而牺牲另外一项,最多三者取其二。

为了验证Monoxide模型的可行性,王嘉平等人在由4.8万个全球节点组成的真实环境中进行了测试。实验证明,Monoxide模型可以将一个现有的单链共识算法,横向扩展1000倍以上,从而使数据吞吐量提升1000倍以上,同时也将全网计算能力提升2000倍以上。

受到「不可能三角」的制约,早期的区块链网络通常是单链形式,为了兼顾安全性与去中心化,不得作出性能方面的牺牲。如果把区块链网络处理任务的进程,类比成人们去售票大厅购买车票的过程,那么单链区块链就可以看作是整个售票大厅只有一个售票窗口,所有前来买票的人全部要在这个窗口外排队,于是这个售票大厅的卖票速度可想而知,在单位时间内卖出的车票数目自然也不甚理想。

“理论上,横向扩展的倍数上限甚至能够达到10万量级。”王嘉平说。

而 Monoxide
模型的出现则打破了这一瓶颈,在满足安全、高性能和去中心化的三角特性前提下,尽量不引入额外的实体,不引入额外的机制。

推动模型落地应用

这是如何实现的呢?

据了解,该论文的两名作者王嘉平博士与汪浩博士,均毕业于中国科院计算所。

据王嘉平介绍,首先,用多链取代单链,就像「为售票大厅增设窗口」。

王嘉平曾先后就任微软研究院研究员及主管研究员。多年连续在国际图形学顶级会议ACM
SIGGRAPH发表最新研究成果,拥有美国专利十余项。入职创新工场后,王嘉平涉足投资领域,投资方向为区块链和人工智能,曾主导了对比特大陆的首轮机构投资。

事实上,此前也有一些研究尝试多链模型,但是孤立工作,无法协同,无法真正发挥「多链」的潜能。

去年12月,计算机网络顶级学术会议NSDI宣布录用由王嘉平及汪浩撰写的区块链研究论文。不久前,2019年NSDI会议正式发布了该论文。据悉,NSDI是USENIX组织开办的关于网络系统设计的著名会议,虽然历史很短,但由于其强调系统、实用、跨学科的特点,广受计算机学者关注。

可以理解为,售票大厅增设多个窗口,但是一个目的地仅对应一个窗口。也就是说,前来卖票的人在「不对口」的窗口无法成功买票,而是需要根据目的地去对应的窗口买票。这意味着,同一时间内,有些窗口前会排起长队,而有些窗口前可能空无一人,整个售票大厅在单位时间内卖出的车票数目仍然有限,卖票效率仍有很大的提升空间。

一直以来,NSDI以重视文章质量著称,采用严格的双盲评审,每篇文章都要经过两轮总计六到八个审稿人审阅,之后还需经过程序委员会的讨论筛选。通常,每届会议录用20多篇论文,录取率仅在25%左右。

Monoxide
网络是一个并发的多链系统,每一个链称为「共识组」,是其精髓所在。

王嘉平等人的论文入选2019年NSDI国际会议,是该会议今年录取的唯一一篇与区块链相关的论文,也是中国在区块链领域入选该会议的第一篇文章。

具体来讲,共识组是由多个同质的、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,分摊全网状态的维护工作。由于共识组之间完全并行、异步也无需锁定和同步,所以即便某一个共识组发生拥塞也不会干扰其它共识组的吞吐和出块。

一直以来,区块链技术的应用与普及都备受关注。由于区块链技术在效率提升、安全保护等方面存在巨大潜能,越来越多的行业开始认识到区块链的力量并逐步尝试落地。而Monoxide模型的提出,则让区块链技术向实际落地应用又迈进了一步。

如此一来,在上面所描述的售票情景中,前来售票大厅买票的每一个人,无论在哪个窗口都可以直接买票,不同窗口的售票员会在后台协同发挥作用,使单位时间内卖出的车票数目最大化。

王嘉平透露,2019年8月,Monoxide将上线测试网络,供开发者做技术评估。这将赋能金融支付、医疗卫生、智慧城市等实际场景。

反应在性能上面,区块链的吞吐量和容量将有大幅提升,即单位时间每个窗口卖出的票数与单位时间售票大厅容纳的人数明显增加。

据悉,创新工场也将与中科院计算所展开更深入的技术和产业合作,促进区块链技术更好地落地应用。

实验证明,Monoxide 模型可以将一个现有的单链共识算法,横向扩展 1000
倍以上,从而使吞吐量提升 1000 倍以上,同时也将全网计算能力 提升 2000
倍以上,将状态表达的内存空间提升 2000 倍以上。

论文链接:

理论上,横向扩展的倍数上限甚至能够达到 10 万量级。

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一文尽览 8 月发布测试网的 Monoxide 实现逻辑及应用场景

王嘉平透露,2019 年 8 月,Monoxide 将上线测试网络,供开发者做技术评估。

应用场景为金融支付、医疗卫生、智慧城市等领域

一直以来,区块链技术的应用与普及都备受关注。

由于这项技术在效率提升、安全保护等方面存在巨大潜能,越来越多的行业开始认识到区块链的力量并逐步尝试落地。

而 Monoxide
异步共识组系统的提出,则让区块链技术向实际落地应用又迈进了一步。

互联网发展至今,任何一个实实在在的在线应用,都是需要承载日常大量的访问和操作以及记录大量用户的状态和信息。这导致,任何一项区块链技术的落地应用,都要求区块链技术本身有能力承载这样的流量和用户体量。这就是为什么区块链技术本身的性能对应用的切实落地至关重要。

Monoxide
异步共识组系统在丝毫没有牺牲去中心化特性实现了性能提升,每一个全节点的工作压力
(带宽、计算、内存、磁盘 IO)
并没有伴随全网横向扩展提升而显著加大。如此一来,就能够保证让一台普通中档价位的电脑轻松地作为网络的一个全节点,通过普通家用宽带网络接入主网,为推进区块链技术的落地进程作出重要贡献,意义重大。

例如,过去在金融支付领域,受到货币兑换、手续办理等因素的制约,跨国支付往往需要花费较高的时间成本,难以高效完成。而在具有公开、不可篡改属性的区块链技术的帮助下,交易双方的信用机制将得到保障,并且大幅提升系统的运转效率,降低业务成本,能够有效推动跨境支付在商业领域中的发展。

同理,区块链技术在银行清算、供应链管理、商品防伪溯源等领域也大有可为,甚至有机会带来颠覆式的改革。

另外,在以海量数据为支撑的人工智能领域,区块链技术的潜能也有极大的施展空间。

数据安全是人工智能行业内的热门话题和痛点之一,区块链技术凭借自身的去中心化、匿名化等特点,不仅能够确保领域内数据共享的安全性及私密性,还可以避免数据孤岛情况的发生。这种区块链技术与人工智能技术的有机结合,可以为智慧城市、医疗卫生、食品安全等领域提供更多可能性。

王嘉平博士现任创新工场执行董事,投资方向为区块链和人工智能,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。他曾就职于微软总部雷德蒙研究院,任主管研究员,专注分布式系统、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,有数十项研究成果发表于 ACM SIGGRAPH/ToG
顶级国际期刊,已授权的美国专利十项余项。他师从沈向洋博士
(现微软全球执行副总裁),在中科院计算所获得博士学位,其博士论文获得 2009
年度全国百篇优秀博士论文奖,是该年唯一一名计算机科学专业的获奖者。

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