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杭州趣链科技有限公司 • 2021-09-28

联盟链的需求以及未来发展趋势解析

文章框架速读：

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区块链作为数字经济的可信基础设施，为实现数据可信、资产可信、合作可信发挥了至关重要的作用。随着区块链技术被写入“十四五”规划，国家明确了以联盟链为重点发展区块链服务平台的目标。更多场景的深度探索和应用，对区块链这项新兴技术提出了更高维度的要求与挑战。

对于联盟链的需求以及未来发展趋势可以分为以下几类：

◆三大一小：组网数量大，存储数据量大，合约规模大，交易延迟小

此类需求都是由于区块链作为可信基础设施衍生出来的，随着“新基建”的不断深入探索，用于承载可信数据的区块链平台的业务模式也会更加复杂，导致智能合约逻辑多且复杂，业务数据量呈指数级增加。更为重要的一点是，联盟链是一个多方协作的网络，参与的机构和企业会越来越多，由此造成区块链节点网络部署将会更加复杂，网络延迟以及丢包率也会进一步扩大，从而导致区块链性能大幅度降低。因此，“组网数量大，存储数据量大，合约规模大，交易延迟小”是对下一代联盟链最基础的要求之一。

◆一高一低：易用性高，接入成本低

对于区块链而言，现在最大的问题就是，接入成本过高，且易用性不强。目前大量的非区块链应用程序均采用传统的关系型数据库，以及传统基于JDBC相关的JavaWeb相关技术，并且现在大量的软件开发工程师也已经拥有这样的技术栈。现有的利用Solidity，Go，Rust等进行业务逻辑编码的相关区块链虚拟机在编码逻辑，数据存储方式上都不是特别贴近现有的软件开发思维。这也是导致现有“区块链+”难以开展的原因之一。

◆高强保护：安全性高，强隐私保护

区块链作为一个多中心化的分布式系统，在普遍情况下，都存在多家机构同时参与整个应用生态构建的情况，对于数据安全与隐私保护也有十分高的要求。隐私安全以细粒度级别为标准划分为链级别，合约级别，交易级别，且需要分别从网络、执行、存储等几个维度去考虑区块链系统的隐私保护能力。

◆软硬结合：硬件数据自动采集，软件可信数据处理

数据真实的第一公里问题，是困扰区块链的最大问题之一。对于区块链作为“可信基础设施”的定位，不少人会质疑上链数据真实性的问题。因此，对于区块链而言，结合IoT等硬件设备进行数据自动化采集与校验也是未来必不可少的一环。另外，对于区块链节点本身而言，充分发挥区块链软件的灵活性、硬件的极速计算以及软硬件的高安全特性是至关重要的，在设计实现区块链专用硬件与软硬协同体系时，也能让区块链本身的性能与安全性提升到一个更高的层次。

因此，区块链作为未来的可信基础设施与下一代价值互联网的基石，需要面临更大的挑战，趣链区块链平台也需要做更多的技术升级与迭代来满足未来“新基建”提出的重大需求。

全新的区块链网络架构：多层级异构区块链并行网络模型

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区块链作为一个庞大的可信数据基础设施，需要支持大规模组网模型。我们认为，整个区块链网络需要同时支持“横向”与“纵向”的扩展。

在此网络模型与架构下，能够实现多级异构（同构）子链的扩展与管理，实现多链之间的互联互通，更加合适去做业务的拓展以及隔离，更加符合“基础设施”的相关需求。另外，针对每条平台节点，可以做到按照节点种类进行划分，实现多类型区块链节点的分层组网模型，形成一个大规模可治理的区块链网络。因此从这两个维度来看，我们能够实现“横向与纵向”的扩展方式，形成一个新的多链异构并行的架构。

这样做的最大的好处是，在“新基建”的扩展方案中，我们可以灵活的实现“新链”的接入与管理，并且不同业务链之间完全有可能实现链与链之间的可信互通，实现多链模型下的监管与治理；同时，针对业务扩展过程中的“新伙伴”加入，也能够依据节点类型提供相应的准入模型，实现更细粒度的权限管理与控制，有利于做业务的大规模扩展。

所以，我们认为未来发展过程中一定是多元化的技术并存，区块链要发挥价值，也必须实现不同业务场景的互动，更重要的是需要有更多的合作伙伴加入才能够实现“价值互联网”的构建。区块链也不会只是单单的一条链，而是一个基础网络的载体，能够具备更强的可扩展性与兼容性。

专用的区块链存储引擎：新一代高效混合存储模型

与公链不同的是，联盟链的业务开展速度、业务数据量、业务复杂程度相对更加复杂。比如之前我们做的公积金的相关业务，目前的累积数据已经达到了200亿条，这个其实对于区块链本身的压力也是相当之大，传统单一化的区块链存储模型，利用通用的单机RocksDB、LevelDB之类的也无法满足这一数据库模型，但如果直接采用像TiKV、Aerospike等分布式数据库，虽然能解决数据量存储的问题，但是在读写十分频繁的情况下会扩大交易延迟，由此也会大大的降低区块链的执行性能。

经过分析，我们认为区块链本身存在较为独特的存储模型，可以为其设计更为专用的存储架构来适应存储需求。所以，从2019年开始，我们就已经开始对趣链区块链平台的存储架构进行了迭代升级。

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迭代升级的基本思路还是参照传统数据库的优化思路“分库分表”的模型进行展开，按照本身的数据特征进行分库仓储，但更为重要的是，在分库存储之后也需要针对其数据特征进行数据库的设计与研发，从数据库层面就应该能够适配其本身的存储模式，打造区块链专用的存储引擎。

我们在趣链区块链平台的混合存储模型中，单独设计了几个重要的组件与引擎：

◆基于文件的连续型数据存储引擎Filelog适用于区块、交易回执、交易Journal等连续型数据存取的存储数据库，能够实现高效的数据读写、回滚、归档等服务。

◆状态数据的多级缓存

面向于读写均衡且随机性很强的区块链状态数据的多级缓存，集读写缓存于一体，能够帮助区块链实现异步的批量的状态数据写入，能够实现快速的不同类型的数据库快速接入。

◆状态数据专用存储引擎VIDB

针对状态数据读写较为均衡的情况，设计了基于对存储优化好的新型默克尔树结构的存储模型，进行“存储和计算的融合”，减少读写放大，能够实现更为平衡的状态数据存取，同时更容易实现分布式扩展。

一键链改：易用的区块链执行引擎众所周知，区块链作为一个基础软件，跟业务最耦合就是智能合约，而让使用者能够直观感受到区块链是否易用的也是智能合约部分，所以，作为智能合约的载体虚拟机就显得尤为重要。

我们始终认为，一个好的虚拟机不仅仅是拥有很好的性能、可扩展，更为重要的是它的易用性，它需要对业务开发者和使用者更加友好。经过总结分析，所谓的易用性主要有几个方面：

1.编程语言的通用性，对于开发而言，不需要额外的学习一种新的语言，并且这种语言要有很好的生态；2.数据存储结构的多样性，能够按照业务逻辑提供更为多样的数据结构，使其更贴近业务；3.对于业务系统框架对接的便利性，希望能够实现快速的业务系统的对接，降低业务系统开发的成本。

因此，在趣链区块链平台的之前版本中，很早就已经推出过我们的自研的基于Go实现的Java虚拟机，性能较EVM也得到了较大的提升，另外利用Java语言本身的开发生态，为开发者提供便利，对于存储的数据结构方案，也提供了Map，List以及Table等多种类型的数据存储架构。

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于此，近期我们也将对我们的虚拟机做进一步升级，主要会聚焦在对于已有业务系统的对接成本降低方面。基于已有K/V的状态数据库存储模型，借鉴Google的《F1：A Distributed SQL Database That Scales》的思路，在区块链上实现高效的SQL解析和执行，我们会在区块链上实现SQL的编译处理以及将SQL转化到键值对存储引擎的技术组件，在保证原有的Merkle Tree计算情况下，提供了对业务更加易用的调用模式。但是需要注意的是，并不是所有的需求都适合于区块链，例如基于非索引的查询在目前的区块链系统中就显得很不合理，这也需要存储引擎的配合。

更进一步，对于业务系统而言，单单的支持SQL执行以及表数据存储结构是远远不够的，需要能够支持更便捷的业务系统对接，例如如何在传统的SSH、SSM等 JavaWeb框架中快速对接区块链，一般在Mybatis或者Hibernate中实现对于SQL语言的封装和执行，然后再通过JDBC实现数据库的访问和调用，而我们也需要实现类似的区块链JDBC接口帮助开发者实现快速的数据存取，实现更加友好的业务调用模式。

因此，趣链区块链平台能够在一定程度上实现对于业务系统的“一键链改”，大幅度降低区块链的开发的门槛和使用成本。

天然的隐私保护与并行计算模型

近年来，隐私保护也是区块链领域最热的话题之一，不少的区块链平台也推出了自己独有的隐私方案，不论是基于密码学算法的，还是基于TEE的，各类的方案都是比较完善的。在趣链区块链平台的旧版本里，我们也推出过不同类型的隐私保护方案，基于TEE的，基于分区共识的等等，但此类方案，在使用层面还是开发层面还是有比较大的限制。我们认为，造成这种情况的根本原因是，现有的区块链的共识-执行-存储的计算架构，不适合去做隐私保护，所有的共识节点都需要冗余的计算存储，也是造成隐私保护难的原因之一。

所以，只有做到执行、验证、存储分离，才可能做到更好的隐私保护，实现数据“可用可验不可见”，而在做到了执行验证存储分离之后，也更容易做到区块链的并行计算。如下图所示，平台在未来会实现，区块链的计算与验证分离，充分发挥基于TEE或ZKP的可验证计算能力，实现链下计算，链上验证，在架构层面做到链上链下的高效协同。

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