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基于“做市商账户”的区块链跨分片协议 —— BrokerChain

彭肖文，黄华威，2022年5月

论文信息：Huawei Huang, Xiaowen Peng, Jianzhou Zhan, Shenyang Zhang, Yue Lin, Zibin Zheng, Song Guo, “BrokerChain: A Cross-Shard Blockchain Protocol for Account/Balance-based State Sharding”, INFOCOM, May 5, 2022.

一、研究背景与动机

区块链是比特币、以太币等加密数字货币的底层基础技术，它综合利用了点对点（P2P）底层网络、分布式数据存储、密码学、分布式一致性共识机制、以及智能合约等计算机技术，构建出一个分布式存储的链式账本 [1][2]。区块链的底层架构为上层应用提供了存储、传输、计算等服务，具有去中心化、难以篡改、协同操作和匿名隐私等典型特征，有着较大的发展和应用前景。区块链主要应用于金融结算、商品溯源、版权保护、数据确权等业务场景 [3]。

然而，区块链底层技术仍处于初期探索阶段，还面临诸多问题和挑战 [4][5]。具体来讲，现有的区块链技术难以解决共识效率问题。例如，比特币的吞吐量为每秒 7 条交易、以太坊的吞吐量也仅为每秒 14 条交易，远低于商用级别所需的吞吐量要求。只有提高了区块链的可扩展性，才能扩大其适用场景，从而赋能数字经济、金融保险、政务等多个领域与行业。

针对区块链的可扩展性，研究人员提出了多种不同的技术方案，如闪电网络[6]、DAG技术[7]、状态通道[8]和分片机制[9]等。其中，分片（Sharding）是一种可提高区块链可扩展性的链上扩容技术。分片机制将完整的账本数据切分为多个互不相交的子账本，再让不同的区块链节点群（也称为分片）管理不同的子账本，多个分片可以并行验证交易，以此线性提升区块链系统的事务处理能力。

但是，区块链分片技术仍面临诸多挑战。如图1所示，基于账户模型的分片机制存在两个问题：第一个问题是跨分片交易比例过高，几乎所有交易均为跨分片交易。过高的跨分片交易率不仅给系统增加了额外的交易负载，而且会造成大量的跨分片通信开销。第二个问题是分片间的交易负载严重失衡，存在冷热不均的现象。我们分别称需要处理过量和少量交易的分片为热分片（Hot Shard）和冷分片（Cold Shard）。热分片由于被持续注入大量的交易，产生了交易拥挤的现象，这会增加交易的确认延迟。而冷分片内只有少量交易可以处理，所产生的区块的交易填充率不高，造成了算力、带宽等资源的浪费。面对如上两个问题，一个难题是如何保证跨分片交易比例较低的同时保证分片间的交易负载均衡。

（a）跨分片交易比例高
(b) 分片间的交易负载不均衡
图1  区块链分片技术的两大挑战

另一方面，在基于状态分片的区块链系统中，跨分片交易的验证和处理策略是至关重要的。系统需要支持分片间的通信，来保证跨分片交易执行的“原子性”。目前已有的比较高效的跨分片交易方案主要通过如图2所示的消息传递方式进行。首先，交易在源分片上链后，源分片的节点会向目标分片发送一个包含 Merkle Path 证明的中继消息。目标分片的节点接收到中继消息后，通过 Merkle Path 验证对应交易的正确上链情况，再在目标分片将关联交易上链，从而实现对相关区块链状态的更新。因为跨分片验证的存在，跨分片交易的延迟在理论上至少是片内交易时延的两倍。当位于目标分片内的关联交易迟迟无法上链时，跨分片交易的共识延迟有可能无限大。

图2  Monoxide [13] 采用“中继交易”来处理跨分片交易

为了减少跨分片交易比例、实现分片之间的负载均衡、并且保证跨分片交易的原子性，本文旨在提出一种新的跨分片协议来提高分片区块链的吞吐量和降低交易的平均确认延迟。

二、本文贡献

  • 本文提出了一套新的跨分片交易处理协议，通过引入“做市商账户”来减少跨分片交易的数量和加速跨分片交易的上链。而且，通过引入“双Nonce”机制和“部分时间状态锁”机制来防止双花交易，并保证跨分片交易的原子性。
  • 本文还提出了状态划分方案，代替分片区块链原本使用的静态状态划分策略。该分片划分方案根据一定时间内的历史交易信息构建一个账户交易状态图，并对其进行图划分。图划分的目标是平衡各个分片的交易量的同时最小化跨分片交易的数量。通过划分的结果，对每个分片内的账户状态进行动态的调整，从而缓解系统的单分片过热和跨分片交易比例过高的问题。

三、提出的跨分片协议简介

 1. 提出协议的概述

    本文提出的区块链动态分片协议的整体框架如图3所示。和传统的分片协议一样，所提出的动态分片协议以“时期 (Epoch)”为单位来运行。时期的定义为固定的片内交易共识轮次或者固定长度的时间。我们采用BFT类共识协议作为片内共识协议。在所提出的协议中，根据职能的不同，存在两种不同类型的分片：工作分片（Mining shard, M-shard）和划分分片（Partition shard, P-shard）。它们分别负责处理不同的事务，具体分工描述如下：

  • 工作分片。工作分片中的节点负责接收、验证和转发交易，并将通过片内共识协议，将合法的交易进行打包上链。工作分片所产生的包含交易的区块，称为交易区块（Transaction Block）。
  • 划分分片。划分分片中的节点负责同步工作分片中待确认的交易，并根据收集到的交易，执行给定的账户划分算法，并且维护更新后全局的账本状态。划分分片通过产生状态区块（State Block）来引导工作分片安全可靠地进行账户状态的转移和分片账本状态的更新。
图3  区块链动态分片协议整体框架

图3展示了本文所提出的跨分片协议的整体框架，包括4个关键步骤，具体描述如下：

  1. 工作分片持续接收、验证和转发客户端发送的交易信息，维护一个待上链确认的分片交易池。工作分片内的节点会通过共识协议，进行交易的验证和上链确认，产生相应的交易区块。同时，这些交易区块和待确认的交易池会被同步到划分分片中。
  2. 划分分片持续监听所有工作分片中的交易信息，构造账户交易网络并且执行Metis划分算法，对账户进行分片划分。
  3. 划分分片根据账户划分的结果，生成最新全局的分片区块链的状态信息。然后，主分片通过共识协议，记录相应的状态信息到区块中，生成相应的状态区块并且对该区块做上链共识。该状态区块会被同步到所有工作分片中。
  4. 工作分片根据状态区块中所记录的划分结果来更新自身分片的账本状态。区块链分片系统准备进入下一个时期。

2. 保障跨分片交易处理的有效性

    如图4所示，针对跨分片交易延迟高的问题，本文基于状态划分算法拟提出一种新的跨分片协议来缓解跨分片交易处理的效率问题。该协议的基本思路阐述如下：在进行状态划分的过程中，系统会同时招募一些特殊的充当中间人的账户，我们称这些特殊的账户为“做市商账户”。系统允许一部分普通用户通过自愿抵押一定的资产，选择充当做市商账户。做市商账户的状态会被系统分割成两部分或多个部分，分别存储在两个或多个分片中，从而参与到若干个跨分片交易的协调当中。做市商账户的协调机制可以减少基于转账类型的交易的跨分片通信，因此可以减少跨分片交易的延迟，从而提高跨分片交易执行的效率。

图4  基于做市商账户的机制加速跨分片交易的共识

图5展示了本文提出的跨分片协议对跨分片交易的执行原理与流程。本文在交易的数据结构中通过引入“部分状态时间锁”，从而实现跨分片交易的原子性执行。假设处于分片1的账户A给处于分片2的账户B发送一笔交易 $\Theta_raw$（如步骤1所示），中间做市商账户 C 会将原交易打包成另一个交易 $\Theta_1$，并广播到分片1（如步骤2所示）。分片1对交易 $\Theta_1$ 执行“A给C转账并锁一定时间”操作并上链（如步骤3所示）。当中间商账户C 在一定时间内观察到交易 $\Theta_1$ 在分片1成功上链后，会向分片2广播交易 $\Theta_2$（如步骤4所示）。最后，步骤5中，分片2对交易 $\Theta_2$ 执行 “C给B转账” 的操作并上链，从而最终实现一笔跨分片交易的执行。如果交易过程中因为某一方作恶或者超时，则执行中断操作：分片2会对 $\Theta_1$ 进行上链，并向分片1发送证明 $\gamma$，从而中断对跨分片交易的执行。

图5  保证跨分片交易原子性的流程

四、实验结果

实验设置：本文使用 python 搭建了一个分片区块链的仿真实验环境，实现了基于Metis图划分的分片调整和“做市商账户”跨分片交易机制。关于数据集，本文使用了以太坊从2015年8月7日至2016年2月13日的1,600,000条真实历史交易。在实验过程中，交易以一定的交易到达率被注入到各个分片中。每个分片的出块时间间隔设置为8秒，每个区块打包交易数量上限为2000条，分片数量为32个。实验测试了不同交易到达率和不同分片数量下的系统吞吐量和平均交易延迟。

主要实验结果：如图6所示，本文提出的分片协议与 Monoxide [13] 采取的分片机制相比，吞吐量最大提升150%，平均交易延迟降低70%；与基于负载均衡优先（Load Balance First，LBF）的动态分片调整协议相比，吞吐量最大提升10%，平均交易延迟降低40%。可见，与 Monoxide [13]提出的“中继交易”协议相比，本文提出的 BrokerChain 协议能够保证跨分片交易在较短的时间内完成，从而降低跨分片交易的交易延迟。

图6  吞吐量和平均交易延迟随交易到达率的变化

如图7所示，与基于Metis图划分方法相比，本文提出的机制可以将跨分片交易的比例进一步降低10%。

图7  跨分片交易比例 (分片数量为64)

五、提出的机制应用到工业界的前景分析

1. 区块链分片机制的应用前景

如今，区块链技术已经被诸多国家认可，各国加大了对区块链产业发展的布局，并争抢产业的制高点。我国也不断布局推动区块链产业的发展，2021 年我国发布了《指导意见》，进一步明确了区块链的发展目标，推动相关应用落地。近年来，国内头部企业纷纷推出自己的联盟链平台，如国产开源联盟链底层平台 FISCO BCOS [10]、蚂蚁链（AntChain）[11] 和华为云区块链 [12] 等。

联盟链的底层基础设施平台为上层应用提供了分布式存储、高效价值传输、分布式计算等服务，其发展状况已经成为推动区块链业务是否繁荣的关键因素。虽然联盟链技术已经有相关的落地场景，但大多局限于小规模的共识场景。现有的联盟链技术难以解决大规模共识节点和拥有大量交易的场景下的共识问题。只有提高了联盟链的可扩展性，才能更好地支撑其适用的大规模应用场景，从而赋能数字经济、数字政务等领域与行业。

本文提出的机制，针对面向广域网的大规模联盟链基础设施，采用分片技术实现提升区块链的可扩展性能。基于分片机制的联盟区块链是一个充满潜力的研究与应用方向。

2. 区块链跨分片协议的应用前景分析

2021年初国家发布“十四五规划纲要”，指出区块链是赋能数字经济的重要基础设施。目前国内区块链领域是多链共存的现状，因此跨区块链平台实现数据与业务的高效交互十分必要。本文提出的基于做市商账户的跨分片协议，理论上可以扩展为跨链协议，它能为多个链之间提供一种简单、高效的跨链交易的服务。在跨链交易能够执行成功的情况下，可以大大减少跨链通信；在跨链交易执行失败的情况下，通过生成交易的失败证明，并执行资产回滚操作，来维护跨链交易的原子性和数字资产的全局状态一致性。

参考文献

[1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[J]. Decentralized Business Review, 2008: 21260

[2] Wood G. Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger[J]. Ethereum project yellow paper, 2014, 151(2014): 1-32

[3]中国工商银行金融科技研究院. 区块链金融应用发展白皮书[R/OL]. 2020. http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202004261378665796_1.pdf

[4] Zheng Z, Xie S, Dai H N, et al. Blockchain challenges and opportunities: A survey[J]. International Journal of Web and Grid Services, 2018, 14(4):352-375

[5] 韩璇, 袁勇, 王飞跃, 等. 区块链安全问题: 研究现状与展望[J]. 自动化学报, 2019, 45(1):206-225

[6] Poon J, Dryja T. The bitcoin lightning network: Scalable off-chain instant payments[EB/OL].2022. https://www.bitcoinlightning.com/wp-content/uploads/2018/03/lightning-network-paper.pdf

[7] Pervez H, Muneeb M, Irfan M U, et al. A comparative analysis of dag-based blockchain architectures[C]//2018 12th International conference on open source systems and technologies(ICOSST). IEEE, 2018:27-34

[8] Dziembowski S, Faust S, Hostáková K. General state channel networks[C]//Proceedings of the2018 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS’18). ACM,2018:949-966

[9] Luu L, Narayanan V, Zheng C, et al. A secure sharding protocol for open blockchains[C]//Proc.of ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS’16). ACM,2016:17-30

[10] Li H, Li C, Li H, et al. An overview on practice of fisco bcos technology and application[J].Information and Communications Technology and Policy, 2020, 46(1):52-60

[11] 蚂蚁链. https://antchain.antgroup.com/docs/11/101801

[12] 华为区块链白皮书2021，建设融合开放的数字经济基础设施 [R/OL]. 2021. https:// res-static.hc-cdn.cn/cloudbu-site/china/zh-cn/BCS/BCS__2.0.pdf

[13] J. Wang and H. Wang, “Monoxide: Scale-out blockchains with asynchronous consensus zones,” in Proc. of 16th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI’19). Boston, MA: USENIX Association, Feb. 2019, pp. 95–112

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Web3、DAO、与区块链 | Apr27话题

By 黄华威，2022年4月27日

早上起床翻看朋友圈，读到一篇最新的关于 Web3 的文章，题目为《Web3革命：逃离、信仰、大迁徙》，发表在虎嗅网。然后冲泡咖啡时，找了一些 Web3 的播客，听了几个音频。又把我一年前发表的一篇关于 DAO 的综述论文打印出来。阅读之后，我决定撰写一篇 Web3 感想的文章。于是就有了这篇 blog。

我们先简要过一下这篇文章。这里仅仅挑选一些 highlights，具体内容还请自行前往阅读。

文章提到 “国内至少六家互联网大厂的高级管理者或高级技术人才，放弃了稳定的高薪和可观的期权，主动探索Web3世界。” 紧接着，文章列举了几个有代表性的践行者在这个新兴赛道的早期探索与尝试。其中美团联合创始人王慧文对 Web3 学习之后，提出如下观点：“区块链撕裂了中国互联网，中国互联网的主要矛盾从巨头与创业公司的矛盾转变成古典互联网与区块链之间的矛盾”。2020年他从美团退休，开始探索新的赛道。另一个有代表性的 Web3 的从业者是前字节跳动90后程序员郭宇。2020年他从字节离职后，开始专心研究区块链技术与应用，后来全身投入 Web3 赛道。可见，从大厂高管到大厂年轻人，Web3 正在吸引源源不断的互联网人加入这个行业。

那说到这里， Web3 究竟是什么？继续引用这篇文章的说法：“Web3是指基于区块链技术的去中心化在线生态系统，许多人认为它代表了互联网的下一个阶段”。一名传统投资机构合伙人认为“目前Web3行业，很像2000年的互联网”。在目前的 Web3 行业，也逐渐有一些雏形产品问世，比如被视为去中心化的支付宝 MetaMask，被视为去中心化的QQ音乐 Audius，以及全球最大 NFT 交易平台 Opensea，等等，这些去中心化的应用已经在全球范围内吸引了千百万的用户，这些公司也逐渐成为全球最具影响力的公司。

接下来，咱们粗略地概括一下 Web3 与 区块链、还有 DAO 之间的关系。继续借用刚才文章中的观点：“区块链是一种技术，DAO是一种制度，Web3则是一种文化”。

大家已经很熟悉区块链了，我们不再赘述。我们看一下什么是 DAO。DAO的字面意思是“去中心化 自主治理的 组织”，它是一种去中心化组织形态，当然也可以通俗地理解为“去中心化的公司”，是建立在区块链基础之上的 一个自治系统。其实 DAO 不一定必需区块链技术才能建立。具有相同理念和共识的一帮人即可形成一个DAO。而且人们未必需要区块链才能形成共识。比如，文章举了一个例子：在互联网世界，当人们强烈认同一个视频或者文章时，即使不断被中心化机构删除，人们可以通过自发存储和不停地转载，将其尽力保留在网络上。这样的自发行为其实就是 DAO 的思想和 Web3 文化的一种体现。进一步来讲，如果借助区块链的技术，这些人们产生的共识，会更加容易地被记录、被分享，从而更好地践行 DAO 与 Web3 的理念与文化。

好，关于这篇文章的内容，我就为大家分享到这里。接下来的一段时间，我会通过几篇文章来逐步谈一下 Web3 行业 与 区块链、DAO 之间的关联。这里我们稍微展望一下 Web3 与 DAO 的未来。目前来看，虽然互联网人是最具有创新精神的一个群体，但是能突破 旧思维 去 拥抱新的变化，去参与新赛道，仍然是逆人性的行为，是充满挑战的。不管如何，这个世界唯一不变的真理就是这个世界在一直变化着。任何人都阻挡不了新趋势的发展。总有一个时刻你会觉得：如果不去主动拥抱变化，就会被趋势所碾压。

目前，Web3 与 DAO 已经被应用到了 互联网、金融、艺术 等等具有代表性的 为数不多的几个行业，但是这场变局已经悄悄铺开了10年时间。不用焦虑，因为社会大众对 DAO 的认识 还有 Web3 文化的了解， 远远尚未成熟。因此，这个赛道未来是一片蓝海。

然后，我再稍微提一下一年前发表在 IEEE OJ-CS 期刊上关于 DAO 的综述论文。我们论文题目是 “From Technology to Society: An Overview of Blockchain-Based DAO”，翻译过来就是“从技术到社会：对基于区块链技术的 DAO 的概览”，于2021年4月13日正式发表在 IEEE 计算机协会旗下的一个新刊 IEEE Open Journal of the Computer Society (OJ-CS)。

这篇论文主要梳理与讨论了 基于区块链技术的 DAO 的概念术语、发展历史、当前最新的研究与应用，以及对未来发展的一些展望。我在 google scholar 上看了一下我们这篇综述论文的引用情况，目前已经有4个引用，其中一个引用是来自荷兰乌得勒支大学的硕士毕业论文，作者在文中提到我们这篇论文介绍了三个比较流行的 DAO 项目： Aragon，Colony，与 DAOStack。看到我们的论文为他人带来启发，我还是很欣慰的，这也是作为一名从事学术研究的 researcher 最开心的事情了。话题有点扯远了。感兴趣的朋友们，欢迎阅读我们这篇论文，有任何问题欢迎给我留言或者发邮件给我。

最后提一下，我已经跟我的一个学生讨论了近期要做一个关于 DAO 的详细调研，后续我会陆续分享给大家，期待您的关注。

PS: 这篇 blog 的音频记录请前往“小宇宙”平台收听：https://www.xiaoyuzhoufm.com/episodes/6269030bbf39836fd02b7795

联邦学习设备调度的论文被 ICDCS 2022 接收

黄华威，李瑞新，2022年4月6日

近日，HuangLab 在联邦学习设备调度方面的研究取得进展，论文《ContexFL: Context-aware Federated Learning by Estimating the Training and Reporting Phases of Mobile Clients》被分布式计算系统领域顶级学术会议 The 42nd IEEE International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS 2022) 录用为长文。

会议介绍

ICDCS 是分布式计算系统领域享有盛誉和具有重要学术影响力的顶级国际学术会议，本届 ICDCS 会议 Research Track 论文全球投稿共573篇，仅有114篇被录用，录用率为19.9%。

论文介绍

Huawei Huang, Ruixin Li, Jialiang Liu, Sicong Zhou, Kangying Lin, and Zibin Zheng, “ContextFL: Context-aware Federated Learning by Estimating the Training and Reporting Phases of Mobile Clients”, ICDCS, 2022.

在边缘计算的环境中，由于边缘网络的情况和各种物联设备的可用算力是频繁变化、波动较大的，跨设备的横向联邦学习的训练效果往往较大程度上受到设备的网络情况和可用计算资源的影响。传统的横向联邦学习设备调度方法着重考量当前设备的状态（网络、算力等），但面对网络和算力频繁变化、波动较大的环境之时，便难以维持联邦学习训练的稳定性与可靠性，从而造成联邦学习所训练的模型性能浮动较大的现象。

论文提出的 ContextFL 框架

本文针对上述现象，提供了一种可行的解决思路：为充分考虑边缘计算环境的不稳定性因素影响，本研究通过结合各设备当前以及预测的未来一段时间内的网络与算力状态进行设备调度，从而确保参与联邦学习的设备都是可靠的有效设备，以此提高边缘计算环境中联邦学习训练效果的稳定性与可靠性。

元宇宙前沿研究|2月18日邀请讲座回放

By Huawei Huang, Feb. 22, 2022

2022年2月18日上午，InPlusLab 举办了一场线上学术讲座。本次讲座邀请了三位来自元宇宙方向的科研先驱者，分别是来自新加坡南洋理工的 Dusit Niyato 教授，来自香港岭南大学的戴弘宁教授，与来自香港中文大学深圳的蔡玮助理教授。线上讲座由黄华威老师主持，线上与线下一共250余名师生参与。

三位邀请讲者的报告分别总结如下。

主讲人1：Dusit Niyato 教授
研究兴趣：无线和移动网络、分布式计算领域
报告题目：Metaverse Virtual Service Management: Game Theoretic Approaches

本次讲座邀请了Dusit Niyato 教授为第一个讲者。Dusit Niyato 教授首先简要介绍了元宇宙和虚拟服务管理的主要概念，然后重点讨论了博弈论在虚拟服务管理中的应用。主要包括以下两点。首先，Dusit Niyato 教授认为元宇宙是继Web和移动网络革命之后的下一代互联网，虚拟现实（VR）用户可以通过不同供应商提供的VR服务进入元宇宙中。然而，虚拟现实服务供应商（SP）具有有限的通信和计算资源，供应商必须经济、高效地优化用户之间的VR服务资源分配。为此，主讲人在元宇宙平台中提出了一个基于学习的虚拟现实服务激励机制框架。其次，元宇宙平台也会提供真实世界实体的数字复制的虚拟服务。物联网设备和传感器收集的真实世界数据是同步真实和虚拟世界的关键。元宇宙平台使用一组物联网设备代表虚拟服务提供商（VSP）收集此类数据。设备所有者出于自身利益，会动态选择一个虚拟服务提供商，以最大化其奖励。主讲人采用混合演化动态优化方法，使设备所有者群体可以使用不同的修订协议来更新他们的策略。

主讲人2： 戴弘宁教授
研究兴趣： 区块链、物联网、大数据分析
报告题目： Building a Bridge in Metaverse: Recent Advances in Internet of Things

第二位讲者为来自岭南大学的戴弘宁教授。戴教授为大家展示了在真实的物理世界与虚拟世界元宇宙之间建立连接的方法，其关键技术是物联网。作为2021年的流行词之一，元宇宙被认为是互联网的又一次革命，其能够给用户带来的沉浸式体验，为用户提供真实与虚拟世界相连接的通道。而物联网将会是元宇宙构建真实与虚拟世界的连接的关键技术之一。此次讲座戴老师首先回顾了元宇宙的相关概要，然后详细介绍了物联网技术。在讲座中，戴老师提出了物联网技术当前主要面临如下挑战：交互性不够便利、存在安全漏洞、易发生隐私泄露等；然后，戴教授从融合人工智能、边缘计算、区块链等技术的角度，简述了潜在可行的解决上述挑战的方案。

主讲人3： 蔡玮助理教授
报告题目： Research in Metaverse: Communities, Layers, and Future

在第三个邀请讲座中，来自港中文深圳的蔡玮助理教授首先回顾了元宇宙的研究的发展历史，展示了元宇宙的三层架构，即上层的虚拟世界，主要涉及经济系统，底层的物理世界，主要涉及元宇宙的实现设施，以及中间交叉层的交互技术，主要涉及沉浸式用户体验、数字孪生与内容创造接口。然后，蔡玮博士从不同视角介绍了元宇宙，以及元宇宙各个层的技术挑战，最后展望了元宇宙中关于加密社区的未来。问答环节，主持人黄华威老师还请教了蔡玮教授几个问题，其中一个问题是元宇宙的用户是如何得到可以在虚拟世界中使用的加密货币的呢？是用户自己在虚拟世界中通过某种“挖矿”获得的吗？还是说是从现实世界中转过去的？蔡玮教授从NFT的角度回答了这个问题。

相信通过今天的邀请讲座，让参与的众多对元宇宙科研感兴趣的师生们获得了一场元宇宙科研前沿的饕餮盛宴。也希望更多的研究者参与到这个新兴的研究领域，共同推动元宇宙的学术研究。

此次讲座的视频回放分享至此：

主题 :学术讲座：元宇宙前沿研究（Research Frontiers of Metaverse）
日期 :2022-02-18 09:49:35
录制文件 (不需要访问密码)：https://meeting.tencent.com/v2/cloud-record/share?id=b069712d-1fd4-403b-b2e9-331a2f5eedcd&from=3

区块链论文分享 | Bidl [SOSP’21] | 2022年2月16日

By 彭肖文, 2022年2月16日

论文题目：Bidl: A High-throughput, Low-latency Permissioned Blockchain Framework for Datacenter Networks

这篇论文发表在CCF-A类会议-ACM Symposium on Operating Systems Principles 2021(SOSP 2021)。

1、论文作者简介

Ji Qi (The University of Hong Kong), Xusheng Chen (The University of Hong Kong), Yunpeng Jiang (The University of Hong Kong), Jianyu Jiang (The University of Hong Kong), Tianxiang Shen (The University of Hong Kong), Shixiong Zhao (The University of Hong Kong), Sen Wang (Huawei Technologies Co., Ltd.), Gong Zhang (Huawei Technologies Co., Ltd.), Li Chen (Huawei Technologies Co., Ltd.), Man Ho Au (The University of Hong Kong), Heming Cui (The University of Hong Kong)

本文来自香港的崔鹤鸣团队，崔鹤鸣的导师是哥伦比亚大学的 Junfeng Yang。

2、论文背景

时下热门的通用许可链框架——Hyperledger Fabric (HLF)，使用了 Execute-then-Order的工作流程。如图1所示，每笔交易首先并发执行，然后利用排序保证上链数据的一致性，从而容忍非确定性（non-deterministic）交易[1]。EO流程存在2点不足：当交易存在大量竞争时，这些冲突的交易会被标记为abort，从而导致HLF的吞吐率受到极大影响，此外排序阶段会导致最终确认的时延增加。

注1：定义 Non-determinism (e.g., caused by data races): given the same state and input, correct nodes may produce different execution results on the same transaction.
图1 Hyperledger Fabric 的 EO 流程

另一类工作如Quorum，使用了Order-then-Execute的工作流程：首先用BFT协商次序，然后依次执行事务。OE流程在竞争条件下的吞吐量表现极佳，而且不会出现交易冲突的情况。但是OE流程无法容忍非确定性交易，且交易顺序执行的效率低下。 

本文希望能兼得二者的优势：既能高效处理交易，又能允许非确定性交易的存在。本文的观察是：数据中心网络可以为许可链提供高效排序，方法是将部分逻辑下放到路由层中，借助sequencer节点排序。因此，本文基于数据中心网络提出高吞吐，低延时的BIDL(Blockchain-powered In-Datacenter Ledger) 许可链框架。

3、系统模型

BIDL的工作流程如下图2所示。

  • Phase 1：客户端通过TLS-enabled链接将签名交易提交给共识节点的Leader。
  • Phase 2：Leader通过运行一个测序线程来充当sequencer。Leader将接收到的交易分配连续的序列号，并将其多播到所有一致和正常节点。为了提高性能，Leader不在多播消息上签名。
  • Phase 3：共识节点运行BFT类协议对“交易哈希序列的顺序”进行共识。
  • Phase 4：和Phase 3 并行执行。Normal节点根据序列号顺序，推测性地顺序执行（speculative execution）客户端事务。为了确保存在非确定性交易时系统的状态一致性，系统采用了multi-write协议[2]，以使Normal节点遵循相同的执行结果。如果节点产生了不一致的执行结果，则中止交易。
  • Phase 5：
    • 情况①：如果Normal节点接收到来自Phase 3的匹配的约定交易，则提交交易。
    • 情况②：如果存在攻击者作恶，则Phase 4中推测执行的交易顺序与Phase 3 共识的交易顺序会不同。此时Normal节点会根据共识的交易顺序重新执行，相当于BIDL回退到顺序工作流（sequential workflow）。
图2 BIDL的工作流程

4、性能分析

（1）系统的吞吐量：BIDL的Normal节点是顺序执行竞争交易（定义为并发访问同一密钥的交易），可以消除交易依赖性导致的事务中止，并提高系统在竞争工作负载上的吞吐量性能。

（2）系统的交易延迟：论文的共识节点（Phase 3）和Normal节点（Phase 4）的工作是并行执行，与HyperLedger Fabric等框架的顺序工作流程相比，可以极大降低交易延迟。论文指出该协议的延迟通常被BFT共识掩盖（Phase 3）。

5、安全性分析

（1）防止DoS攻击：

  • Leader不在多播消息上签名，一方面可以减少共识节点和Normal节点的验证签名时间，提高性能。另一方面，还可以防止攻击者伪装成 Leader node, 发送签名无效的资源耗尽型DoS攻击。
  • 如果客户端发送格式错误的交易（例如，带有无效签名），则Leader会断开连接，以避免客户端对Leader发起DoS攻击。

（2） Leader作恶： 如果Leader作恶（例如给不同的 Consensus 节点 和 Normal 节点发送不一样的交易顺序），则系统可以使用视图切换 (view changes) 来更换leader。本文采用的视图切换不是round-robin轮询方式，而是unpredictable的。系统以the hash of the last committed block 作为随机种子，从共识节点中随机选取一个来替换作恶的Leader。

（3）攻击者 𝓐 伪装leader作恶：攻击者会企图伪装成leader，使用客户端 c 签名的交易来向共识节点和 Normal 节点发送不一致的交易顺序。

本文指出，攻击者必然是自己制造一个恶意客户端 c （或者和恶意的客户端 c 合谋），生成并发送malformed交易，从而制造出交易顺序不一致的冲突情况。因为基于triangle inequality定理可知，共识节点和 Normal 节点会率先接受到来自Leader广播的正确交易，因此攻击者无法利用正确交易发动“交易不一致”攻击。

考虑到在许可链的环境下，攻击者 A 无法制造大量的恶意客户端，所以可以设置一个 denylist 将攻击者拉入黑名单。

6、论文实验

作者基于 HyperLedger Fabric 开发 BIDL 框架，并开源了 BIDL 框架的代码：github.com/hku-systems/bidl。交易大小设置为 1KB，默认区块大小设置为500条交易。如果图3所示，实验对比了 BIDL 和 HLF (HyperLedger Fabric), FastFabric (FF) 和 StreamChain 的性能。实验设置 4 个共识节点（为了配合 FF 的 VFT 环境，没有设置恶意节点）和 50 个 Normal 节点。

图3 BIDL 的性能表现
  • 与HLF和FF相比，BIDL的延迟降低了60.2%，吞吐量平均提高了3.3倍。
  • BIDL在有竞争交易环境下的性能最好：当交易竞争率从0%增加到50%时，BIDL的吞吐量（40.1k TXN/s）比FF高出2.2倍，中止率为零，而FF的中止率为37.7%。

7、创新点总结

本文提出了BIDL许可链框架，既能高效的处理交易，又能允许非确定性交易的存在。

  • BIDL利用数据中心网络，可以引入sequencer节点在路由层中进行高效排序。
  • 现有数据中心网络模型仅针对crash fault tolerance (CFT)，而非BFT。为此，BIDL通过节点共识和视图切换来处理作恶的Leader节点。
  • BIDL引入Normal节点，通过预测执行（speculative execution）来提高并行性能。
  • 为了避免恶意节点通过广播错误事件发动性能攻击，BIDL引入denylist protocol，将恶意节点添加到黑名单中。

8、个人启发

作者能够从 Execute-then-Order 和 Order-then-Execute 两种工作流程总结出各自的优点和不足，并能结合两种工作流程的优势，提出高吞吐，低延迟的 BIDL 许可链架构。这种思路值得我们学习。

另一方面，即使取消了 Leader 对交易序列号的签名，系统通过引入很简单的 denylist 机制来防止攻击者 𝓐 伪装成 leader 作恶。这里的逻辑有理有据，是一个很大的创新。

9、参考资料

[1]. Yamashita K , Nomura Y , Zhou E , et al. Potential Risks of Hyperledger Fabric Smart Contracts[C]// 2019 IEEE International Workshop on Blockchain Oriented Software Engineering (IWBOSE). IEEE, 2019.

[2]. Giuseppe DeCandia, Deniz Hastorun, Madan Jampani, et.al. Dynamo: Amazon’s highly available key-value store. ACM SIGOPS operating systems review, 41(6):205–220, 2007.

[3]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/436271693

区块链论文分享 | DispersedLedger [NSDI’22] | 2022年2月12日

By 林岳, 2022年2月12日

论文题目：DispersedLedger: High-Throughput Byzantine Consensus on Variable Bandwidth Networks

这篇论文发表在 NSDI’2022。

论文全文下载
  • 论文作者简介

论文一作是Lei Yang，正在MIT攻读Ph.D；二作是Seo Jin Park，在MIT做博士后；三作是Mohammad Alizadeh副教授，是前两位作者的导师；四作是华盛顿大学的副教授 Sreeram Kannan；五作为斯坦福大学的教授（The Thomas Kailath and Guanghan Xu professor）David Tse。

  • 论文简介

区块链中各个节点网络带宽不同，因此下载（收到）区块的速度差异较大，而传统BFT中，每个节点都要收到了区块才能够进行投票（如下图所示），即带宽大的节点收到pre-prepare（包含整个区块，消息量大）后，广播 prepare（消息量小）。但是此时带宽小的节点可能还没收到完整区块，无法广播prepare消息，而节点需要收集够 2f+1个prepare消息才能够进入到commit阶段。因此小带宽节点会拖慢共识的速度。

为了解决上述问题，本篇论文提出新的思路：先对区块进行共识，共识完成后节点再下载区块。这种做法的好处为：进行共识所需的带宽小，小带宽节点不会拖慢共识过程。共识完成后会进入下一个epoch，进行共识的同时节点可以下载（恢复）之前epoch的区块，这样就不会浪费大带宽节点的带宽。

一个epoch中可以有多个节点提出区块，在vote阶段通过二元共识（Binary Agreement，BA）决定将哪些区块上链。

  • 关键技术剖析

(1) Verifiable Information Dispersal (VID)

VID 就是使用纠删码(erasure code)将信息进行编码分成N份消息（chunk），每个chunk发给对应的一个节点，最终各个节点可用少于N份的chunk解码出整条信息（Retrieval）。在这篇论文中，VID阶段各个节点的操作如下图所示：

(2) Binary Agreement (BA)

      由于一个epoch中，可以有多个节点提出区块，要是等到所有dispersal完成，要等待很久（甚至可能等不到，因为有拜占庭节点的存在），并且各个dispersal在不同节点完成的时间或顺序不同，因此需要通过二元共识决定最终上链哪些区块。在VID阶段完成的每一个dispersal都将会进入vote阶段，在这个阶段，节点通过二元共识最终决定这个dispersal对应的块是否上链。这里就不详述二元共识的过程，只说结果：一轮中通过二元共识最终会决定N-f个区块能够上链。

(3) Retrieval

      Vote 阶段结束后，各个节点就可以进入下一个epoch了，但是同时节点也要通过Retrieval去恢复之前epoch达成共识的块。也就是说共识与恢复区块是并行的，只不过共识的是以后的区块，恢复的是之前的区块。Retrieval阶段各个节点的操作如下：

(4) Inter-node Linking (IL)

      注意到二元共识只会决定N-f个区块能够上链，但是未上链的区块，其dispersal可能在VID阶段已经被大部分节点完成，若在此epoch没有上链，里面的交易就要重新打包成区块在下个epoch被提出，这样做会浪费带宽。因此作者提出IL机制解决这个问题。

      每个节点都会维护一个大小为N（节点数量）的数组V，V[i]标识该节点本地完成了的节点i的最大的dispersal。节点在提出块B时，会把数组V也放进区块B中。用下图举例会更容易理解。

     图中VID表示节点2在epoch3提出的块在VID阶段已经完成了dispersal，不过没有在vote阶段被决定上链。在当前epoch，节点4提出的块中包含了V=(4,2,3,3)，说明当前节点4已经完成了节点1在epoch4的dispersal，节点2在epoch2的dispersal，节点3在epoch3的dispersal，以及自己在epoch3的dispersal，别的节点同理。在之后的Retrieval阶段，恢复出该epoch的区块后，节点4会比对各个V数组，对于V[i]，取第f+1大的来更新自己的V数组（四个节点时，f=1，所以取第二大的），这样节点4就知道大部分节点都完成了图中VID所对应的dispersal，因此会去恢复图中VID所对应的区块，V数组也变成(4,4,4,3)。取第f+1大的V[i]是为了防止f个拜占庭节点作恶。

  • 创新点总结
    1. 作者提议将共识过程与块的下载过程分开，使得各个节点都能充分利用自己的带宽，从而加快共识过程。
    2. 通过 IL 机制来保证正确的块都能上链，而无需重新打包出块。
  • 论文的 major contribution
    1. 提出的VID协议比别的VID协议通信开销更小。
    2. 基于HoneyBadger提出的DispersedLedger，将共识与块的下载分开，使得各个节点都能充分利用自己的带宽，同时一个epoch中能够上链的块也比HoneyBadger多。
    3. 实验结果表明DispersedLedger吞吐量比HoneyBadger提高了105%，延迟降低了74%。
  • 自己（林岳同学）的启发
    1. 作者是从带宽角度发现传统BFT的不足，这是我之前比较少见到的。无论多熟悉的东西，从不同点角度去看，总会有新的一些发现。
    2. 作者将原本被捆绑在一起的过程（下载-共识）巧妙分开并使之能够并行，这也是值得学习的。有些东西看多了就会认为其中的过程和顺序是定死的，还是得多思考，勇于思考，不要被限制住。

聊聊福布斯2022年区块链50强榜单 | 2月12日话题

大家好，我想对于关注区块链动态的朋友来说，应该已经看到了昨天朋友圈被广泛转发的关于2022年福布斯全球区块链50强榜单的文章。国内的区块链自媒体也进行了翻译与转载。

我看到的两个版本分别是：来自公众号“福布斯”的《福布斯发布2022年全球区块链50强，蚂蚁、腾讯、百度等中国企业上榜》https://mp.weixin.qq.com/s/YteaKOJp2qP58HwTfIO71A

稍后，公众号“区块链大本营”也进行了转载，题目为《福布斯：2022 区块链 50 强榜单》https://mp.weixin.qq.com/s/QSjj37_7WzBDwDkzyC85qA

本次我们以第二篇文章为基础，来聊一聊这个榜单。
文章开篇第一句话被加粗提示读者：“区块链已经走了很长一段路了！”。作为一个区块链研究者与高校的区块链课程的教师，我看到这句话的时候，愣了一下：有那么久了吗？回想一下中本聪自2008年就发表了比特币的论文，到现在区块链技术正式问世已经快14年了！的确很久了。

我个人是从2017年开始关注并学习区块链背后的技术原理，并逐步走上了区块链底层关键技术的研究道路。不知不觉间也已经有5年了！对我个人来讲，这也的确是非常长的一段时间了，只是平日的繁忙却掩盖了这一点，当我现在复盘的时候，也是后知后觉。还好，这5年来，我在区块链方向的研究也算是小有收获，区块链相关的研究论文有一半以上发表在计算机科学领域的顶级会议与IEEE Transactions 期刊上。这里我就不继续凡尔赛了，有机会再跟大家盘点我在区块链方向的研究成果。

我们把话题再收回来，继续看这篇题目为《福布斯：2022 区块链 50 强榜单》文章。我们了解到，福布斯从2019年就首次发布区块链50强的榜单。能上该榜单的都是十亿美元以上销售额或者市值的公司，并且强调这些公司的业务在依靠“分布式账本技术（也就是区块链技术）”来开展实际的工作。本次区块链50强榜单中几乎一半的公司的总部都设在美国以外，其中有14%是中国公司。文章还指出，今年的榜单出现的新趋势是：风险投资公司的角色越来越重，比如，风投公司在2021年向区块链行业投资了320亿美元。

该文章随即还指出，以前比特币与以太坊等加密货币常年霸占着几乎所有的区块链投资新闻的头条，尤其是当加密货币市场走牛的时候。但是自从21年11月以来，加密货币市场遭遇熊市，市值损失了超过1万亿美元。其实，投机性的加密货币是区块链技术最没有技术含量的应用。现在越来越多的公司与跨国公司逐渐将区块链整合到他们的日常运营与他们的产品中。

该文章的其他内容我们就不多转述了，感兴趣的同学可以自行前往阅读。

首先谈一下 进入到了今年福布斯区块链50强榜单的几个国内区块链头部公司，分别是 蚂蚁集团、百度、腾讯、微众银行。这里我们过一下它们各自使用或者自己研发的区块链平台：分别是蚂蚁集团的蚂蚁链、百度的开源区块链平台 XuperChain、腾讯的区块链平台包括三个即 ChainMaker、Hyperledger Fabric、以及我们很熟悉的 FISCO BCOS。微众银行的区块链平台是他们自己研发的 FISCO BCOS。

昨天 我也看到来自蚂蚁链与微众银行的合作者，在朋友圈纷纷转发了他们公司上榜的消息，在此，区块链讲师也衷心地祝贺这些业界的合作者取得了喜人的成绩，也祝愿来自企业的这些合作者们为我们中国的区块链事业做出更多的贡献！

相比之下，国外上榜的企业，大多数还是与加密货币交易相关的公司、交易所、甚至是个人建立的小型企业。比较知名的国外区块链企业包括 Coinbase、 摩根大通、Visa、Paypal、Mastercard 这些信用卡公司。

另外，榜单中竟然还有 NBA（即美国国家篮球协会）。你可能好奇，NBA为啥跟区块链扯上关系？其实，NBA 将 很多篮球相关的文化制作成 NFT 代币，然后面向广大NBA球迷进行出售、球迷们就可以 进行收藏或者交易。比如位于不列颠哥伦比亚省的 Dapper Labs 在温哥华推出了名为 Flow 的区块链，用户可以购买、出售和收集 NBA Top Shot，这些记录着 NBA 比赛精彩瞬间的 NFT 收藏品，类似于数字交易卡——比如最近以创纪录的 230,023 美元售出的 LeBron James 扣篮的 NFT。自 2020 年 11 月以来，有 130 万人创建了 Top Shot 账户，总销售额从 250 万美元飙升至 9.92 亿美元。Top Shot 的巨大成功在联盟内部引发了对加密货币的广泛好奇。NBA 专门成立了一个区块链小组委员会来评估未来的机会，推出了 WNBA (美国女子篮球联盟) 版本的 Top Shot，并与加密货币交易所 Coinbase 达成了多年的合作关系。

介绍完 NBA的情况，我们再继续看这个榜单上的国外区块链企业。当然，论美国的区块链巨头，一定少不了小扎的 Meta 公司，不过迄今为止，人们对 Facebook 元宇宙的 技术知之甚少。另外上榜的知名国外公司还有 波音公司、 Valmart、Twitter、苏富比拍卖公司。

最后，在这个榜单上我也注意到了来自亚洲的队伍在不断壮大。上榜的亚洲知名公司 包括 韩国的领军企业如三星集团和Kakao，以及日本的 富士通 和 LINE 公司。

好，今天的分享就暂且这么多。欢迎留言告诉我你的想法。

今日的话题音频记录请前往我的喜马拉雅频道收听：https://www.ximalaya.com/keji/56140880/501311859 

如果你认为我的 blog 与 音频节目还不错，请动动手指，帮我分享给更多的人，谢谢大家的支持！

黄华威，2022年2月12日

元宇宙与AI技术的融合

黄华威，2022年1月27日

大家好，在上一篇 Blog， 我介绍了我跟杨青林博士合作的元宇宙综述，主要讲了区块链在元宇宙中的融合与应用。

  • 注：这篇综述题目为 “Fusing Blockchain and AI with Metaverse: A Survey”，全文可以从预印本网站 arXiv 下载：https://arxiv.org/abs/2201.03201   

今天我继续根据这篇综述，介绍一下AI技术在元宇宙中的融合与应用。  

首先，我们需要知道元宇宙在本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程。它所构建的是一个现实与虚拟世界高度融合交互的空间，同时也是一个开放、公平、分布式的世界。它需要对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界内容等进行大量改造。

  在元宇宙中，数字经济系统 是 最重要的组成部分，因为元宇宙中的娱乐，协作，社交等活动是经济活动的组成。因此，在介绍AI技术与元宇宙的融合与应用之前，我们需要了解一下元宇宙中的 数字经济系统。

  元宇宙的数字经济系统由四个部分组成：数字创造，数字交易，数字货币和数字市场。

  这几部分之间的关系简述如下： 数字创造是数字交易的基础，而数字货币作为数字交易的媒介，可以在数字市场上流通。

  在上一篇 Blog 中我介绍了区块链在元宇宙的融合与应用。我们可以发现，区块链作为分布式记账技术在数字创造，数字交易，数字货币和数字市场上的可以进行完美的融合。

  下面，我们以数字经济系统为基础，也从两个方面来讨论一下AI技术在元宇宙中的融合与应用。两个方面分别是：

  1. 首先我们梳理AI技术在元宇宙中的结合点。
  2. 然后我们展望AI在元宇宙融合应用中尚未解决的问题及将来可能会出现的新问题。

那么，对于第一个方面，我们在综述里从四个角度，梳理了AI技术 在 元宇宙的融合与应用，即 利用AI技术构建虚拟环境，基于AI技术的NPC （这里提到的NPC是指“非玩家角色”），基于AI技术的 虚拟化身，以及利用AI技术 实现 虚实交互。

  对于第二个方面，关于展望AI在元宇宙融合应用过程中尚为解决的问题，目前我们只能将现实世界中对AI技术的需求与应用映射到虚拟世界中，在此基础上展望可能遇到的新问题。

  这里我们简单地提一下在元宇宙中在AI技术方面可能会面临的四个问题。

  1. 如何结合AI技术为用户提供一个创作工具，来降低用户接入元宇宙的门槛，使得用户能够像创作、发布短视频那么简单地参与到元宇宙中？
  2. 如何利用元学习有效的训练智能化的NPC或者 虚拟化身？
  3. 如何利用群体智能使得整体环境更智能？
  4. 在现实世界中仍未解决的 智能模型 规模问题 及 模型可解释性 问题。

  对于第一个问题，我们认为元宇宙肯定是一个复杂的、开放的世界，单一的创作工具不可能满足其需求。因此需要有一个智能化的创作工具来实现不同的创作需求。具体是怎么样的智能化创作工具，我们认为这是一个开放的问题，可以留给 感兴趣的读者与研究者深入探讨。

  此外，元学习方法是一种更接近人类的学习方法，不同于传统的模型训练模式，它能够适应变化的场景。将元学习融合应用到元宇宙中是一个值得探索的领域，它能够使得整个环境变得更加智能。

  对于最后两个问题目前还没有定论，希望我们一起思考、探讨。

  最后，这篇 blog 的音频记录请访问以下喜马拉雅链接，欢迎收听：https://www.ximalaya.com/sound/496994228

黄华威， 2022年1月27日
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元宇宙与区块链融合的综述简介

黄华威，2022年1月26日

大家好，我最近跟杨青林博士合作写了一篇关于元宇宙的综述，今天跟大家介绍一下。 

这篇综述题目为 “Fusing Blockchain and AI with Metaverse: A Survey”，全文可以从预印本网站 arXiv 下载到：https://arxiv.org/abs/2201.03201  

目前关于元宇宙的综述论文不多，令人印象深刻的有一篇 60多页 的来自港科大的综述论文，但个人感觉这篇综述太过庞大，虽然跟元宇宙相关的方方面面写的很全，但是特点不突出，而且，60页的长度 应该会劝退很多读者。

相比之下，而我跟杨博士合作写的这篇综述论文只有15页，它的亮点就是：我们从 人工智能算法技术 以及 区块链技术 的角度来审视元宇宙。目前 AI 与 区块链 被认为 开发与实现元宇宙 最为重要的两项技术。那我们的综述 就重点剖析这两项 技术 如何为 实现元宇宙 来服务。 

就像我们在论文的摘要里说的，我们写作这篇综述的目的简述如下：我们深知元宇宙是一个跨学科的领域，为此我们调研了与 元宇宙的几个重要组成部分 相关的现有工作。我们在调研的时候，主要着眼于以下三方面进行探讨：即 数字经济、虚拟世界里的 AI 技术的应用开发、基于区块链的各种技术。 

我们相信，现在正处于 元宇宙 科研、与 开发 的早期阶段，希望我们的这篇综述可以 帮助 从事 AI 与 区块链 方向的研究人员、工程师 梳理清楚 到底 AI 与 区块链技术 如何 与元宇宙的各个方面 进行融合、与 创新。 

通过刚才的介绍，相信大家已经了解了这篇综述的主要涉及的内容。关于 AI 方面的内容，以后我专门邀请杨博士来介绍一下 AI 技术在元宇宙中的应用。今天我们主要聊一下 区块链 在 元宇宙中的 融合 与 应用，因为这部分是我写的。 

接下来我主要从两个方面介绍：1）梳理 区块链技术 在 元宇宙中的结合点；2）展望 元宇宙 在 区块链 方面相关的 尚未被解决的问题，以及将来可能会出现的新问题。 

那对于第一个方面，我从四个角度，梳理了 区块链技术 与 元宇宙的关联，即 面向元宇宙的加密货币、元宇宙各个场景中的交易的特点、基于区块链技术的 DeFi 市场、以及 区块链驱动的 元宇宙认证。 

对于第二个方面，关于 展望 元宇宙在 区块链方面 尚未被解决的开放问题，其实 我也没有想太成熟。这里我暂且抛出四个问题来启发大家思考。这四个问题是：

  1. 现实世界中的 NFT 经济系统可以支撑 元宇宙中 的高频交易吗？
  2. 建成一个健康的区块链数字经济，需要为元宇宙制定什么特殊的规则？
  3. 现实世界中的区块链应用开发模型可以被直接移植到元宇宙中使用吗？
  4. 元宇宙中是否需要新的区块链平台与新的共识机制？ 

这四个问题我个人觉得 目前都还没有定论，希望我们一起思考、探讨。 此外，我还展望了其他公开问题，如 元宇宙的监管、区块链赋能的元宇宙应用市场、以及 元宇宙中的 隐私安全保护的话题。 

好，今天的话题就聊到这里，感兴趣的朋友，欢迎留言告诉我你的想法。谢谢。

最后，这篇 Blog 的音频记录请前往喜马拉雅收听：https://www.ximalaya.com/keji/56140880/496618975 

元宇宙与网络游戏有何区别

黄华威，1月24日，2022年

昨天，我往大学群里发送了一个朋友圈看到的“元宇宙烟花大会”的链接，可以使用浏览器体验一下元宇宙里的烟花大会。虽然粗糙，但是体验还是挺新奇的。随后，几位同学就聊起了元宇宙的一些话题。
我首先抛砖引玉地说道：在这个展览里确实可以看到一些艺术画像等作品，这些艺术品被做成了 NFT，就可以在元宇宙中进行买卖了。
然后一位范同学说：我一直搞不懂元宇宙跟沙盒类的网游有啥本质区别，感觉元宇宙是一个更加开放化的沙盒类网游嘛。
这个问题成功地激起了我们的老朋友林建入老师（注：林建入为唬米科技CEO）的兴趣，林老师随即开启讲解模式：元宇宙不是游戏，元宇宙里可以开会，可以工作，可以购物，比如说，里面可以开发出淘宝那样的应用。


【林建入接连两个解释】

解释 1：“其实那个元宇宙，就现在大家说的那个元宇宙啊，就感觉不就是一个，比如说一个游戏，然后举例子啊，比如说大家戴个VR头盔之类的，然后那进去，跟玩一般的游戏比如说开放世界或者沙盒游戏有什么差别呢？如果从这个角度去看呢，其实会发现那元宇宙它跟诈骗没什么两样。”

解释 2：“其实呢，理解元宇宙的最根本的点呢，实际上就是要明白他不是游戏啊，它实际上是一个虚拟世界，是你可以理解为我们玩的游戏里面都是为了娱乐的，对吧？嗯，不会有人在游戏里面办公，对不对？没有人在游戏里面办公，你见过谁在游戏里面处理这个office的文档，谁在游戏里面在去比如说编程啊，工作啊，设计设计各种东西？其实不会的，因为那些都是游戏娱乐用。元宇宙呢，其实本质上来说是把游戏的那一套技术，再加上互联网已有的那一套技术，两个东西合起来做一个虚拟世界，这个东西是比一般的游戏技术，实际上是要复杂的多的。”

紧接着林老师继续解释道：它的价值在于，把现有的互联网提升到了一个全新的体验高度。元宇宙要能成功，它必须做的像浏览器一样做到以下两点：1、构建一个公共的开放世界；2、任何人都可以制作内容，放到开放世界里。而浏览器的技术，基本上已经极其难做了。现在要做一个虚拟世界级别的浏览器，难度就更大。不过可以从简单开始。所以初期可以搞一系列的小 demo。慢慢探索。

【林建入接连3个解释】

解释 3：“其实元宇宙的概念的话，肯定不是新概念，对吧，就以前的时候，很早很早的那种科幻作品里面就有虚拟世界的这种设想，然后呢，你包括刚上映的这个黑客帝国四里面，他也是把整个世界是吧，它是当做是一个虚拟的一个游戏，他是这么认为，这么理解的，所以其实这些概念呢，其实都不是新的。但是呢，为什么现在说又开始炒这个元宇宙的东西呢？既然不是新概念，对吧，其实真正的原因是在于以前呢，只是设想，现在呢，其实从技术的角度来说，已经开始摸到一点点这个边了。就是说现在从技术上来讲，过去的设想开始有一点点可行性了，但是呢，我其实个人认为啊，这个元宇宙的这个想法到实现，其实可能需要20年以上的时间左右的技术发展，因为回顾之前，从90年代互联网泡沫到2000年，到2010年才正式开始互联网的大蓬勃的话，也是差不多20年的时间。”

解释 4：“但是呢，就是我最近也看了，因为元宇宙里面它有很多的技术支撑嘛，我们眼睛能看得到，也是冲击力最强的，肯定还是那个虚拟世界，对吧，就他那个不管你在电脑上玩也好，或者说你戴上VR体验，不管怎么说吧，就那个虚拟世界，对我们肯定是冲击性最强的。其实那个东西能不能做，出现在元宇宙的概念呢，实际上还是不太行的。主要的原因是因为现有的游戏开发工具，比如说各种引擎，像那个包括虚幻五这种顶尖的引擎，或者行业里面普遍用的像unity之类的，这些其他的引擎。其实呢，他们的整个开发的流程呢，成本很高。而且的话呢，存在很多的局限性，这种局限性呢，不是像我们说的那个现在的游戏，大家都普遍的感觉是做越做越好，对吧，包括那种画面啊，包括那种互动性啊，感觉你越来越强，但实际上你真正去了解它游戏制作的过程，实际上它的限制还是非常非常多的。”

解释 5：“比如说现在如果你想做一个真正的这种元宇宙概念的这个社交的一个平台，就像我们我们说一个简单例子，比如说，Facebook 想把他的 Facebook 搬到这个虚拟世界里面去，他面临的挑战也是非常多的。他这个挑战不仅仅是说，比如说 Facebook，他花巨资，举个例子，他也是一直把钱砸下去，比如说把虚幻引擎的公司整个买下来，那他能不能做出来呢？它可以做出视觉效果，看起来很炫酷，但是实际上离他的这个真正的概念仍然差得很远，这个差别主要在哪儿，从技术上来讲，我举个小例子，你在游戏里边可以看网页吗？其实是看不了的。游戏里边看网页这件事其实是技术上很大的难点。这个问题表面上看像把浏览器的画面放在游戏里。实际上两种截然不同的技术体系要完成一个融合。”


经林老师讲解，我感觉完全实现元宇宙的设想，其实是一件挺复杂的事情。
然后，范同学继续追问：那为啥要在元宇宙里工作呢？不觉得很奇怪嘛，在元宇宙里浏览网页，为啥不直接浏览网页呢？这不是多此一举吗？比如在元宇宙里网购，为啥不直接网购咧？


【林建入老师继续回复道】

解释 6：“其实像元宇宙的这种东西吗，你比如说大家也会想说啊，我为什么要去加入到元宇宙里面，我就，我就不想进入元宇宙对吧，我对这个东西完全不感兴趣，可不可以呢？其实当然可以，我们回看一下历史啊，比如说互联网刚刚诞生的时候，九十年代初的时候，当时在华尔街就开始就纳斯达克，就开始炒那些所谓的点抗泡沫，那个时候才只是一个电脑接一个网线，你想那个电电脑的分辨率还很低呢，6640乘320吧。你想。现在都是马赛克画面，然后在那个情况下呢，他们就开始开发购物网站，做各种东西，其实那个时候后来不是泡沫也破裂了，可是呢，最后互联网发展怎么样呢？互联网现在大家谁还离得开呢？当初那些选择不加入互联网的人，当然他们不会去炒作这个东西，但是最后他们都不得不进入互联网的世界，就像现在老年人，他如果说不会操作打车软件，他现在打车都很困难，就造成了一个问题，就是你不是你自愿加入，你是被动卷入的。”

解释 7：“核心的问题就是在于，其实这个世界的发展并不是由大多数人决定的，就是说就像如果人类社会像列火车的话呢，其实火车头才是决定火车的方向的，这个火车头只是这个人类世界里面最聪明的，最小的一群人，也就是说整个人类，实际上大部分人的呢，大家都是盲从的，他们本以为他们有自主意识，比如说他可以选择做什么，或选择不做什么，其实大家都没有自主选择的能力的，都只能随大流，这个大流就是由很少的一群人决定了这个世界的发展方向，因为智力资源就是很少的智力资源，他大家比如说你这个元宇宙的概念，你不需要说服所有人，你只要说服最聪明的那群人都跟着你走就可以了，因为只要最聪明的那群人都跟着你走，其他的人因为他们不够聪明，他们没办法发展其他的方向，他们只能原地踏步，而等你发展出这个东西已经足够吸引的人的时候，就会有越来越多人也开始涌入其中，于是时代的浪潮它就形成了，因此是这样的一个过程。”

范同学依然不依不饶：我觉得这个不一样，互联网是基础设施，就跟水电一样，元宇宙还是应用。
林老师：不不不，元宇宙就是互联网的下一代。
范同学：也就是各个公司都会开发元宇宙是吗？
林老师：如果各个公司单独开发元宇宙，就是诈骗，必须要像互联网一样，有一个公共规范，就像 IP 协议那样，不是受到某个单独公司控制。
范同学 满意地说：嗯~~~~ 那还行。
林老师：如果是单独公司控制，那肯定玩不下去，现在各个公司自己搞元宇宙，就是诈骗，不过现在元宇宙仍然处于早期阶段的泡沫膨胀期。

最后我们一致认为：今天聊的这个话题，学到很多。主要是林老师的科普给力啊！好，今天的话题就聊到这里，谢谢关注！


最后，本次讨论的音频记录请前往喜马拉雅我的区块链科普频道收听：https://m.ximalaya.com/sound/495912326