文丨互鏈脈搏·曹元
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從2017年年底，有人提出了區塊鏈將進入3.0階段。尤其是進入2018年，行業普遍認為這一年是區塊鏈3.0元年。所謂區塊鏈3.0，目前的共識是區塊鏈應用到實體經濟。
區塊鏈每一階段的迭代，都有標誌性的技術主網上線。比如區塊鏈1.0是數字貨幣時代，標誌為2009年比特幣主網上線，之後的萊特幣、瑞波幣都是圍繞數字貨幣而應用。
區塊鏈2.0是線上智慧合約時代，標誌是2014年以太坊主網上線，之後的無論是公鏈專案如海外的IOTA、恆星鏈，國內的NEO、量子鏈，還是聯盟鏈的R3、超級賬本大都也是基於智慧合約發展起來。
區塊鏈3.0是專注於賦能實體經濟的主網上線。具有標誌意義的是去年4月，迅雷釋出百萬TPS的迅雷鏈；而後6月份EOS主網上線，也被認為是區塊鏈3.0的代表。這一代區塊鏈系統核心解決應用落地的效能問題，而後的聯盟鏈系統，比如百度超級鏈、騰訊區塊鏈、螞蟻區塊鏈等都在效能上大大領先2.0時代的產品。
以迅雷鏈旗幟鮮明上線區塊鏈3.0為節點，已經過去一年，圍繞著區塊鏈應用落地，技術不斷改進。
一、 效能大幅提升
在區塊鏈1.0、2.0時代，應用場景侷限於線上虛擬的數字資產交易，無論是比特幣、基於以太坊的遊戲、交易所，其所謂的交易資產本質都是線上虛擬的。區塊鏈的開發者也並非不希望落地，但效能不足是主因。
去年，以太坊的創始人Vitalik Buterin直接承認：“公鏈的效率還不夠高，因此很難說服人們接受使用現階段的公鏈，使用過程存在很多不便，例如確認時間較長，交易費用較高等等。”
區塊鏈1.0、2.0典型產品的效能
（製表：互鏈脈搏）
互鏈脈搏選取區塊鏈1.0、2.0時代的典型區塊鏈系統包括比特幣的Bitcoin Core 0.14版本、以太坊的Metropolis（vByzantium）階段版本以及超級賬本的Fabric 1.0版本。這些版本在2017年都有比較重大的版本更新。其吞吐量最高的是超級賬本Fabric 1.0，理論TPS上千，但使用者實際反饋的TPS在300-500。即便如此，在應對大規模交易時，仍然會有壓力。VISA的吞吐量可是24000TPS。在交易確認時間方面，2.0的公鏈系統如果落地應用，使用者體驗之差，彷彿回到了網際網路前時代。更別說，無論是比特幣、以太坊還是超級賬本，其使用都有很大的交易成本。
於是，區塊鏈3.0的產品率先解決的就是區塊鏈的效能問題，區塊鏈1.0、2.0時代的產品也紛紛向提高效能升級。
（製表：互鏈脈搏）
互鏈脈搏選取了區塊鏈3.0時代的三個區塊鏈專案代表：迅雷鏈、EOS以及百度超級鏈，另外也將比特幣和以太坊的邁向3.0的升級方案進行對比，觀察它們提高區塊鏈效能的方式。
在基礎架構上，多鏈模式成為提高效能的主要方式。迅雷鏈的同構多鏈，EOS的側鏈以及百度超級鏈的根鏈+平行鏈，還有以太坊的分片技術基本都採用這種思路。
因為區塊鏈分散式的特點，單鏈計算能力有限，在規範架構下多鏈並行，是短時間快速提高效能的方式。比特幣因為它需要確保唯一性，並不適合多鏈通訊，因此則採用閃電網路技術，閃電網路是在兩個無需信任的節點之間透過多籤的方式，雙方抵押同等數量的比特幣來建立一個雙向支付通道，在這個雙向支付通道中進行交易行為的一個比特幣的二層（Layer 2）網路。簡單來說，交易在鏈外進行。
除了架構層，共識機制的改變也是提升記賬效能的技術手段。上述區塊鏈專案，除了比特幣，都進化出了權益證明記賬的模式，就是POS當中的“S”（ stake）。迅雷鏈的S換成了A（ability）,即有能力的節點，本質也是一種權益證明。
實踐起來，新興的區塊鏈系統顯然更佔優勢。迅雷鏈去年4月份一經上線，就實現百萬TPS；百度超級鏈單系統的效能達到了10萬TPS；EOS單鏈也能實現4000的TPS。
比特幣和以太坊若要提升效能，都面臨著硬分叉的挑戰，以太坊自覺地設定了“難度炸彈”時間段。這也是它們的開發團隊早在2017年從提出設想到現在未能落地的重要原因。
然而，技術的迭代不是為了效能而效能，而是為了實體產業的應用——這也是區塊鏈3.0的要義。從迅雷鏈上線一週年至今，跑在迅雷鏈的實體應用正在漸漸增多，包括共享經濟、溯源、餐飲、電商、版權等。百度透過超級鏈系統，也佈局了版權、法院存證等專案。但EOS上面目前沒有跑什麼實體經濟的應用，嚴格來說EOS是區塊鏈3.0的產品，但仍是2.0的服務。
二、 分散式儲存匹配區塊鏈系統
除了效能大幅提升，從2018年4月份以來，區塊鏈3.0時代的技術提升還出現儲存能力及拓展性提升方面。
僅僅處理數字貨幣的記賬問題，比特幣、以太坊這樣的產品已經產生壓力，以比特幣為例，每10分鐘產生一個區塊，區塊大小為1MB，每年的區塊增長速度為24 * 60 ／ 10 * 365 = 51.3GB，10年後，大概需要5T空間。假設一個區塊鏈系統百萬TPS，按照一個交易資料100位元組計算，1天的區塊資料量為1000000 * 100 * 60 * 60 * 24 = 7.8TB，一年的區塊資料量為7.8 * 365 = 2868TB。
進入到區塊鏈3.0階段，使用者對儲存的需求進一步提高。還需要包括智慧合約程式碼以及使用者上傳的圖片、影片等等，所以，區塊鏈1.0、2.0時代的產品無法滿足儲存要求。
因此區塊鏈3.0需要新的儲存系統支援。
互鏈脈搏繼續選取區塊鏈3.0產品迅雷鏈、EOS和百度超級鏈，對比2.0時代以太坊產品，看區塊鏈儲存大檔案的能力。
從嚴格來說，沒有什麼人會在以太坊上儲存大檔案，以太坊使用顯示卡挖礦，本身就不是為了儲存大檔案的。當使用者發起一筆交易時，會以 ETH 計價給出單位 Gas 的價格。礦工已經配置了最低的 Gas 價格，較高的最低 Gas 價格會給礦工帶來更多的利潤，但是會需要放棄更多的交易。這就形成了一個用單位 Gas 來交易 ETH 的市場。程式碼消耗的 Gas 越少，執行程式碼所需的資源就會越有效率。以太坊有幾種儲存相關的模式：易失性棧訪問：堆疊（Stack）；易失性儲存器訪問：記憶體（Memory）；非易失性：儲存（Storage）。
其中最昂貴的是非易失性儲存。當資料大小為幾 KB 時，使用記憶體操作與使用堆疊操作的 Gas 成本是差不多的，但當資料大小增加時，成本呈指數級增加。這種關係如下圖所示：
（圖片製作：Albert Palau）
如果採用非易失性儲存，那麼輸入1MB的內容，需要支付3.28個以太幣作為GAS（慢速），按照4月18日市場價格，即需要11.5萬元人民幣。
（圖片製作：Albert Palau）
以太坊面臨的問題，是區塊鏈2.0及之前的系統通常存在的問題，它們更多優先區塊鏈的鏈上交易行為。
為了解決儲存成本高，更好和物理世界的連線，區塊鏈3.0系統普遍採用了其他的儲存技術。迅雷鏈自己研發了TCFS系統，EOS採用IPFS，百度超級鏈則使用百度雲的CFS系統。
但值得注意的是，百度雲的CFS系統是中心化的儲存系統。事實上許多區塊鏈BAAS平臺都是中心化的雲來進行儲存，包括阿里雲、騰訊雲、亞馬遜的AWS雲等。但中心雲宕機、丟失資料的情況時有發生，尤其是邊緣計算、區塊鏈的的發展，迫切需要更安全、匹配性更高的儲存技術。
將這分散式儲存和區塊鏈兩項技術結合在一起，使用者可以在分散式儲存網路中儲存大量資訊，並將不可變的永久地址放在區塊鏈事務中。分散式儲存網路將提供可公開訪問的資料庫，而區塊鏈提供公開驗證機制，兩者協調作戰。TCFS和IPFS都屬於分散式儲存技術。
但目前的發展來看，去年8月迅雷鏈配套的TCFS上線。近期迅雷鏈對TCFS進行了升級，將儲存層進行了抽象，實現適配多種儲存引擎，以適應不同資料量場景的要求。相比而言，目前EOS的IPFS合時上線還不可知。
從使用價格來說，TCFS的儲存費用是以太坊的數百萬分之一，甚至低於百度雲這樣的中心化儲存。
部分割槽塊鏈儲存比較
（製表：互鏈脈搏）
從應用角度，搭建在迅雷鏈上的HGBC（Human Genome Block Chain） 已經將基因檢測資料存放在TCFS上。一個完整的基因檢測資料50-60GB，其隱私性需要絕對保護，分散式儲存的TCFS提供和迅雷鏈實現了對該業務的支撐。
三、 拓展性大幅提升
為了應用能夠快速、高效落地，第三代區塊鏈系統在拓展性方面進行了許多技術迭代，這也是區塊鏈3.0產品的特點。
眾所周知，區塊鏈如果需要應用落地，良好的、拓展性強的開發環境必不可少。區塊鏈的開發環境就是區塊鏈虛擬機器。區塊鏈虛擬機器是區塊鏈智慧合約的執行環境，可把它看作是軟體模擬的可執行合約指令的虛擬計算機（包含CPU、記憶體、儲存）。類似於 CPU 可以執行彙編指令，區塊鏈虛擬機器可以執行合約指令。
每個參與到區塊鏈網路的節點，都會執行一個虛擬機器。向區塊鏈網路傳送一筆呼叫合約的合法交易，會觸發每個節點的虛擬機器執行該合約程式碼，並將執行結果記錄下來。
區塊鏈2.0的代表產品，以太坊開發了EVM虛擬機器，同期的產品大都將該虛擬機器作為標配。包括聯盟鏈系統超級賬本等也採用EVM虛擬機器。
但EVM所使用的Solidity 讓很多想轉型區塊鏈開發的程式設計師望而卻步。尤其是作為一個初學者，部署時會經常失敗，找不到原因，區塊同步也十分緩慢。
這阻礙了區塊鏈快速應用落地的效率。隨著區塊鏈應用對虛擬機器以及智慧合約的要求的增多，區塊鏈虛擬機器在技術上也在逐漸的進行完善，區塊鏈3.0中，虛擬機器主要在以下幾個方面有所發展：
（1）智慧合約多語言的支援；
（2）更快的執行速度；
（3）更加豐富的系統工具支援；
（4）虛擬機器更安全。
EOS為了解決該問題，採用了WASM虛擬機器。程式設計者可以採用熟悉的C/C++進行開發。某種程度上，因為這一改變，部署在EOS上的DAPP快速增長。
不同區塊鏈系統的虛擬機器比較
（製表：互鏈脈搏）
四、 區塊鏈3.0技術未盡事宜
當效能、儲存、拓展性問題相繼解決後，區塊鏈研發人員作出設想，區塊鏈3.0大規模應用，會形成一鏈一應用的局面，網際網路世界詬病的“資料煙囪”在區塊鏈世界非但沒有解決，資料割裂的情況更嚴重了。
這裡面有兩大難題需要解決：
1.鏈和鏈之間的資料打通問題，也可以理解為鏈與鏈的通訊問題；
2.鏈上資料的安全性和隱私性問題。
事實上，開發人員也都創造瞭解決方案，但效率低下，尚不足以支撐區塊鏈3.0的應用。
研發人員發明了多種跨鏈技術包括：
1、公證人機制（Notary schemes）；
2、側鏈/中繼（Sidechains/relays）；
3、雜湊鎖定（Hash-locking）；
4、分散式私鑰控制（Distributed private key control）。
5、“公證人機制+側鏈”混合技術。
早期跨鏈技術以瑞波和BTC Relay為代表，它們更多關注的是資產轉移；現有跨鏈技術以Polkadot和Cosmos為代表，更多關注的是跨鏈基礎設施，它們也被成為區塊鏈3.0的基礎設施。
今年3月Cosmos上線一度成為區塊鏈界的熱點，足見業內對跨鏈技術的期盼。根據Cosmos的介紹，其分為三步走，現在完成了第一個階段，正在等待網路穩定，就可以經過社羣鏈上投票決定何時開啟轉賬功能，那就進入到第二階段，第三階段是 IBC 的實現。
目前該專案的出塊速度接近7秒，並且TPS極低。雖然實驗室測試該專案能夠實現千級的TPS，但距離實際上線還有很長時日。
隱私的安全和保護是困擾區塊鏈3.0的另一大難題。網際網路世界存在一種遊戲規則：個人或企業的資料，自己無法掌控，而被網際網路平臺使用。區塊鏈出現，讓人們看到了解決這一問題的曙光，個人或企業的資料，可以安全加密被記錄，權益也可以被區塊鏈所定。但是資料只有流動才能創造價值，如何在不侵犯隱私的情況下對資料進行計算使用，在許多區塊鏈專案落地應用時，都遇到類似的問題。
密碼學專家也早早提出了很多措施，比較著名的就是同態加密、零知識證明等。
同態加密是一種無需對加密資料進行提前解密就可以執行計算的方法。透過使用同態加密技術在區塊鏈上儲存資料可以達到平衡，不會對區塊鏈屬性造成任何重大的改變。
零知識證明（ZKPs）是一種密碼學技術，是一種在無需洩露資料本身情況下證明某些資料運算的一種零知識證明，允許兩方（證明者和驗證者）來證明某個提議是真實的，而且無需洩露除了它是真實的之外的任何資訊。在密碼學貨幣和區塊鏈中，這通常是指交易資訊資料。
但據介紹，目前同態加密、零知識證明還只能處理一些個案，很難大規模使用。國外很多公鏈將其作為研發目標。國內包括迅雷鏈、百度超級鏈、螞蟻區塊鏈都將其作為重點研究專案。
