區塊鏈 | 區塊鏈可用性方面的挑戰

• 區塊鏈是一種起源於2008年的分佈式賬本系統，在隨後的發展中逐漸擴充了功能和用途，實現基於去中心化信用的點對點交易、協調與協作，從而爲解決中心化機構普遍存在的高成本、低效率和數據存儲不安全等問題提供瞭解決方案。
• 而新一代區塊鏈具有去中心化、時序數據、集體維護、可編程等特點。首先是去中心化: 區塊鏈數據的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸等過程均是基於分佈式系統結構, 採用純數學方法而不是中心機 構來建立分佈式節點間的信任關係, 從而形成去中心化的可信任的分佈式系統; 其次是時序數據: 區塊鏈採用帶有時間戳的鏈式區塊結構存儲數據, 從而爲數據增加了時間維度, 具有極強的可驗證性和可追溯性; 第三是集體維護: 區塊鏈系統採用特定的經濟激勵機制來保證分佈式系統中所有節點均可參與數據區塊的驗證過程(如比特幣的 “挖礦”過程), 並通過共識算法來選擇特定的節點將新區塊添加到區塊鏈; 第四是可編程: 區塊鏈技術可提供靈活的腳本代碼系統, 支持用戶創建高級的智能合約、貨幣或其他去中心化應用. 例如, 以太坊 (Ethereum) 平臺即提供了圖靈完備的腳本語言以供用戶來構建任何可以精確定義的智能合約或交易類型。
• 在對於區塊鏈的研究中 ，研究人員首先通過比特幣30萬次交易的數據，分析了影響比特幣提交時間的因素。首先是作爲礦工激勵因素的手續費，更高的手續費能夠吸引礦工優先將該交易寫入區塊從而更快地提交。而locktime則是主動設定延時，開始時此交易是無效的，直到指定區塊被挖出該交易才變成有效並被提交到網絡。最後是交易請求的到達順序，對於一個交易鏈條其中的交易到達的順序並不會是相同的，如果一筆交易先於其父先交易到達，即源交易不明的孤立交易，該交易會進入內存池等待或者超時後刪除。通過研究發現手續費、locktime都不是造成交易鏈條中的子孫交易延遲提交的關鍵因素。
• 在對以太坊的實驗中，研究人員發現對於交易費在25Gwei以下的交易，gas price越高提交所需的延遲越短。但當gas price大於25Gwei，手續費對延遲的影響就比較小了。且實驗結果顯示gas limit與提交延遲沒有太大關聯。作者最後對網絡延遲進行了分析，發現對於有序和無序的交易序列來說，gas price的影響不大，並且網絡的連通性對於交易的廣播有消極的影響。
• 對於目前的區塊鏈來說，一個主要的問題就是無法保證交易一定能完成，且不能準確確定交易的完成時間。更致命的一點是目前的區塊鏈系統並沒有相應的問題處理機制，如在指定時間內交易未完成後主動取消交易，導致區塊鏈在實際應用中的可用性較差。而在《區塊鏈技術發展現狀和展望》中提到的一系列應用，在性能較差、不確定性高、問題處理機制匱乏的網絡中的實際性能堪憂。
• 對於當前的區塊鏈系統，其現有機制導致從系統中讀取信息的能力遠強於寫入信息的能力，且提交所需的延遲和成功與否都具有較大的不確定性。從底層提高系統對信息的處理是比較好的解決手段，但當底層改進較爲困難時則需要在當前基礎上改進時，提供一個主動終止交易的機制就能夠發揮重要的作用，使得交易結果可控，提高了系統的可用性。從中也可以看出，當前的區塊鏈系統，雖然系統中的使用硬件的算力已經比較高，但是處理能力仍然不足，不能夠支撐計算密集的智能合約或者高頻交易且容易受到Dos攻擊的影響。所以未來可以考慮將從區塊鏈系統設計層面提高系統處理能力、改善等待機制提高提交成功率和添加完善真正應用所需的功能作爲主要研究方向，進一步提高系統可用性。

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"On Availability For Blockchain based Systems", Ingo Weber∗†, Vincent Gramoli‡∗, Alex Ponomarev∗, Mark Staples∗†, Ralph Holz‡∗, An Binh Tran∗, Paul Rimba∗