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以區塊鏈實現分散型社會與應用
Blockchain的運作原理與技術問題

【作者: 盧傑瑞】   2019年11月04日 星期一

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最近,因為虛擬貨幣各種資訊的增加,讓更多的人聽到了「區塊鏈」這個名詞。一剛開始,是作為推動虛擬貨幣比特幣,並確保其可靠性的基本技術而出現,但由於它具有多種應用的潛力,因此在過去幾年中,已經在各個領域得到了證明,區塊鏈可以多元化應用發展的趨勢。


目前許多資訊系統大多是採用集中式服務形式,也就是所謂的終端-伺服器系統架構。它由少量昂貴且可靠的伺服器,和大量低成本的終端電腦所組成,並且終端電腦僅能與伺服器中心通訊。但相反的是,區塊鏈/分散式帳本技術是一種建立在P2P(Peer to Peer)系統的分散式服務形式,它由分散在各地的大量低成本電腦所組成,並在這些電腦之間可以進行相同權限的通訊(圖一)。



圖一 : 左:集中型(終端-伺服器方式);右:分散型(P2P 方式)。(製圖:CTIMES)
圖一 : 左:集中型(終端-伺服器方式);右:分散型(P2P 方式)。(製圖:CTIMES)

目前的技術架構下,當終端電腦數量(=用戶數量)增加時,對於伺服器及其網絡線路上的負載,是以集中式方式增加,但在分散式架構中,可以透過增加電腦數量來分散每個終端單元上的負載。因此,分散式架構可以降低電腦和網絡線路的成本。


區塊鏈/分散式帳本技術出現之前,就已經有分散式架構的概念和應用,其缺點是難以檢查出通訊時,其封包數據被篡改或惡意刪除。但是對於區塊鏈/分散式帳本技術的架構來說,區塊鏈網絡上的所有的電腦都共享同一帳本資料,並且透過讓下一個區塊具有作為帳本操作歷史集合,讓該區塊的散列值(Hash Value)來提供針對篡改的預防,確保容錯和拒絕資料受到不法變更。


分散式帳本技術(DLT)是一個代表比區塊鏈技術更廣闊的技術領域的概念,它是指透過結合P2P網絡和加密技術,來共享同一帳本的機制。


區塊鏈技術的運作

區塊鏈技術所期望實現的是一種分散式帳本系統,該帳本系統在網絡上的歷史記錄,是由共享同一帳本的多個節點組成。


節點將交易(Transaction)發送到周圍的節點,接收交易的節點在收集多個交易時,並生成一個新的區塊。此時,在透過多個節點所持有的大多數資訊來確認過去的區塊是有效的之後,過去區塊的散列值就會被包括在新的區塊中。過去的區塊驗證過程就被稱為共識建立或共識。之所以稱其為區塊鏈技術,是因為將數筆交易產生的新區塊像一條鏈一樣的鏈接在一起。


為了將過去區塊的散列值包括在新的區塊之中,例如,在更改第n個區塊時,就必須對第(n + 1)個塊進行更改,並重複此操作直到最後一個區塊完成修改。另外,在更改大多數節點時,還會透過共識構建無法看到更改的內容,因此隨著資料鏈變長,非法更改變得更加困難。


區塊鏈的優點

除了防止非法更改的功能外,區塊鏈系統幾乎具有與一般P2P系統相同的功能。在集中式系統中,中央伺服器在停機,或發生通訊故障時,會直接造成到整個系統的停機,因此中央伺服器和網絡設備會被要求使用具有較高的可靠性,且價格昂貴的設備。


相反地,區塊鏈系統是由多個節點共享相同資訊的架構,因此即使系統中的多個終端發生故障,但是大多數其他節點都還在正常運作,整個系統也不會出現故障。因此,區塊鏈系統對各個節點的可靠性要求不高,與集中式系統、設備和網絡的操作相比,作業網路硬體的成本可以大幅度的降低。


此外,如前一部分所述,它是一種數據結構,很難偽造歷史記錄,即使由於生成區塊時,多個節點透過共識(共識建立)進行有效性檢查,可以有效的防止出現惡意節點的參與。如果數量很少,更可以完全防止非法更改的情況。


另一方面,也相當容易在已經運行的區塊鏈系統中,為了特定的目的或工作增加另一個應用,並在同一平台上提供分散式服務,當有多個相似的應用時,就可以整合相似的應用功能來進行開發,如此一來就能有效地降低成本。


有趣的是,在例如虛擬貨幣之類的應用中,會出現獎勵機制以產生區塊,透過這樣的激勵機制,更加深的維護區塊鏈系統所需的驗證處理能力,並評估節點操作和區塊生成的成本(虛擬貨幣)轉換。


結果,即使特定實體系統不進行維護和操作服務,也可以以非集中方式操作系統。例如比特幣在成功產生第一個區塊後,截至2018年9月,一共發行了12.5 BTC(比特幣)並將其分配給生成區塊的人。就像黃金開採依樣,為了獲得新發行的虛擬貨幣,來執行區塊生成稱為開採。透過積極進行挖礦,虛擬貨幣區塊鏈系統得以自主維護和運營。


區塊鏈的類型

根據節點的存在範圍,區塊鏈可以分為三種類型。一個公共(開放)類型,它由不限制範圍的未指定數目的節點組成;一個私有(封閉)類型,它被限制在一個實體(例如企業)的範圍內;或者一個由多個實體組成的聯合體類型。許多虛擬貨幣都是公開的,如果是不公開的話,也都會預設有一定用戶數量。


在企業使用的情況下,它通常是由企業中的節點組成的私有類型,這樣可以降低系統維護所需的成本,並減少了嚴格驗證所需的耗時共識,來達到提高處理效能。但是,在私有類型中,節點分散程度較低,使得分散式的優點沒有獲得充分運用。


區塊鏈系統的好處是,可以讓多個體來參與聯盟類型,因為許多資訊系統在單一實體中是封閉的,但是可以使用聯盟區塊鏈在多個實體之間建立帳本共享機制(表一)。


表一 區塊鏈的類型分析

 

公共(開放)類型

私有(封閉)類型

聯盟型

應用平台

BitCoin

Ethereum

Hyperledger

Enterprise Ethereum

Corda

和私有(封閉)類型同?

參加者

任何人(預期會有惡意的參加者)

需要申請許可

需要申請後,獲得各方管理者許可

分散性

較低

可以提高

認證的嚴謹性

需要嚴謹的認證

簡易認證就可以

簡易認證就可以

認證速度

較快

較快

獎勵

基礎貨幣

機密資訊處理

有些可能

可能

可能

規格變更

困難

容易

容易

(整理:CTIMES)

區塊鏈的實際應用

由於區塊鏈是具有歷史記錄的分散式帳本,也就是所謂的數據庫系統,因此可以多元化的應用,直到目前為止,已經有許多實現區塊鏈技術的服務和實際案例。


數位貨幣/資金調度

說到區塊鏈用例,第一個是虛擬貨幣,也就是所謂的數位貨幣,在英語中,被稱為Cryptocurrency(加密貨幣)。區塊鏈技術最初是為了比特幣所設計的,並且可將虛擬貨幣視為區塊鏈的殺手級應用。此外,現在全球各地與區塊鏈相關的新創公司,也積極參與ICO(初始貨幣發行;Initial Coin Offering)。ICO意味著可以使用區塊鏈技術,來提供服務的用戶,可以透過發行虛擬貨幣籌集資金。


截至2019年8月為止,根據CoinMarketCap的資料顯示,虛擬貨幣的種類已經高達2492種,交易所有268家,總市值更是高達2633億美元。其中,虛擬貨幣市值前三名分別為比特幣(市佔69.0%)、以太幣(市佔7.6%)及瑞波幣(市佔4.4%),三者合計高達81.0%,幾乎佔據整個虛擬貨幣市場的規模。


智慧合約

為了使從合約從建立到履行的所有過程都能夠達到自動化,因此區塊鏈上能夠提供電子合約的應用和履行,稱為智慧合約(smart contract)。


利用合約條件和交易明細發布帳本操作指令的程式,並將合約的電子記錄記錄在區塊鏈上,可以獲得有效保存,以及達到任何人都能確認的無更改歷史的交易記錄。取決於預設條件的定義,具有複雜條件的合約可以被自動化,特別是小型合約執行的效率化和自動化,即使個人之間的交易也可以會留下紀錄,因此有相當大的潛力被應用在個人的交易和共享經濟。



圖二 : 透過區塊鏈完成智慧合約的概念。(source:Mizuho)
圖二 : 透過區塊鏈完成智慧合約的概念。(source:Mizuho)

可追溯性

區塊鏈作為保存且無法更改記錄的應用,已經可以提供跨國進行產品貿易交易的應用,其實體供應鏈可進行追溯性的驗證應用,例如鑽石和葡萄酒的貿易和銷售記錄,透過區塊鏈能夠達到確認,並且更可以確認產品或產地的假冒。


對於區塊鏈的期待和技術課題

區塊鏈技術將對數據處理架構,帶來從集中式到分散式的轉變。如果有可能建立一個分散的實用網絡來連接整個世界,那麼不難想像,所有應用和服務都將在此基礎上提供。


虛擬貨幣已經開始被市場接受,無論從技術上還是作為社會實驗,都是一種非常有趣的測試。當然,目前還是存在一些在應用時出現技術面問題,例如,區塊鏈運作效率不佳的規模化問題。


區塊鏈系統具有高可擴充性的特點,但是隨著用戶數量的增加,節點的數量和處理量的增加,會讓每個節點記錄的區塊的數據量變得巨大。另外,隨著節點數量的增加和網絡分散程度的增加,需要花費時間在整個網絡上分配數據,並且還受到每個節點性能變化的影響,因此會對整體系統造成效能會下降。


所以需要對整個系統的處理性能和分散程度之間進行有效管理,例如,交易驗證處理的高速化、區塊鏈移動的高速化、降低區塊鏈寫入資料量等等。因此,巨大的數據規模問題的是必須有效地獲得。


區塊鏈的數據規模問題

在區塊鏈中,所有節點都具有相同的數據,以實現較高的容錯性和抗非法更改性,但是,隨著交易累積數量的增加,所需的數據存儲容量也會增加。最終,較小的存儲節點將就會被填滿,而出現無法增加數據的現象。這樣所造成的結果,會有幾個具有大容量存儲的節點失去了區塊鏈功能的容錯和防止篡改功能。


長遠來看,此一問題將會造成潛在的隱憂,也就是區塊鏈的應用,僅限於對一筆交易下,只提供低數據量的環境(例如虛擬貨幣)或交易頻率較低的應用。為了解決此問題,必須減少交易本身的數量,或減少交易中包含的資料量,或是對寫入區塊的數據量的減少,提高系統處理性能。


數據規模的解決方案

▓區塊鏈外(off-chain)


Off-chain是為現有區塊鏈網絡針對小額交易的應用所發展出來的,並將多個小額交易作為單個區塊鏈交易發布。在小額交易等應用中,可以減少交易數量,而不是對每個交易發布交易。


▓嵌入式側鏈(Side Chain)


當各種應用位於一個區塊鏈網絡上時,嵌入式側鏈會根據用途對鏈進行劃分。透過為每個應用建立單獨的區塊鏈網絡,可以減少每個應用中的交易數量。還有一種機制允許鏈之間交換諸如匯款之類的數據。


▓和關聯式數據庫(Relational Database)併用


將須要記錄的大多數資料都寫入外部數據庫,並且交易中包含的資訊將被降低到所需的最少數量。具體地,可以透過減少交易中被包括的資料。例如,在區塊鏈端,僅管理參與實體之間共享的少量訊息並在外部數據庫中管理附帶訊息。或是,把所有資廖都儲存在數據庫中,並且只有記錄的分散值才會被寫入區塊鏈中。等等。


▓資料分散


這是一種數據分發機制,所有節點都不具有相同的數據,而每個節點僅具有一部分數據。將分割數據庫(Sharding)在區塊鏈中的應用,以進行驗證處理,而不是阻止數據本身,在透過分發數據本身來解決儲存容量問題(圖三)。



圖三 : 資料分散的概念。(source:Mizuho)
圖三 : 資料分散的概念。(source:Mizuho)

區塊鏈在各領域發展的現況

目前區塊鏈技術還受到比特幣的影響,大多數的人都會將虛擬貨幣和區塊鏈的印象。也促使了各金融企業紛紛投入區塊鏈的開發或應用。


不過,在過去幾年中,全球企業對區塊鏈的興趣出現了大幅度的增加,並且在區塊鏈技術的研究和開發取得了一定程度的進步,並且有許多企業對區塊鏈表現高度興趣,並嘗試的將區塊鏈相關技術做為未來投資的方向。


區塊鏈的專利申請相當的積極

在區塊鏈產業中,專利的競爭正在加速發展中。例如,IBM持續的在美國進行專利申請,已經申請了100多項專利,全年專利增加了300%,這對於擁有全球366,000名員工的公司而言,這是相當大的動作。


就全球來看,與區塊鏈相關的專利申請數量逐年增加。自2008年以來,已有1,477多名申請人申請的專利數量達到了5,760件。


其中中國申請了41%的專利,美國申請了32%,韓國申請了8%,英國申請了6%。美國和韓國共占515項專利的71%,其次是中國的74項和日本的24項,接著才是台灣和歐洲(圖四)。



圖四 : 全球區塊鏈專利申請狀況。(source:Cintelliq)
圖四 : 全球區塊鏈專利申請狀況。(source:Cintelliq)

日本與韓國的金融產業

SoftBank不僅是手機通訊服務企業,近年來,已開始提供與區塊鏈技術相關的服務。SoftBank除了自行開發之外,還與蘋果等全球大型企業合作,進行研究和開發,期望使區塊鏈可以比其他競爭對手,可以在任何地方更早地投入實際使用。


例如在2018年,SoftBank和Synchronoss、TBCASoft針對區塊鏈的行動支付服務進行合作與概念驗證,以Carrier Blockchain Study Group (CBSG)聯盟為基礎,建立了CCPS(跨運營商支付服務)的跨運營商區塊鏈平台,該平台將為全球電信運營商提供全球行動支付服務。這三家公司已成功完成PoC平台的行動支付服務的概念驗證工作,從而讓用戶從其設備端直接進行在店、行動和數位消費。例如在日本註冊的行動用戶,可在美國旅行時透過SoftBank和Synchronoss支持的RCS使用美元進行支付。


三菱日聯金融集團是日本一家主要的金融機構,也是眾所周知的大型銀行之一。目前MUFG正在與一美國業者合作開發區塊鏈應用。該區塊鏈是一項新技術,可實現比傳統更快的交易處理,並且計畫在將來擴大到IoT設備(例如小額支付和按小時計費)。


韓國的新韓銀行已獲得基於區塊鏈的信用卡系統的專利,這是全球首次將區塊鏈技術用於商業信用卡支付服務的專利,透過,新韓銀行的這項區塊鏈專利技術,可以透過該應用進行付款,而無需使用常規信用卡。


LG正在開發基於區塊鏈的兩項服務與專利。其中之一是LG的IT子公司LG CNS宣布將在其Monachain分散式帳本中增加食品配送服務。透過與IT服務提供商SayIT的合作,LG打算追蹤韓國學校餐廳所提供的食物,透過該服務將提供農產品的生產,加工,分銷,獲取和消費等等的相關數據。LG認為可以透過此一技術來改善學生的健康狀況,並將與地方政府合作以公開提供相關資訊。


另外,LG的ThinQ Wallet已經在美國獲得專利,將為包括行動通訊和電腦在內的多種設備提供交易,經紀和結算服務。這項專利註冊列出了區塊鏈,加密貨幣和「網絡貨幣發行」的應用。


LG在過去兩年中成功測試了許多區塊鏈應用程序。例如,為子公司LG Uplus設計了基於區塊鏈的國際支付行動服務的測試。同時也並且與製藥企業Celltrion和UnionBank參加了由韓國Kakao發起的Klaytn區塊鏈協議。


區塊鏈技術正跨入汽車產業

汽車產業的利潤結構,在這幾年之中正出現巨大變化。到目前為止,汽車製造商主要從新車銷售中獲利,同時一直致力於透過擴大國內需求和向其他國家出口來擴大市場。


但是,隨著各種交通服務的興起,對環境問題和安全意識的提高,目前消費者可以擁有更多選擇。例如,隨著全球交通行動服務(MaaS)之類的新概念的引入,汽車正迅速被迫加入物聯網之中。此外,為了實現「巴黎協定」中定義的二氧化碳減排目標,純電動汽車(EV)和插電式混合動力汽車(PHEV)的銷售趨勢也正在增加續。


如上所述的市場背景以及使用區塊鏈管理新技術服務,正在全球汽車業者中擴大。汽車製造商正在與各種區塊鏈技術公司合作開發新的服務和產品。如果區塊鏈技術在汽車產業的大領域獲得成功,相信將對其他產業也產生積極影響。


原材料追蹤方案

電動汽車即將成為未來環保交通工具的主流,雖然被視為不需要汽油等燃料,被營造成無汙染的交通工具的印象,但另一方面,在生產材料的方面已經引起了社會的負面觀感。例如電動汽車需要鈷作為生產的原材料之一,但鈷的生產地大多是集中在極地地區,例如位於非洲中部的剛果,約佔市場總量的60%。實際上,剛果的工人被迫在惡劣的環境中工作。


目前,無論是小孩或成年人都需要一起進行非法的採礦和工作,但是可以獲得的酬勞卻只有1至2美元。如果此類非法採礦變得透明的化,則製造商可能要承擔絕大部分的責任,因此眾多車場已經透過IBM的聯盟區塊鏈平台,追?原材料詳細資訊來解決問題並管理進行中的專案。


但是當前的問題是無法有效的確認,非法開採原材料和追?到生產場地。因此汽車業者在產品採購時,也透過生產系統化以實現高品質和大量生產的操作來建立標準,或者進行風險管理。


交通資訊管理與環境維護

BMW正積極地採用區塊鏈的技術來進行車輛資訊管理和供應鏈,透過正在進行的概念驗證實驗,利用Vechain追?和管理車輛行駛里程。


並且還計劃與IOTA合作,設計一種配備虛擬貨幣錢包的車輛。除了自動支付高速公路通行費外,更開發了一種系統,通過發送交通訊息、天氣和駕駛資訊,將此數據在IOTA市場自動進行分享,來促進更順暢的交通環境。


以解決汽車產業問題為目標的組織-MOBI

行動性開放式區塊鏈計劃(MOBI)是期望一將區塊鏈應用於汽車產業研究的組織。目前本田和豐田等主要汽車製造商等都已經加入,並將海洋協議和IOTA添加到了區塊鏈項目中,透過數據收集和共享,以使用區塊鏈技術來強化自動駕駛能力。


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