公有链的本质挑战
本文是 Fundamental challenges with public blockchains 的非完全翻譯。
原文作者 Preethi Kasireddy 是 Coinbase 的前員工，她寫的技術文章非常適合新手閱讀。
【轉載須知】
- 請在轉載圖文中注明 1) 原文作者 2) 譯文作者 3) 譯文出處（鏈接形式注明）。
- 無需通知譯者，直接轉載即可
毫無疑問，區(qū)塊鏈技術有巨大的潛力。在 2017 年里，人們高昂的熱情為 ICO 募集了數(shù)百億資金，大大提升了加密貨幣市場的規(guī)模。
然而，另一面卻沒有得到足夠重視：區(qū)塊鏈存在一些技術壁壘（technical barriers），這導致難以有效地將它應用到主流人群里。這些技術壁壘包括：
在這篇文章里，我會一一闡述這些技術壁壘，并分享一些可行的解決方案。
1. 可擴展性的限制
當前公有鏈的共識協(xié)議都存在這樣的限制：網絡中的全節(jié)點參與者需要處理全部交易。
為什么會這樣？因為區(qū)塊鏈本質上是「去中心化」——這意味著不存在一個中心團體來保護和維持系統(tǒng)。取而代之，網絡的每個節(jié)點都會處理每筆交易并維持全狀態(tài)副本，通過這種方式來保護系統(tǒng)。
去中心化共識機制的關鍵優(yōu)勢是安全保證、政治中立和抵抗審查等。然而，這是以擴展性為代價換來的，因為去中心化限制了區(qū)塊鏈里全節(jié)點可處理交易的數(shù)量。
實質上這帶來了兩個影響
因此，在公有鏈里，我們需要在低交易吞吐量和高中心化之間做一個權衡。
換句話說，隨著區(qū)塊鏈大小的增加，網絡里全節(jié)點所需的存儲、帶寬和計算能力也會增加。當?shù)竭_某個時刻，就只有少數(shù)節(jié)點才能提供足夠資源來處理區(qū)塊——這會帶來中心化風險。
在那種情況下，我們會回到需信任少數(shù)大節(jié)點的中心化系統(tǒng)里。然而我們所希望的系統(tǒng)是：它既能每秒處理上千筆交易，又能帶來一定程度的去中心化。
可擴展性的解決方案
理想狀態(tài)下，我們希望所設計的區(qū)塊鏈有著與比特幣和以太坊相近或更好的安全性，但同時又不希望網絡里的每個節(jié)點都要處理超過一定比例的交易。換句話說，需要一種機制，來限制驗證交易的節(jié)點數(shù)量（注：因為減少驗證節(jié)點數(shù)量可以提高吞吐量），同時又保證網絡里的每筆交易都是合法可信。這聽起來很容易，但在技術上非常困難。
可擴展性是平臺走向成功的一個巨大障礙。下面是一些不同開發(fā)團隊正在努力研究的解決方案。在這一篇文章里我已經對可擴展性解決方案進行了詳細介紹，推薦大家閱讀。這里只做一個簡短總結
鏈下交易通道（off-chain payment channel）
該方案是在鏈下使用微支付通道網絡處理大部分交易。區(qū)塊鏈只作為清算層來處理一系列交易的最終清算，從而來減少底層區(qū)塊鏈的負擔。
這解決了我們前面討論的吞吐量問題，區(qū)塊鏈可處理交易的數(shù)量可提升一個量級。除此之外，由于交易都是在支付通道里處理的，無需等待區(qū)塊確認，因此交易速度問題也得到了解決，消除了時延。
Raiden Network 和 Lightning Network 都是微支付通道網絡的實例。
分片（Sharding）
分片的思想是把區(qū)塊鏈的整體狀態(tài)分割成不同的「片」，每部分狀態(tài)都由不同的節(jié)點存儲和處理。每個分片都只處理整體狀態(tài)的一小部分，因此可以做到并行處理。區(qū)塊鏈分片就像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的分片一樣，但還需額外考慮如何在去中心化的節(jié)點集合里維持安全性和合法性。
鏈下計算（off-chain computation）
這個方案和狀態(tài)通道很相似，但適用范圍更廣。其主要思想是以一種安全可證的方式，在鏈下處理一些在鏈上執(zhí)行代價很高的計算。把計算和證明處理移到鏈下的獨立協(xié)議里，可以提高交易吞吐量。一個實例是以太坊的 TrueBit。
DAG
DAG 是有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph）的縮寫，這是一種有頂點和邊的圖結構。DAG 可以保證，從一個頂點出發(fā)，沿著若干邊前進，最后不會回到原點。基于此我們可以給頂點進行拓撲排序。
DAG一些 DAG 協(xié)議，如 IOTA 的 Tangle，丟棄了全局的線性區(qū)塊概念，而是使用 DAG 數(shù)據(jù)結構來維持系統(tǒng)狀態(tài)。為了保證網絡安全，這些協(xié)議需要用某種新方法，使節(jié)點不再需要用線性方式處理每一筆交易。
另一種 DAG 協(xié)議 SPECTRE protocol，使用了區(qū)塊的 DAG 技術，可以并行挖礦，帶來更大的吞吐量和更快的交易確認時間。
DAG 技術還處在早期階段。老實說，它們也存在一些需要被解決的底層限制和缺陷。
對于擴展性解決方案，仍然推薦閱讀我先前寫的這篇文章。
2. 隱私保護的限制
區(qū)塊鏈上的交易并沒有直接關聯(lián)到你的身份，這看起來似乎是可以保護隱私的。每個人都可以匿名地生成錢包，并進行交易。
然而，事實遠沒有這么簡單。
區(qū)塊鏈技術的巨大前景之一是假名（pseudonymity）的使用：交易被記錄在公共賬本里，但是它們又與由數(shù)字和字母組成的地址保持關聯(lián)。因為無需將真實世界的身份信息關聯(lián)到地址上，交易的發(fā)起者似乎是不可能被追蹤的。
然而，這種想法是錯誤的。沒有將假名關聯(lián)到個人信息，這確實可以保護隱私。然而只要有人建立了鏈接，則隱私就不再是秘密。一個例子是執(zhí)法機構坦言他們在調查時，可以識別比特幣用戶，對他們進行反匿名（deanonymizing）。
這是怎么發(fā)生的呢？
商業(yè)網站的 Web Tracker 和 cookies 會輕易泄露與交易相關的信息。任何人，包括政府、執(zhí)法機構和惡意用戶都可以利用這些信息。
此外，區(qū)塊鏈平臺（如以太坊）的用戶與智能合約進行著復雜交互。智能合約的所有細節(jié)，包括發(fā)送者和接受者、交易數(shù)據(jù)、執(zhí)行的代碼和合約內部存儲的狀態(tài)，都是公開。
大部分公司都不會考慮把重要的商業(yè)數(shù)據(jù)上傳區(qū)塊鏈中，因為黑客、競爭者和其他非授權組織都可以輕易看到這些信息。思考一下：
- 電子醫(yī)療記錄是十分隱私和敏感的信息。
- 身份識別數(shù)據(jù)如身份證不能在智能合約上公開。
- 憑證管理如密碼和密鑰都不能放在公開和不安全的智能合約中。
- 金融文件如股權結構表或員工薪資都不能公開。
- 這樣的例子不勝枚舉
隱私保護對于個人、組織和企業(yè)來說，都是一個本質挑戰(zhàn)。許多人為區(qū)塊鏈和數(shù)字貨幣著迷，是因為這個去信任和抵抗審查的系統(tǒng)能帶來金融上的變革。矛盾的是，我們在使用的是一個公開且容易被追蹤的賬本。
隱私保護解決方案
下面是一些不同開發(fā)團隊正在努力實現(xiàn)的方案
Elliptic Curve Diffie-Hellman-Merkle (ECDHM) addresses
理解 ECDHM 地址之前，你需要理解 Diffie-Hellman 密鑰交換，它背后的思想在于雙方之間建立一個共享的秘密。在公開網絡里，這可以被用于交換秘密信息。
這是如何做到？
發(fā)送方和接收方共享 ECDHM 地址，然后通過共享的秘密將其轉化成比特幣地址。該比特幣地址只會被擁有該秘密的人知道。唯一公開的東西只有可重復使用的 ECDHM 地址。因此，用戶不用擔心交易會被追蹤。
Conceptual diagram that illustrates the general idea of the key exchange by using colors instead of very large numbers (Source: https://en.wikipedia.org/wiki/Diffie%E2%80%93Hellman_key_exchange)ECDHM 地址方案包括 Peter Todd 提出的 Stealth Addresses，Justus Ranvier 提出的 BIP47 Reusable Payment Codes 和 Justin Newton 提出的 BIP75 Out of Band Address Exchange。然而，沒有一個方案得到實際應用。
混合器（Mixer）
混合器的思想是把交易混到一個池里，收支平衡由池中的私有賬本來記錄。當池中的資金被花費后，原始交易就變得難以追蹤了。觀察區(qū)塊鏈的人可以看到池的支付金額和收款人，但是無法追蹤交易的發(fā)起人。混合器服務的一個例子是 CoinJoin。
Source: https://en.wikipedia.org/wiki/CoinJoin不幸的是，混合器不是一個可靠的解決方案。研究者可以確定 CoinJoin 里的交易，他們證明，攻擊者只要花費 $32,000，就能以 90% 的成功率識別交易。并且，研究者還證明混合器幾乎無法抵御女巫攻擊（Sybil attacks）和拒絕服務攻擊（Denial-of-Service attacks）。
另一個令人不安的地方是，需要通過一個相對中心化的實體來維護混合器的私有賬本，這意味著需要一個可信第三方來“混合”交易。
CoinJoin 不是默認交易方法，因此很少人參與到進混合池里，這導致匿名集合十分小。在人數(shù)少的集合里，可以很容易確認交易的來源。
另一種混合器方案是 CoinShuffle，這是德國薩爾布呂肯大學研究團隊設計的去中心化混合協(xié)議。CoinShuffle 嘗試解決 CoinJoin 里需要可信第三方來混合交易的問題。
門羅幣（Menoro）
不同于其他的山寨幣，門羅幣不是比特幣的分叉，而是基于另一種協(xié)議 CryptoNote。門羅幣的最大特色是環(huán)簽名（Ring Signature）方案。
環(huán)簽名是一種群簽名，群里的每個簽名者都擁有一對私公鑰對。不像傳統(tǒng)的加密簽名證明交易是單個簽名者用私鑰簽的，群簽名證明交易是群里的某個人簽名的，但不會暴露具體是誰簽的。
零知識證明（Zero-knowledge proofs）
零知識證明是指，在不揭露特定知識的情況下，證明者（prover）可以說服驗證者（verifier）他們知道該知識。換句話說，零知識的輸入是秘密的，證明者不會向驗證者揭露任何知識。零知識證明可以被用在隱私保護方案里。例子包括：
例子1：質詢/響應比賽
在計算機安全里，質詢-響應認證（challenge-response authentication）是指一類協(xié)議。在這類協(xié)議里，一方進行提問（“質詢“），另一方給出正確答案（”響應”）以獲得授權。在區(qū)塊鏈里，這個“比賽”能被用于驗證交易。如果某一交易是非法的，其他節(jié)點會注意到其非法性。這就需要提供可驗證的證明（verifiable proof），來證實交易是非法的。如果驗證失敗，則會產生一個“質詢”，要求交易的發(fā)起人生成一個“響應”，來證明交易是合法的。
這里有一個例子：假設只有 Bob 可以訪問某些資源（如他的車）。Alice 現(xiàn)在也想訪問它們（如開這輛車去雜貨店）。Bob 發(fā)起一個質詢，假設為“52w72y“。Alice 必須用一個字符串來響應 Bob 發(fā)起的質詢。使用一個只有 Bob 和 Alice 知道的算法，這是找到答案的唯一方式。此外，Bob 每次發(fā)起的質詢都會不一樣。知道先前正確的響應，并不能給 Alice 帶來任何的優(yōu)勢。
質詢/響應比賽已經被使用在區(qū)塊鏈，如以太坊里了。然而，還需要相應的函數(shù)庫和工具，來使這一類認證方案更容易被使用。
例子2：zkSNARKs
zkSNARKs 到底是什么？讓我們來逐步分解其定義：
- zk=zero-knowledge（零知識）。不需要信息本身的條件下，可以證明該信息存在。
- SNARK：Succinct Non-interactive Adaptive ARgument of Knowledge
- 簡潔（Succinct）表示證明簡潔，可以被快速驗證。
- 非交互（Non-interactive）表示驗證者不需要和證明者進行交互。取而代之，證明者會預先公開它的證明，而驗證者可以檢查它的正確性。
- 適應性知識論證（Adaptive argument of knowledge）表示某些計算的證明。
盡管我希望有一天可以寫一篇文章介紹 zkSNARKs，但這里我會跳過技術細節(jié)。zkSNARKs是一個的構建隱私保護的組件，它令人振奮且具有遠大前景，但有幾點需要注意
- SNARKs 是資源密集型的
- SNARKs 能讓用戶證明他們擁有訪問某個秘密的權限。但用戶有職責維護秘密，讓它在需要的時候能被訪問到。
- SNARKs 需要一個啟動階段，來準備需要證明的電路或運算。該階段由一組可信團體預先進行。這不僅意味著你需要信任進行該啟動階段的團體，還意味著不適合用 SNARKs 進行任意的運算，因為總需要一個準備階段。
例子3：zkSNARKs + Zcash
Zcash 是基于 zk-SNARKs，具有隱私保護特點的加密貨幣。在 Zcash 所謂的“私密交易（shielded transactions）”里，每一個被使用的幣都帶有一組匿名集合。私密交易使用“私密地址（shielded addresses）”，它要求發(fā)送方或接收方生成一個零知識證明，以在不泄露交易信息的情況下，允許其他人驗證交易。
Zcash transaction diagramZcash 無疑是一個值得關注的有趣項目。
例子4：zkSNARKs + Ethereum
在以太坊下一個要升級的協(xié)議 Metropolis 里，開發(fā)者將可以在鏈上高效地驗證 zk-SNARKs。
我們可以在支持 SNARKs 的以太坊里做什么呢？可以把某些合約變量被設為不可見。秘密信息可以與那些遵守使用 SNARKs 的合約規(guī)則的用戶存儲在一起，而不是直接存儲在鏈上。每一組用戶群自身都需要一個可信的啟動階段，這會增加一些用于準備階段的開銷。但一旦電路被設置好，它就可以被任意數(shù)量的交易使用。
在支持 SNARKs 的以太坊里，你無法把隱私與用戶分開，即做不到自治性隱私（autonomous privacy）。由于以太坊的 SNARKs 依賴用戶在鏈下維護密鑰，因此如果沒有這些用戶，就沒有地方可以找到這些秘密。
例子5：zkSTARKs
ZK-SNARKs 有一個更年輕更閃耀的同胞兄弟：ZK-STARKs，其中“T“表示”透明（transparent）“。ZK-STARKs 解決了 ZK-SNARKs 的一個主要缺陷：需要依賴一個可信的啟動階段。由于 ZK-STARKs 只依賴哈希和信息論，因此它更簡易；由于不再使用橢圓曲線和指數(shù)假設，面對量子計算機時它更加安全。
總而言之，盡管在上述的零知識證明隱私保護方案的前沿研究中，我們取得了驚人的進步，但仍然有許多工作需要去做。我們需要對零知識證明的函數(shù)庫進行實證研究和實踐檢測，使其成熟。我們需要在不同公鏈上對 zkSNARKs 和 zkSTARKs 進行實驗。在真實世界的場景里，Zcash 則需要在擴展性上給出令人滿意的使用案例。我們離這些仍有很長的路要走。
代碼混淆（Code Obfuscation）
另一種隱私保護機制是代碼混淆。該方案要找到一種方式來混淆程序 P，混淆器（obfuscator）會產生第二個程序 O(P)=Q，使得在給 P 和 Q 相同的輸入時，產生相同的輸出。但是 Q 不會揭露與 P 內部構造相關的任何信息。這使得我們可以在 Q 內部隱藏如密碼和身份證等的私密信息，但同時在程序里使用這些信息。
雖然研究者已經證明完全的黑盒混淆器是不可能實現(xiàn)的，但不可區(qū)分混淆器（indistinguishability obfuscation）是可以實現(xiàn)的，這是一種概念上弱化的混淆器。不可區(qū)分混淆器 O 的定義是，如果你使用兩個同等的程序 A 和 B（如把相同值輸入到 A 或 B 里去產生相同的輸入）計算得到 O(A)=P 和 O(B)=Q，則在無法進入程序 A 或 B 的情況下，則在計算上分辨 P 來自于 A 還是 B 是不可行的。
最近，研究者 Craig Gentry, Amit Sahai 等人完成了不可區(qū)分代碼混淆器。然而，該算法的計算開銷十分高昂。
如果開銷問題可以得到改善，則能帶來巨大的潛在好處。
舉個例子，假設以太坊的智能合約里有 Coinbase 的密碼。則我們可以寫出這樣一個程序：當智能合約滿足了特定條件后，合約通過中間節(jié)點初始化與 Coinbase 的 HTTPS 會話，使用密碼進行登錄，然后執(zhí)行交易。由于合約里的信息被混淆了，因此中間節(jié)點或區(qū)塊鏈的其他參與者都沒法修改發(fā)出的請求和獲取用戶密碼。
預言機（Oracle）
在區(qū)塊鏈世界里，預言機是指在智能合約和外部數(shù)據(jù)源之間傳遞消息的角色。它在鏈上智能合約和鏈下外部數(shù)據(jù)源之間充當數(shù)據(jù)的運輸者。因此，一種保護信息隱私性的方法是使用預言機從外部數(shù)據(jù)源中取出隱私數(shù)據(jù)。
可信任執(zhí)行環(huán)境（Trusted Execution Environments）
可信任執(zhí)行環(huán)境（TEE）是位于主處理器里的一個安全區(qū)域。在 TEE 里加載運行的代碼和數(shù)據(jù)會得到隱私性和完整性的保護。TEE 可以與面向用戶的操作系統(tǒng)并行運行，但比后者具有更好的隱私性和安全性。
Source: https://www.slideshare.net/JavierGonzlez49/operating-system-support-for-runtime-security-with-a-trusted-execution-environment-phd-thesis3. 缺乏合約的形式化驗證
智能合約的形式化驗證仍然是一個未解決的巨大問題。首先，讓我們通過“形式化證明（formal proof）”來理解“形式化驗證（formally verify）”的意思。在數(shù)學上，“形式化證明”是一種數(shù)學證明，計算機可以通過基本的數(shù)學公里和推理規(guī)則（inference rules）來證明它。
在程序方面，形式化驗證是一種判斷程序是否能按預期運行的方法。具體的規(guī)約語言可以來描述輸入和輸出之間的函數(shù)關系。也就是說，如果聲明了關于程序的一個不變式（invariant），則我們應該證明聲明的確實是不變式。
規(guī)范語言的一個例子是 Isabelle，它是一種通用證明輔助，可以在形式化語言里表達數(shù)學公式，還提供了工具在邏輯運算上來證明這些公式。另一種規(guī)范語言是 Coq，這是一種用來書寫數(shù)學定義、可執(zhí)行算法和定理的形式語言。
對于編碼在智能合約里的程序來說，為什么形式化驗證十分重要？
一個原因是智能合約是不可逆的，這意味著一旦將它們部署到主網絡里，你就無法升級或修改它們。因此在部署和使用智能合約之前，需要保證一切都不會出錯。而且，智能合約是可公開訪問的，存儲在智能合約里的內容對任何人可見；每個人都可以調用智能合約里的公開方法。這帶來了開放性和透明性，但也會吸引黑客攻擊智能合約。
無論你多么小心謹慎，寫出一個沒有 bug 和完全可信的智能合約都是十分困難的。此外，在以太坊上，由于 EVM 指令的設計方式，驗證 EVM 代碼也很困難。因此在以太坊上很難找到一種形式化驗證的解決方案。但無論如何，形式化驗證都是一種減少 bug 和攻擊的強有力手段。比起傳統(tǒng)方法（如代碼測試和同行審查），它在很大程度上可以保證正確性。我們急切地需要一種更好的解決方案。
4. 存儲限制
公有鏈上的大部分應用都需要解決存儲問題（如用戶身份、金融信息等）
然而，在公有鏈上存儲信息意味著數(shù)據(jù)
- 被網絡里的每一個全節(jié)點存儲著
- 被無限期存儲著，因為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)只增不減，且不可逆。
在去中心化網絡里，每一個全節(jié)點會存儲越來越多的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)存儲帶來了巨大的開銷。這將導致存儲變成區(qū)塊鏈應用的巨大瓶頸。
存儲解決方案
下面介紹一些項目，它們使用不同的策略將數(shù)據(jù)分割成分片（shard），并以去中心化的方法將其存儲在參與節(jié)點里。這些方法的基本前提是不讓每個節(jié)點都存儲所有數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)分散后，存儲在一個節(jié)點集合里。一些工程實例：
- Swarm：Swarm 是以太坊上的 p2p 文件分享協(xié)議。你能將程序代碼和數(shù)據(jù)存儲在主鏈之外的 swarm 節(jié)點里，這些節(jié)點與以太坊主鏈會保持連接。你可以在鏈上交換這些數(shù)據(jù)。
- Storj：文件和數(shù)據(jù)一開始會被分片和加密，然后被分散并存儲到多個節(jié)點里，每個節(jié)點只存儲數(shù)據(jù)的一小部分。這是一種“分布式存儲”。Storj 代幣（SCJX）被用來支付存儲和激勵存儲文件和數(shù)據(jù)的節(jié)點。
- IPFS：這是一種 p2p 超媒體（hypermedia）協(xié)議，它的特點是高吞吐量，基于內容尋址（content-addressed）的區(qū)塊存儲模型和超鏈接。本質上，它能以一種持久化和去中心化的方式存儲文件，同時還有歷史版本控制和減少相同文件副本的特點。
- Decent：Decent 是一個去中心化的內容分享平臺，允許用戶在沒有可信第三方時上傳和分享它們的作品（如視頻、音樂和電子書等）。存儲內容的節(jié)點會被獎勵手續(xù)費，用戶可以跳過中介，經濟實惠地接觸到這些內容。
- ... 還有更多
5. 難以證明的共識機制
區(qū)塊鏈具有”去信任（trustless）“的特點。用戶不需要信任任何人。無需信任帶來了自治、抵抗審查、真實性和無需授權等一系列引人注目的性質。
這種用來保證區(qū)塊鏈不易受攻擊者破壞的機制，被稱為“共識協(xié)議”。對于比特幣和其他區(qū)塊鏈來說，共識協(xié)議并不是一個新東西。在 1992 年，Dwork 和 Naor 就創(chuàng)建了第一個“工作量證明（proof-of-work）“系統(tǒng)，用來在無需任何信任的情況下訪問資源。這個系統(tǒng)被用來解決垃圾郵件問題。Adam Back 后來在 1997 年創(chuàng)建了名為 Hashcash 的相似系統(tǒng)。 在 2003 年，Vishnumurthy 等人首次采用 proof-of-work 來保護貨幣，但其代幣不是作為通用貨幣來使用，而是用于維護點對點文件的交易系統(tǒng)。
5 年后，中本聰（Nakamoto）用 proof of work 機制發(fā)明了一種有價值的貨幣，即比特幣。這種底層共識協(xié)議使得比特幣成為第一個在全球使用的去中心化賬本。
工作量證明（proof-of-work）共識
PoW 機制的思想是讓問題變得難以解決，但驗證起來很容易。礦工需要使用算力來進行巨大開銷的計算，同時比特幣系統(tǒng)用比特幣和交易費來獎勵給出答案的礦工。礦工擁有的算力越多，則他們在共識上的“貢獻”越大。
PoW 共識使得比特幣成為第一個在全球使用的去中心化賬本。它無需可信第三方就能解決“雙花”問題。然而，PoW 不是完美的，仍然有許多人從事著研究和開發(fā)，試圖去構建更可靠的共識算法。
PoW 存在什么問題呢？
1. 定制化硬件存在優(yōu)勢
PoW 的缺點是定制化硬件的使用。在 2013，一種名為專用集成電路（application-specific integrated circuits, ASICs）的設備被設計來專門挖比特幣。它可以將挖礦效率提高 10-50 倍。從那時起，用普通計算機的 CPU 和 GPU 來挖礦便變得無利可圖，使用 ASIC 設備變成了挖礦的唯一方法。在區(qū)塊鏈里，每個人都應該能為網絡的安全做貢獻，而 ASIC 的出現(xiàn)背離了“去中心化”的特點。
為了緩解這個問題，以太坊選用的 PoW 算法（Ethhash）是線性內存困難（sequentially memory-hard）的。該算法被設計成算出一個 nonce 值需要大量的內存和帶寬。即使是超高速計算機，也無法在需要大量的內存和帶寬的條件下同時計算出多個 nonce 值。這減少了中心化的風險，為節(jié)點創(chuàng)建一個公平競爭的環(huán)境。
當然，這不表示未來不會出現(xiàn)針對以太坊的 ASIC。定制化硬件對 PoW 算法仍然存在著巨大的威脅
2. 礦池中心化
用戶單獨挖礦時，收到區(qū)塊獎勵的機會是很小的。取而代之，他們都為礦池挖礦。礦池按比例給礦工持續(xù)的回報。礦池算力在網絡里占的權重大，大礦池所得回報的方差比單一礦工低得多。隨著時間推移，少數(shù)礦池將控制大部分網絡，而中心化的礦池控制的算力隨著時間又進一步增加。現(xiàn)在，前 5 個礦池擁有接近 70% 的全網算力，這很嚇人。
3. 浪費電力
礦工需要消耗大量電力來計算 PoW 問題。對于社會來說，這些計算是無價值的。根據(jù) Digiconomist’s Bitcoin Energy Consumption Index 所示，當前比特幣每年消耗的電力約為 29.05TWh，占全球消耗電力的 0.13%，超過了 159 個獨立國家。
隨著使用 PoW 共識的公有鏈規(guī)模的擴大，浪費的電力會越來越多。不可持續(xù)的電力浪費和 PoW 計算開銷，將不利于將公有鏈規(guī)模擴大到百萬級的用戶和交易。
共識的解決方案
有意義的 PoW
一種解決電力浪費問題的方法是用 PoW 函數(shù)來解決某些有意義的問題。比如，讓礦工用計算資源去解決困難的 AI 算法，而不是解決隨機的 SHA256 問題。
Proof-of-stake
另一種解決挖礦中心化的問題是完全拋棄挖礦，在共識里引入另一種機制來每個節(jié)點的貢獻。這就是 PoS 要做的事。
不像礦工使用算力，這里使用”權益（stake）“。如 Vitalik 所說，將“一單位算力一張票（one unit of CPU power, one vote）“變成“一塊錢一張票（one currency unit, one vote）“。
PoS 消除了對硬件的需求，因此不再有硬件中心化的問題。而且，礦工再也不用消耗大量電力來解決 PoW 問題，PoS 本質上更節(jié)能。
然而，天下沒有免費的午餐。PoS 算法也有自身的挑戰(zhàn)，它們包括
1. Nothing-at-Stake Problem：在 PoS 共識下，如果存在分叉（無論是因為意外或攻擊），則節(jié)點最好的策略會是同時“挖”每條鏈。節(jié)點不需要消耗計算資源，只需要使用自己的錢來投票。這意味著無論哪條鏈勝出，礦工都會得到獎勵。
2. Long-range attacks：在 PoW 的鏈里，如果礦工想分叉，它需要在主鏈最新區(qū)塊的前幾個區(qū)塊開始挖。礦工往回得越多，就越難追上主鏈，這需要超過網絡一半的算力才能做到。然而，在 PoS 里，由于挖礦所需的東西只是權益，即錢，礦工可以從成千上萬個塊之前開始分叉。礦工可以輕易生成成千上萬的區(qū)塊，而用戶很難發(fā)現(xiàn)哪一條鏈才是“正確”的鏈。
3. Cartel formation：在由經濟激勵治理的去中心化系統(tǒng)里，一個真實存在的風險是共同合作（coordinated efforts）和寡頭的出現(xiàn)。就如以太坊研究者 Vlad Zamfir 所說，“數(shù)字貨幣都很集中，挖礦的算力也是這樣。在”真實世界“的市場中，寡頭競爭是常態(tài)。比起大量相對貧窮的驗證者，少數(shù)相對富有的驗證者之間的合作十分容易。卡特爾（Cartel）的出現(xiàn)是完全可以預期到的。”
為了可以有效地替代 PoW，我們需要一種算法來解決 nothing-at-stake 問題和 long-range attake 問題，同時不引入新的共謀風險。
一些團隊，如 Tendermint 和以太坊，在解決這個問題上已經取得了許多進展。Tendermint 是通過設計 PoS 共識引擎將傳統(tǒng)的 BFT 算法應用到區(qū)塊鏈里。然而，Tendermint 也有自身的缺陷。統(tǒng)一，以太坊也在 PoS 的實現(xiàn)上取得了很大的進展，但是在網絡里仍沒有運行。
不像 PoW，PoS 未經檢驗且難以理解。為了理解各類設計里的不同權衡，需要進一步的研究和實驗。正因如此，我們應該在前人的工作之上共同合作，研究出一個更有效、更快和更安全的共識系統(tǒng)。
6. 缺乏治理和標準
在去中心化的公有鏈，毫無疑問，不存在一個做決策的中央集權和組織來做決策。在另一方面，每個人都是管理者——這是一個完全去信任、開源且無需授權的系統(tǒng)——然而在另一方面，又沒有一個能夠安全升級協(xié)議的方法，也沒有人負責維護協(xié)議標準。
在保持區(qū)塊鏈技術的去中心化的同時，我們需要一個由區(qū)塊鏈生態(tài)里開發(fā)者和其他成員組成的組織，來對新標準、特性和升級達成共識。如何在沒有中心化組織（如以太坊基金會）的帶領下實現(xiàn)這個目標，仍然是個未知數(shù)。
例如，以太坊當前的特定標準和特性只由一兩個開發(fā)者來指導和決策。盡管這個模式可行，但仍存有缺陷。其中之一是不夠效率——如果領頭開發(fā)者太忙，或幾天幾周內忘記回應，則標準的推進就會陷入停滯，不管這個標準對其他參與構建區(qū)塊鏈的人來說是多么重要。在沒有明確領導下制定標準，將帶來混亂，很難快速即使地對問題達成共識。在社區(qū)越大時，這種情況越嚴重。
另一種方法是完全開放和去中心化區(qū)塊鏈。然而，這會使得自治十分低效，將帶來長久的危害。
我們需要一種更好的方法。
Tezos 試圖通過鏈上治理（on-chain governance）讓區(qū)塊鏈擁有升級協(xié)議的能力，但這仍是構想，還未被實現(xiàn)，也未被證明合理。
總之，治理區(qū)塊鏈是一個棘手的問題。在治理控制權的集中和分布之間做好權衡，這是維持發(fā)展的關鍵所在。
7. 缺乏開發(fā)工具
制造充足的開發(fā)工具，這實際上是開發(fā)者的職責，尤其是對于想高效完成工作的開發(fā)者來說。
在當前區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)里，開發(fā)工具顯然無法讓人滿意。即使是經驗豐富的開發(fā)者，在區(qū)塊鏈之上開發(fā)功能性協(xié)議或去中心化應用也是一項艱巨的任務。
我從一個 Solidity 和區(qū)塊鏈開發(fā)人員的角度，列舉了一些生態(tài)里缺乏的工具
- 能夠檢查代碼錯誤，且集成開發(fā)智能合約和區(qū)塊鏈分析所需插件的 IDE。
- 有完整文檔，且容易使用的構建工具和編譯器。
- 持續(xù)更新的 API 和框架技術文檔。
- 測試框架。以太坊里有一些可用的測試框架，如 Truffle，但我們急需能提供更多選項和實驗的測試框架。我看到過許多智能合約未經過測試，卻存著數(shù)以萬計的美元。在任何情況下，缺乏測試都不是一個可以令人接受的選擇，尤其是與大額資金相關時。舉例來說，BAT 的代幣銷售合約里就沒有測試套件，但它卻在 24 秒內募集了 3600 萬美元。任何理性的人都明白，如果合約可以移動那么多錢，那它很可能會遭受攻擊。
- 調試工具。調試 Solidity 代碼就像在黑暗隧道里蒙著眼睛尋找金子。在開發(fā)網站時，我可以使用調試器一行一行單步調試代碼。但是 Solidity 開發(fā)環(huán)境里沒有類似的工具，這令人沮喪。我們急需一種可以隔離和診斷問題的易用工具。
- 日志工具。與上述相同。
8. 量子計算機的威脅
量子計算機是密碼學和加密貨幣的潛在威脅之一。
盡管目前量子計算機只能解決特定類型的問題，但這種情況不會一直持續(xù)。現(xiàn)實是十分殘酷的：只要量子計算機足夠成熟，大部分流行的公鑰加密算法都會被有效地攻破。
在設計區(qū)塊鏈和底層的加密算法時，考慮怎么使它擁有抗量子的特性是一件十分重要的事。
抗量子解決方案
我不是這個領域的專家。在我有限的認知里，后量子算法的研究有六個不同的方向： Lattice-based cryptography, Multivariate cryptography, Hash-based cryptography, Code-based cryptography, Supersingular elliptic curve isogeny cryptography, 和 Symmetric key quantum resistance systems（如 AES 和 SNOW 3G）。
不管最終方案是什么，探尋一種抗量子的密碼解決方案都是我們首要關注的重點。
其他挑戰(zhàn)
- 我們需要一種跨鏈通信的解決方案，使得我們能在不同鏈（如比特幣、以太坊和萊特幣等）之間無縫進行通信和轉賬。
- 我們需要打造一套更好的密鑰管理系統(tǒng)，使得應用程序可以基于之上運行。
- 我們需要更高效的簽名方案和密碼系統(tǒng)，使得它們可以在低運算資源的設備上運行，同時又保證安全性。
- ...還有更多
總結
ICO 吸引了太多的注意力和資金。與此同時，一些全身心投入解決上述問題的研究者和開發(fā)人員卻得不到足夠的支持。這不是一件好事。
更令人遺憾的是，許多人，包括一些領域內有影響力的開發(fā)人員和領袖在內，都因為某些利益而選擇忽略這些問題。
在接下來一年里，我的目標會
- 持續(xù)關注這些問題
- 投入時間去思考解決方案
- 鼓勵其他研究者和開發(fā)者做同樣的工作
不管當前的投資環(huán)境是否存在泡沫，我都是區(qū)塊鏈堅定的信仰者。作為開發(fā)者，我們有義務投入精力去解決這些問題，將區(qū)塊鏈帶向主流人群。同時我們也需要投資者，來發(fā)現(xiàn)和支持這些工作。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/32264334
總結
- 上一篇： Paxos算法小结
- 下一篇： Algorand 共识算法 BA* 入门