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以区块链实现分散型社会与应用
Blockchain的运作原理与技术问题

【作者: 盧傑瑞】2019年11月04日 星期一

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最近,因为虚拟货币各种资讯的增加,让更多的人听到了「区块链」这个名词。一刚开始,是作为推动虚拟货币比特币,并确保其可靠性的基本技术而出现,但由於它具有多种应用的潜力,因此在过去几年中,已经在各个领域得到了证明,区块链可以多元化应用发展的趋势。


目前许多资讯系统大多是采用集中式服务形式,也就是所谓的终端━伺服器系统架构。它由少量昂贵且可靠的伺服器,和大量低成本的终端电脑所组成,并且终端电脑仅能与伺服器中心通讯。但相反的是,区块链/分散式帐本技术是一种建立在P2P(Peer to Peer)系统的分散式服务形式,它由分散在各地的大量低成本电脑所组成,并在这些电脑之间可以进行相同权限的通讯(图一)。



图一 : 左:集中型(终端-伺服器方式);右:分散型(P2P 方式)。(制图:CTIMES)
图一 : 左:集中型(终端-伺服器方式);右:分散型(P2P 方式)。(制图:CTIMES)

目前的技术架构下,当终端电脑数量(=用户数量)增加时,对於伺服器及其网络线路上的负载,是以集中式方式增加,但在分散式架构中,可以透过增加电脑数量来分散每个终端单元上的负载。因此,分散式架构可以降低电脑和网络线路的成本。


区块链/分散式帐本技术出现之前,就已经有分散式架构的概念和应用,其缺点是难以检查出通讯时,其封包数据被篡改或恶意删除。但是对於区块链/分散式帐本技术的架构来说,区块链网络上的所有的电脑都共享同一帐本资料,并且透过让下一个区块具有作为帐本操作历史集合,让该区块的散列值(Hash Value)来提供针对篡改的预防,确保容错和拒绝资料受到不法变更。


分散式帐本技术(DLT)是一个代表比区块链技术更广阔的技术领域的概念,它是指透过结合P2P网络和加密技术,来共享同一帐本的机制。


区块链技术的运作

区块链技术所期??实现的是一种分散式帐本系统,该帐本系统在网络上的历史记录,是由共享同一帐本的多个节点组成。


节点将交易(Transaction)发送到周围的节点,接收交易的节点在收集多个交易时,并生成一个新的区块。此时,在透过多个节点所持有的大多数资讯来确认过去的区块是有效的之後,过去区块的散列值就会被包括在新的区块中。过去的区块验证过程就被称为共识建立或共识。之所以称其为区块链技术,是因为将数笔交易产生的新区块像一条链一样的链接在一起。


为了将过去区块的散列值包括在新的区块之中,例如,在更改第n个区块时,就必须对第(n + 1)个块进行更改,并重复此操作直到最後一个区块完成修改。另外,在更改大多数节点时,还会透过共识构建无法看到更改的内容,因此随着资料链变长,非法更改变得更加困难。


区块链的优点

除了防止非法更改的功能外,区块链系统几??具有与一般P2P系统相同的功能。在集中式系统中,中央伺服器在停机,或发生通讯故障时,会直接造成到整个系统的停机,因此中央伺服器和网络设备会被要求使用具有较高的可靠性,且价格昂贵的设备。


相反地,区块链系统是由多个节点共享相同资讯的架构,因此即使系统中的多个终端发生故障,但是大多数其他节点都还在正常运作,整个系统也不会出现故障。因此,区块链系统对各个节点的可靠性要求不高,与集中式系统、设备和网络的操作相比,作业网路硬体的成本可以大幅度的降低。


此外,如前一部分所述,它是一种数据结构,很难伪造历史记录,即使由於生成区块时,多个节点透过共识(共识建立)进行有效性检查,可以有效的防止出现恶意节点的叁与。如果数量很少,更可以完全防止非法更改的情况。


另一方面,也相当容易在已经运行的区块链系统中,为了特定的目的或工作增加另一个应用,并在同一平台上提供分散式服务,当有多个相似的应用时,就可以整合相似的应用功能来进行开发,如此一来就能有效地降低成本。


有趣的是,在例如虚拟货币之类的应用中,会出现奖励机制以产生区块,透过这样的激励机制,更加深的维护区块链系统所需的验证处理能力,并评估节点操作和区块生成的成本(虚拟货币)转换。


结果,即使特定实体系统不进行维护和操作服务,也可以以非集中方式操作系统。例如比特币在成功产生第一个区块後,截至2018年9月,一共发行了12.5 BTC(比特币)并将其分配给生成区块的人。就像黄金开采依样,为了获得新发行的虚拟货币,来执行区块生成称为开采。透过积极进行挖矿,虚拟货币区块链系统得以自主维护和运营。


区块链的类型

根据节点的存在范围,区块链可以分为三种类型。一个公共(开放)类型,它由不限制范围的未指定数目的节点组成;一个私有(封闭)类型,它被限制在一个实体(例如企业)的范围内;或者一个由多个实体组成的联合体类型。许多虚拟货币都是公开的,如果是不公开的话,也都会预设有一定用户数量。


在企业使用的情况下,它通常是由企业中的节点组成的私有类型,这样可以降低系统维护所需的成本,并减少了严格验证所需的耗时共识,来达到提高处理效能。但是,在私有类型中,节点分散程度较低,使得分散式的优点没有获得充分运用。


区块链系统的好处是,可以让多个体来叁与联盟类型,因为许多资讯系统在单一实体中是封闭的,但是可以使用联盟区块链在多个实体之间建立帐本共享机制(表一)。


表一 区块链的类型分析

 

公共(开放)类型

私有(封闭)类型

联盟型

应用平台

BitCoin

Ethereum

Hyperledger

Enterprise Ethereum

Corda

和私有(封闭)类型同?

叁加者

任何人(预期会有恶意的叁加者)

需要申请许可

需要申请後,获得各方管理者许可

分散性

较低

可以提高

认证的严谨性

需要严谨的认证

简易认证就可以

简易认证就可以

认证速度

较快

较快

奖励

基础货币

机密资讯处理

有些可能

可能

可能

规格变更

困难

容易

容易

(整理:CTIMES)

区块链的实际应用

由於区块链是具有历史记录的分散式帐本,也就是所谓的数据库系统,因此可以多元化的应用,直到目前为止,已经有许多实现区块链技术的服务和实际案例。


数位货币/资金调度

说到区块链用例,第一个是虚拟货币,也就是所谓的数位货币,在英语中,被称为Cryptocurrency(加密货币)。区块链技术最初是为了比特币所设计的,并且可将虚拟货币视为区块链的杀手级应用。此外,现在全球各地与区块链相关的新创公司,也积极叁与ICO(初始货币发行;Initial Coin Offering)。ICO意味着可以使用区块链技术,来提供服务的用户,可以透过发行虚拟货币筹集资金。


截至2019年8月为止,根据CoinMarketCap的资料显示,虚拟货币的种类已经高达2492种,交易所有268家,总市值更是高达2633亿美元。其中,虚拟货币市值前三名分别为比特币(市占69.0%)、以太币(市占7.6%)及瑞波币(市占4.4%),三者合计高达81.0%,几??占据整个虚拟货币市场的规模。


智慧合约

为了使从合约从建立到履行的所有过程都能够达到自动化,因此区块链上能够提供电子合约的应用和履行,称为智慧合约(smart contract)。


利用合约条件和交易明细发布帐本操作指令的程式,并将合约的电子记录记录在区块链上,可以获得有效保存,以及达到任何人都能确认的无更改历史的交易记录。取决於预设条件的定义,具有复杂条件的合约可以被自动化,特别是小型合约执行的效率化和自动化,即使个人之间的交易也可以会留下纪录,因此有相当大的潜力被应用在个人的交易和共享经济。



图二 : 透过区块链完成智慧合约的概念。(source:Mizuho)
图二 : 透过区块链完成智慧合约的概念。(source:Mizuho)

可追溯性

区块链作为保存且无法更改记录的应用,已经可以提供跨国进行产品贸易交易的应用,其实体供应链可进行追溯性的验证应用,例如钻石和葡萄酒的贸易和销售记录,透过区块链能够达到确认,并且更可以确认产品或产地的假冒。


对於区块链的期待和技术课题

区块链技术将对数据处理架构,带来从集中式到分散式的转变。如果有可能建立一个分散的实用网络来连接整个世界,那麽不难想像,所有应用和服务都将在此基础上提供。


虚拟货币已经开始被市场接受,无论从技术上还是作为社会实验,都是一种非常有趣的测试。当然,目前还是存在一些在应用时出现技术面问题,例如,区块链运作效率不隹的规模化问题。


区块链系统具有高可扩充性的特点,但是随着用户数量的增加,节点的数量和处理量的增加,会让每个节点记录的区块的数据量变得巨大。另外,随着节点数量的增加和网络分散程度的增加,需要花费时间在整个网络上分配数据,并且还受到每个节点性能变化的影响,因此会对整体系统造成效能会下降。


所以需要对整个系统的处理性能和分散程度之间进行有效管理,例如,交易验证处理的高速化、区块链移动的高速化、降低区块链写入资料量等等。因此,巨大的数据规模问题的是必须有效地获得。


区块链的数据规模问题

在区块链中,所有节点都具有相同的数据,以实现较高的容错性和抗非法更改性,但是,随着交易累积数量的增加,所需的数据存储容量也会增加。最终,较小的存储节点将就会被填满,而出现无法增加数据的现象。这样所造成的结果,会有几个具有大容量存储的节点失去了区块链功能的容错和防止篡改功能。


长远来看,此一问题将会造成潜在的隐??,也就是区块链的应用,仅限於对一笔交易下,只提供低数据量的环境(例如虚拟货币)或交易频率较低的应用。为了解决此问题,必须减少交易本身的数量,或减少交易中包含的资料量,或是对写入区块的数据量的减少,提高系统处理性能。


数据规模的解决方案

??区块链外(off-chain)


Off-chain是为现有区块链网络针对小额交易的应用所发展出来的,并将多个小额交易作为单个区块链交易发布。在小额交易等应用中,可以减少交易数量,而不是对每个交易发布交易。


??嵌入式侧链(Side Chain)


当各种应用位於一个区块链网络上时,嵌入式侧链会根据用途对链进行划分。透过为每个应用建立单独的区块链网络,可以减少每个应用中的交易数量。还有一种机制允许链之间交换诸如汇款之类的数据。


??和关联式数据库(Relational Database)并用


将须要记录的大多数资料都写入外部数据库,并且交易中包含的资讯将被降低到所需的最少数量。具体地,可以透过减少交易中被包括的资料。例如,在区块链端,仅管理叁与实体之间共享的少量讯息并在外部数据库中管理附带讯息。或是,把所有资廖都储存在数据库中,并且只有记录的分散值才会被写入区块链中。等等。


??资料分散


这是一种数据分发机制,所有节点都不具有相同的数据,而每个节点仅具有一部分数据。将分割数据库(Sharding)在区块链中的应用,以进行验证处理,而不是阻止数据本身,在透过分发数据本身来解决储存容量问题(图三)。



图三 : 资料分散的概念。(source:Mizuho)
图三 : 资料分散的概念。(source:Mizuho)

区块链在各领域发展的现况

目前区块链技术还受到比特币的影响,大多数的人都会将虚拟货币和区块链的印象。也促使了各金融企业纷纷投入区块链的开发或应用。


不过,在过去几年中,全球企业对区块链的兴趣出现了大幅度的增加,并且在区块链技术的研究和开发取得了一定程度的进步,并且有许多企业对区块链表现高度兴趣,并尝试的将区块链相关技术做为未来投资的方向。


区块链的专利申请相当的积极

在区块链产业中,专利的竞争正在加速发展中。例如,IBM持续的在美国进行专利申请,已经申请了100多项专利,全年专利增加了300%,这对於拥有全球366,000名员工的公司而言,这是相当大的动作。


就全球来看,与区块链相关的专利申请数量逐年增加。自2008年以来,已有1,477多名申请人申请的专利数量达到了5,760件。


其中中国申请了41%的专利,美国申请了32%,韩国申请了8%,英国申请了6%。美国和韩国共占515项专利的71%,其次是中国的74项和日本的24项,接着才是台湾和欧洲(图四)。



图四 : 全球区块链专利申请状况。(source:Cintelliq)
图四 : 全球区块链专利申请状况。(source:Cintelliq)

日本与韩国的金融产业

SoftBank不仅是手机通讯服务企业,近年来,已开始提供与区块链技术相关的服务。SoftBank除了自行开发之外,还与苹果等全球大型企业合作,进行研究和开发,期??使区块链可以比其他竞争对手,可以在任何地方更早地投入实际使用。


例如在2018年,SoftBank和Synchronoss、TBCASoft针对区块链的行动支付服务进行合作与概念验证,以Carrier Blockchain Study Group (CBSG)联盟为基础,建立了CCPS(跨运营商支付服务)的跨运营商区块链平台,该平台将为全球电信运营商提供全球行动支付服务。这三家公司已成功完成PoC平台的行动支付服务的概念验证工作,从而让用户从其设备端直接进行在店、行动和数位消费。例如在日本注册的行动用户,可在美国旅行时透过SoftBank和Synchronoss支持的RCS使用美元进行支付。


三菱日联金融集团是日本一家主要的金融机构,也是众所周知的大型银行之一。目前MUFG正在与一美国业者合作开发区块链应用。该区块链是一项新技术,可实现比传统更快的交易处理,并且计画在将来扩大到IoT设备(例如小额支付和按小时计费)。


韩国的新韩银行已获得基於区块链的信用卡系统的专利,这是全球首次将区块链技术用於商业信用卡支付服务的专利,透过,新韩银行的这项区块链专利技术,可以透过该应用进行付款,而无需使用常规信用卡。


LG正在开发基於区块链的两项服务与专利。其中之一是LG的IT子公司LG CNS宣布将在其Monachain分散式帐本中增加食品配送服务。透过与IT服务提供商SayIT的合作,LG打算追踪韩国学校餐厅所提供的食物,透过该服务将提供农产品的生产,加工,分销,获取和消费等等的相关数据。LG认为可以透过此一技术来改善学生的健康状况,并将与地方政府合作以公开提供相关资讯。


另外,LG的ThinQ Wallet已经在美国获得专利,将为包括行动通讯和电脑在内的多种设备提供交易,经纪和结算服务。这项专利注册列出了区块链,加密货币和「网络货币发行」的应用。


LG在过去两年中成功测试了许多区块链应用程序。例如,为子公司LG Uplus设计了基於区块链的国际支付行动服务的测试。同时也并且与制药企业Celltrion和UnionBank叁加了由韩国Kakao发起的Klaytn区块链协议。


区块链技术正跨入汽车产业

汽车产业的利润结构,在这几年之中正出现巨大变化。到目前为止,汽车制造商主要从新车销售中获利,同时一直致力於透过扩大国内需求和向其他国家出囗来扩大市场。


但是,随着各种交通服务的兴起,对环境问题和安全意识的提高,目前消费者可以拥有更多选择。例如,随着全球交通行动服务(MaaS)之类的新概念的引入,汽车正迅速被迫加入物联网之中。此外,为了实现「巴黎协定」中定义的二氧化碳减排目标,纯电动汽车(EV)和??电式混合动力汽车(PHEV)的销售趋势也正在增加续。


如上所述的市场背景以及使用区块链管理新技术服务,正在全球汽车业者中扩大。汽车制造商正在与各种区块链技术公司合作开发新的服务和产品。如果区块链技术在汽车产业的大领域获得成功,相信将对其他产业也产生积极影响。


原材料追踪方案

电动汽车即将成为未来环保交通工具的主流,虽然被视为不需要汽油等燃料,被营造成无污染的交通工具的印象,但另一方面,在生产材料的方面已经引起了社会的负面观感。例如电动汽车需要钴作为生产的原材料之一,但钴的生产地大多是集中在极地地区,例如位於非洲中部的刚果,约占市场总量的60%。实际上,刚果的工人被迫在恶劣的环境中工作。


目前,无论是小孩或成年人都需要一起进行非法的采矿和工作,但是可以获得的酬劳却只有1至2美元。如果此类非法采矿变得透明的化,则制造商可能要承担绝大部分的责任,因此众多车场已经透过IBM的联盟区块链平台,追?原材料详细资讯来解决问题并管理进行中的专案。


但是当前的问题是无法有效的确认,非法开采原材料和追?到生产场地。因此汽车业者在产品采购时,也透过生产系统化以实现高品质和大量生产的操作来建立标准,或者进行风险管理。


交通资讯管理与环境维护

BMW正积极地采用区块链的技术来进行车辆资讯管理和供应链,透过正在进行的概念验证实验,利用Vechain追?和管理车辆行驶里程。


并且还计划与IOTA合作,设计一种配备虚拟货币钱包的车辆。除了自动支付高速公路通行费外,更开发了一种系统,通过发送交通讯息、天气和驾驶资讯,将此数据在IOTA市场自动进行分享,来促进更顺畅的交通环境。


以解决汽车产业问题为目标的组织-MOBI

行动性开放式区块链计划(MOBI)是期??一将区块链应用於汽车产业研究的组织。目前本田和丰田等主要汽车制造商等都已经加入,并将海洋协议和IOTA添加到了区块链项目中,透过数据收集和共享,以使用区块链技术来强化自动驾驶能力。


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