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背景

随着2017年底数字货币市场的一波牛市,越来越多的人开始了解、探索数字货币和区块链技术。在市场狂热炒和巨大的利益驱动之下,2018年各大项目团队埋头苦干,加速上币进程。我们都知道,区块链尚处发展阶段,就像90年代的互联网,或多或少存在一些泡沫,但是前景不可估量。因此如何消除泡沫、去伪存真,成为当下区块链行业发展所面临的一个重要课题。

2018年11月份的BCH硬分叉事件导致的市场暴跌,打破了很多项目团队和投资人的美梦。短短半个月的时间,数字货币市场总市值从2000亿美元跌至最低1200亿美元。比特币最高跌幅达81%,以太坊更是高达92%。一时间大量1CO项目破产跑路,2018年初雨后春笋般的空气币项目现在却横尸遍野,近乎归零。伴随着数字货币价值的剧烈波动,加密货币市场饱受争议。当前数字货币的价值虽然处于下行阶段,但是这也是一个消除泡沫、价值回归的过程。

回顾2018年整年,我们经历了上半年的1CO乱象和下半年的交易即挖矿,如今都经不起市场寒冬的考验。俗话说“币价即共识”,随着这些空气币的归零走势,“伪区块”已然没有立足之地。在当前这样一个挤压行业泡沫的阶段,经历过行业过山车的投资人和用户越来越把关注的重点转移到项目本身的价值和商业模式上来,摒弃了概念阶段的资本炒作,区块链技术的发展进入了更加成熟和清醒的阶段。

年初,就曾有人预测2018年将会是公链元年,公链之争会进入白热化状态,众多新公链如EOS、AE、ADA、TRX、ONT等都在今年内主网上线,和早已主网上线的热门公链币种ETH、NEO、QTUM等展开同台竞技,整个数字货币市场今年俨然形成了一股公链潮流。虽然当前数字货币市场总体下行,公链已褪去了原本炙手可热的外衣,但ETH、EOS这两大公链之争依旧如火如荼。

公链发展现状

1、区块链发展历程

从区块链技术角度出发,在行业发展历程中分为三个阶段:区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0。

区块链1.0:最重要的是建立了一套密码学的账本,提供了一套新的记账方法,和我们传统的记账方式完全不一样,它具备去中心化、不可篡改、不可伪造、可追溯的特点。它主要应用场景是支付、流通,典型的代表:比特币。

区块链2.0:与1.0最大的不同就是在数字货币基础上加入了智能合约,可以在此基础上做其他的应用开发。区块链2.0代表:以太坊。在区块链2.0中以太坊就相当于一个基础链,一个底层的搭建。以太坊的计划是建成一个全球性的大规模的协作网络,让任何人都可以在以太坊上进行运算、开发应用层,这样就赋予了区块链很多的应用场景和功能实现的基础。

区块链3.0: 是由区块链构造一个全球性的分布式记账系统。区块链3.0能够对于每一个互联网中代表价值的信息和字节进行产权确认、计量和存储,从而实现资产在区块链上可被追踪、控制和交易。区块链3.0会超越金融领域,进入社会公证、智能化领域。区块链3.0主要应用在社会治理领域,包括了身份认证、公证、仲裁、审计、域名、物流、医疗、邮件、签证、投票等领域,应用范围扩大到了整个社会,区块链技术有可能成为“万物互联”的一种最底层的协议。区块链3.0代表:柚子。

纵观其发展历程,区块链从最开始单一的分布式账本,向功能性的底层公链方向发展。时至今日,区块链的发展落地离不开公链的成熟,公链作为区块链的底层协议,对于区块链的应用发展来说起着至关重要的作用。

2、底层公链项目

2.1、公链介绍

底层公链项目指与区块链底层技术开发相关联,且以该公链使用权或参与权为支撑的资产,底层公链项目建立技术平台,为各种应用开发提供基础技术支撑,是未来区块链技术落地应用的核心基础,只有底层公链技术不断完善,才能支撑起未来的商业应用。

比特币作为数字货币的鼻祖,但是我们已经很难把它归结为今天所讨论的底层公链范畴。我们都知道比特币所代表的的去中心化思维是一个伟大的创新,但它的代码层面非常简单,没有实现图灵完备,只能够支持简单数据的有效传输,不能有足够的效率来支撑其他复杂应用的运行。

在这样的背景之下,一位天才少年Vitalik Buterin走上了区块链的历史舞台。以太坊的出现改变了整个区块链的运行方式。简单来说,以太坊搭建了一套比较完备的区块链操作系统,可以形象理解为电脑的Windows系统,开发者可以自己在以太坊上面搭建属于自己的应用。这样的特点仅属于我们现在所说的底层公链。

2.2、为什么会有公链之争

对于目前整个数字货币领域而言,基本是遵循“底层公链 → 解决方案 → 项目应用”的发展逻辑。公链作为区块链世界的“基础操作系统”,为区块链生态提供数据储存、网络传输、交易计算、共识机制等的底层协议。只有在底层公链扎实稳健高效运转的基础上,区块链商业应用才能发展和落地。公链在整个区块链领域的重要性和必要性,发展空间和需求都非常大。

只有在底层公链扎实稳健高效运转的基础上,区块链商业应用才能发展和落地。谁在公有链竞争中拔得头筹,谁就控制了区块链世界的入口;也就是说谁能成为区块链基础层的主链,谁就有可能成为未来区块链的“微软”。

3、底层公链概况

3.1、公链项目汇总

目前市场上已经上线流通的底层公链项目将近150个,当然我们也很清楚,这中间有绝大部分的项目目前还是徒有其表的空气阶段。今天我们主要讨论一下当前市场主流的底层公链项目。

3.2、设计理念

ETH:以太坊协议将尽可能简单,即便以某些数据存储和时间上的低效为代价。一个普通的程序员也能够完美地去实现完整的开发说明。这将最终有助于降低协议对任何特殊个人或精英团体可能产生的影响,并且推进以太坊作为对所有人开放的协议的应用前景。没有“特性”是以太坊设计哲学中的一个根本性部分。取而代之的是,以太坊提供了一个内部的图灵完备的脚本语言以供用户来构建任何可以精确定义的智能合约或交易类型。

EOS:是一款专为商业分布式应用而设计的区块链操作系统。致力于为不同应用程序提供更多相同类型的常用功能,从而提高开发人员的效率。在这种理念的影响下,EOS在系统中引入了基于角色的权限管理、用于界面开发的WEB工具包、自描述接口、自描述数据库体系以及一个声明式许可方案。

NEO:被加密货币社区成员昵称为“中国版以太坊”,是国内首个开源区块链项目。NEO是一个非盈利的社区化的区块链项目。它是利用区块链技术和数字身份进行资产数字化,利用智能合约对数字资产进行自动化管理,实现“智能经济”的一种分布式网络。NEO能够将区块链的记账系统设计成一种确定性的,没有自由裁量的,作恶会留下密码学证据的简单事务,那么这样的记账机制就可以不追求完全的去中心化,从而获得更高的效率。

ADA:⽩⽪书中将ADA定义为⼀个从科学哲学逐步发展⽽成的区 块链平台,同时也是⼀个完全开源的加密货币项⽬。ADA认为采⽤分层技术,即分为结算层与计算层,并且采⽤同⾏评审和对正式规范的检查代码来审 查所提出的协议,可以更加适应加密货币的社会⾯。

AE:是一个去中心化的应用平台。它可以通过运行在智能合约上的官方频道来进行扩展。它带入了一种新的语言,支持形式验证,同时允许开发者来编写更简单,更安全的代码。VM只容纳编译好的合约。Aeternity运用一个抗ASIC、内存限制的工作量证明机制,区块时间小于15秒。它的特点是一个整合的命名系统,可以通过不同的数据供应商,来要求和进入数据库。

TRX:波场TRON以推动互联网去中心化为己任,致力于为去中心化互联网搭建基础设施。旗下的TRON协议是全球最大的基于区块链的去中心化应用操作系统协议之一,为协议上的去中心化应用运行提供高吞吐,高扩展,高可靠性的底层公链支持。波场TRON还通过创新的可插拔智能合约平台为以太坊智能合约提供更好的兼容性。

ONT:本体是新一代公有基础链项目 & 分布式信任协作平台。提供新一代高性能基础公有链,包括完整的分布式账本、智能合约体系支持。同时本体架构支持公有链网体系,除了提供基础公有链服务,通过本体区块链框架支持不同应用的公有链定制,并通过不同协议群支持链网协作。

Qtum:量子链Qtum是首个基于UTXO模型的POS智能合约平台,可以实现和比特币生态和以太坊生态的兼容性,并通过移动端的战略,促进区块链技术的产品化和提高区块链行业的易用性,旨在将真实商业社会与区块链世界连接。因此,量子链是一个区块链应用平台的集大成者。

总的来看,ETH作为底层公链的鼻祖,给现在主流公链的创新提供了很多灵感。EOS、ADA、TRX等希望通过不同的技术来增加主网的吞吐量;AE通过云计算来提高区块的处理速度;Qutm主打跨链,通过在各条链间建立信息高速通道实现大连通;NEO和ONT等则希望通过底层预言技术和共识机制的颠覆,来构建全新的生态系统。

3.3、市场表现

图1 流通市值及最高点跌幅比较

数据来源:五六智库  时间:2018年12月5日

当前主流底层公链项目,ETH市值稳居第一,并且远超其他项目。在2017年底一波牛市之后,2018年整年,数字货币市场整体呈下行趋势,相比较于最高点跌幅,EOS至今表现稍强势一点(考虑到eos未曾经历17年的1CO泡沫,此处强势存疑)。

3.4、流动性

图2 上线交易所及换手率比较

数据来源:五六智库 时间:2018年12月5日

上线交易所数量和换手率可以反映出Token的流通性情况。上线交易所情况,作为底层公链的鼻祖,ETH占据绝对优势;换手率情况,Qutm最为突出,但是由于Qutm市值较小,且主要成交都在一些小的交易所,无法排除庄家刷量的情况。

3.5、代码更新频率

图3 近90天GitHub代码活跃度

数据来源:五六智库整理 时间:2018年12月5日

代码更新频率反应团队效率和项目进展情况。通过比较可以看出NEO、ONT、Qutm项目近期代码更新频率过慢,团队热情不高,项目进展缓慢。

底层公链研究意义

底层公链主要的定位为区块链操作系统,为各种应用开发提供基础技术支撑,是一切未来区块链商业应用的基础设施,是区块链技术落地应用的核心基础。在已有的技术中,涉及到共识机制、智能合约、跨链技术、侧链技术、兼容性和扩展性等,在这些技术的组合影响下,直接决定着区块链平台的基本性能,包括维护技术平台正常运行的节点数量、交易处理速度及应用开发的难易程度等。区块链底层平台技术开发具有技术结构复杂、开发难度大、开发周期长及争议较大等特点。

围绕着区块链平台这些底层技术,又形成包括区块链钱包、区块链浏览器、节点竞选、矿机、矿池、开发组件、开发模块、技术社区及项目社群等一系列的生态系统,这些生态系统的完善程度直接决定着区块链底层平台的使用效率和效果。

目前市场上整体生态系统比较成熟的项目主要是ETH和EOS,但这些尚不能支撑起高频的商业应用,所以市场一直在探索符合商用的区块链底层技术平台。

底层公链争议焦点

1、共识机制

工作量证明机制:Proof of Work(POW),是指获得代币的数量取决于主体挖矿贡献的工作量,一般来说,算力越高,分给矿工的“矿产”就会越多。

权益证明:Proof of Stake(POS),类似于财产储存在银行,这种模式会根据你持有代币的量和时间,分配给你相应的利息。简单来说,就是指谁拥有的币多,谁就有发言权,所以POS就是根据持币比例来证明谁有发言权。

POW和POS机制是目前的主流共识机制。ETH采用的POW机制,但是POW挖矿造成的大量资源浪费已经成为诟病,开始慢慢被摒弃。所以ETH团队很早就提出将区块网络升级成POS机制,但是时间还无法确定。AW采用的是POW+POS结合的机制。ADA、Qutm采用的是POS机制。

授权权益证明:Delegated Proof of Stake (DPoS),让每一个持有某种资产的人进行投票,由此产生一定数量的代表 ,再由选举产生的代表按照某种机制出块。从特定角度来看,DPOS有点像是代表大会制度,会议代表代替广大群众行使权力,如果代表不能履行他们的职责(比如出现作弊等情况),他们会被除名,网络会选出新的节点来取代他们。代表币种:EOS、TRX。

实用拜占庭容错算法: Practical Byzantine Fault Tolerance(PBFT),PBFT是一种状态机副本复制算法,即服务作为状态机进行建模,状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态,同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示,使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便,假设|R|=3f+1,这里f是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3f+1个副本,但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。代表币种:NEO。

对于POW共识机制,最终由于专业矿工和矿机的存在,算力过度集中让社区趋向中心化发展,此外,大量重复计算产生的高能耗也是POW被诟病的原因之一;POS和DPOS,这种不需要消耗太多算力即可达成共识的机制对POW的上述缺陷有所弥补,但依靠代币数量获得出块又形成了新的中心化趋势,在现实中,诸多项目已经或者准备采用POW+POS的共识机制模式来解决相应问题,但目前对于哪种共识机制更加优秀、更符合去中心化,尚无定论。

2、趋中心化与去中心化之争

在传统的中心化技术条件下导致的信息不对称、责权不对等的前提下,区块链去中心化的方式诞生了以后让人们眼前一亮。随着区块链这几年的发展,基于POW共识机制由于效率低下和资源浪费的诟病,已经无法满足当前区块链的发展,而且随着集中化矿池的发展,也让POW存在中心化的风险;基于POS和DPOS的共识机制,虽然能够提高效率,但牺牲了部分安全性和去中心化的初衷。

现阶段区块链的发展来看,共识机制导致的去中心化,在一定程度上可以解决一些行业过度中心化而带来的问题。但是另一方面,去中心化导致的不利于监管是显而易见的,如果区块链技术,在实名制体系下,摒弃区块链的匿名性,可能更利于政府接受。但是如果主动去迎合监管,区块链势必要向中心化发展。

3、交易处理速度

区块链系统最首要的性能瓶颈是区块数据的广播延迟,本质上受限于互联网的带宽和通讯延迟,这一点直接制约了吞吐量  TPS。对于区块链来说,因为网络节点多,分散在全球各地;而且节点所处网络状态是不可控的,无法要求它们的网络带宽,甚至无法要求它们处于稳定的网络中,这对TPS来说无疑是灾难性的。只要是区块链系统,无论具体采用了什么共识算法,无论是工作量证明PoW、权益证明 PoS、拜占庭容错 BFT,还是委托权益证明 DPoS,在出下一个区块之前,都需要保证前一个区块在全网有一定的同步率,从而约束了每个区块不能太大,出块频率也不能太高。

以EOS为代表的,通过控制节点数量提升TPS的方法,目前还存在争议。因为区块链的核心在于去中心化,减少或限制节点数量,容易给系统带来中心化的风险。

表2 TPS和节点数量比较

数据来源:五六智库  数据时间:2018年12月12日

 我们知道支付宝在双11的顶峰阶段TPS可以达到180000+,通过和传统商业应用的处理速度对比来看,现有的区块链底层公链项目的交易处理速度尚不能支撑大规模的商业应用,虽然在不断探索和开发,但区块链要真正的进入的商用应用,还需要很长的路要走。

4、DAPP现状   

不同的共识机制、算法、网络基础设施会对区块链的性能产生直接影响,而区块链的性能决定着其DAPP(分布式应用)的场景边界。所以DAPP的发展情况是一条公链最好的价值体现。

表3 DAPP数量比较

数据来源:https://spider.store/spiderdata/dapp

数据时间:2018年12月12日

目前底层公链存在的问题不仅是上表体现出来的链上DAPP项目绝对数量小,而且项目种类也相当畸形,更重要的是用户数量远不及预期。

首先,缺乏开发者。从表3中可以看出,以太坊上目前搭载的DAPP最多,且数量上远超其他公链,同时以太坊的开发者社区也是世界上最大的,拥有25万开发者。但是目前ETH网络拥堵的局限性严重的限制了DAPP的研发。EOS、TRX等公链,虽然TPS可以满足当前DAPP的运行需求,但是开发者的缺少也限制了其链上DAPP的发展。为了解决这个问题,多个公链采取的方法都是在自己代码编译器中加入对以太坊智能合约的支持,或者是对以太坊 solidity 代码的升级优化,让开发者可以将以太坊上的智能合约或者 DAPP 直接搬运到新的公链上运行。比如波场的 TVM 就兼容以太坊的 EVM,量子链也兼容 EVM,EOS 也兼容 EVM。

其次,目前公链上搭载的DAPP项目种类相当贫瘠。从图4以太坊DAPP用户分布情况可以看出,绝大多数用户集中在交易所、博彩和游戏这三个项目上,其他类型的项目可以说是忽略不计。尤其是最近博彩即挖矿的模式,一度让EOS和TRX成为了赌博公链。如何打破当前应用场景的限制,还需要公链本身和DAPP开发者不断的探索。

图4 以太坊DAPP用户分布情况

数据来源:https://dappradar.com  数据时间:2018年12月12日

底层公链发展方向

1、网络容量扩容

正蓬勃发展的区块链技术,尤其是公链领域,有一个瓶颈一直有待突破:以当今数字世界的规模和体量,任何一个在线系统,如果没有一个大容量、高吞吐的基础设施,就无法承载哪怕仅仅一个互联网级别的应用。

很可惜,中本聪的论文中完全没有考虑到这个问题,也许是走出这第一步实属不易,他也没想太多之后的事情,也许是这样的一个高性能的设计,在彻底去中心化的系统中难度太大。总之,近10年过去了,为了提高区块链系统的性能,前赴后继出现了大把项目,但到今天为止,并没有出现能够承载互联网级别应用的解决方案。

前面我们说过了由于全网广播延迟造成的吞吐量TPS的限制,目前「容量」这个问题的关注度远远少于吞吐量,原因很简单:因为吞吐量这个短板还没解决,所以容量问题被掩盖住了。请记住,一旦吞吐量实现了大幅提升,容量问题马上就会出现。本质上受限于单台全节点的内存容量,这一点直接制约了链上可以承载多少个用户 地址 以及多少个 DApp。无论具体采用了什么共识算法,只要交易验证/执行过程随时可能涉及到任何一个用户,那么单台全节点就必须随时保持全网每一个用户、每一个 DApp 相关的状态在内存里面,以供交易验证实时访问。

一个典型的例子是 EOS。当 EOS 以丧失去中心化特性为代价而解决了吞吐量问题之后,容量的问题马上就凸显出来了。然后,EOS 把账簿容量瓶颈这个问题包装成了一个稀缺资源,并将其代币化,成了 EOS RAM 虚拟币。当然除了内存,单台全节点 CPU 也会成为容量的瓶颈,所以也被代币化,成了 EOS CPU 虚拟币。不过,在类金融应用场景中,通常计算复杂度非常低,所以,内存会是主要瓶颈。尤其是当下,EOS网络上涌现了很多博彩类DAPP的刷量行为,就导致了EOS内存的瓶颈问题。

2017年11月,以太坊创始人Vitalik Buterin在一年一度的以太坊开发者大会上表示,他认为分片技术或许是可扩展性问题最有可能的解决方案。分片技术的概念源于传统数据库,顾名思义就是将区块中的数据分成很多不同的“片段”,并将它们分别存放在各个节点之上。Vitalik将这些分片比喻为“宇宙”,并解释道,这些“宇宙”同属于一个区块链系统,通过共识相互链接,如果破坏其中一个,就必须同时破坏另外99个。简单来说,分片技术就是一个分散式并行系统,在保持以太坊主链完整稳定的同时,减少每个节点的数据储存量,从而达到扩容的效果。分片技术是更长远且理论上可行的扩容方案,不过其过于复杂且存在不少问题,比如在分散式并行模式之下无法利用Merkle根植实现“不存在证明”(涉及双花问题的信息验证)等。所以说,分片技术还需要更长的时间酝酿。

2、分布式存储

公有链上的大部分应用都需要解决存储问题(如用户身份、金融信息等)然而,在公有链上存储信息意味着数据:被网络里的每一个全节点存储着;被无限期存储着,因为区块链数据只增不减,且不可逆。在去中心化网络里,每一个全节点会存储越来越多的数据,因此数据存储带来了巨大的开销。这将导致存储变成区块链应用的巨大瓶颈。

目前也正有一些技术项目正在试图将信息进行分片,并以分布式手段在每个节点进行加密存储。而这一方法的基本前提是,并非每个节点都能存储任何信息,而是有一组节点在它们之间拆分或分发数据。例如Swarm(以太坊上的P2P文件共享协议),它允许用户将信息和代码在Swarm节点中加以存储,并将这些节点连接到以太坊上,之后可以在区块链上对此数据进行交换。而IPFS作为另一种P2P超媒体协议,它提供高吞吐量、内容地址块存储模型和内容地址超链接,本质上,它允许数据的分布式存储,同时提供文件的历史传递信息,并可以删除重复文件。

这些各式各样的技术项目都为公链存储受限问题提供了技术解决思路,但是都无法满足未来区块链与大数据时代的接轨,所以解决存储问题也将是未来衡量一条主流公链的很重要的标准。

回顾与展望

区块链底层公链技术是行业发展的关键,目前各公链项目在系统状态、共识算法、智能合约、交易处理速度、可扩展及可兼容性上尚未形成明显优势的方案,诸多项目也在不同领域进行创新研究,2018年底层公链项目进入一个明显的爆发期。项目的爆发式增长,势必带来区块链技术的不断升级,最终将结合实体经济,促进社会的发展。

底层公链项目不仅需要极强的技术开发团队,还需要庞大的社区和技术社群支撑才能形成稳定生态,促进应用开发和落地。本报告主要针对目前市场上主流底层类项目进行分析,就市场现状、研究意义、争议焦点和发展方向展开分析讨论,旨在综合立体的展示当前底层公链的发展现状。

在现代金融理论中有一个非常著名的定理,即蒙代尔不可能三角(Impossible triangle)。一个国家不可能同时实现资本流动自由,货币政策的独立性和汇率的稳定性。也就是说,一个国家只能拥有其中两项,而不能同时拥有三项。如果一个国家想允许资本流动,又要求拥有独立的货币政策,那么就难以保持汇率稳定。如果要求汇率稳定和资本流动,就必须放弃独立的货币政策。

其实放在区块链领域,放在公有链领域,不可能三角定理依然存在。效率、安全性和“去中心化”三者无法同时实现,对照当下所有公有链,你会发现都只能在某两项方面比较出色,另外一项就相对欠缺。所以一个真正成熟完善的公链,并不是在某方面比较擅长,而是能在这三者上做好平衡和取舍。

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