发布时间：2020-03-11所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘 要 本文提出了平行区块链的概念框架、基础理论和研究方法体系，并探讨了平行区块链的内涵.平行区块链技术是平行智能理论方法与区块链技术的有机结合，致力于通过实际区块链系统与人工区块链系统的平行互动与协同演化，为 目前的区块链技术增加计算实验与
摘 要 本文提出了平行区块链的概念框架、基础理论和研究方法体系，并探讨了平行区块链的内涵.平行区块链技术是平行智能理论方法与区块链技术的有机结合，致力于通过实际区块链系统与人工区块链系统的平行互动与协同演化，为 目前的区块链技术增加计算实验与平行决策功能，实现描述、预测、引导相结合的区块链系统管理与决策.平行区块链这一新型研究范式可望为下一步区块链研究和未来产业应用提供有益的启发与借鉴.
关键词 区块链，平行区块链，平行智能，计算实验，知识自动化
区块链技术起源于 2008年末 的 “比特币”，一种 由化名为 “中本聪”的学者设计的新型数 字加密货币，是 比特币的底层支撑技术【1j.在 比特币的诞生之初，其关注范围仅局限于少数加密货 币研究人员， 2013年前后随着 比特币价格飞涨 曾经掀起过短暂的热潮，引起众多专家学者的研究兴趣.尽管其后 比特币的关注度随着其价格下跌而逐渐回落，但研究者发现 比特币底层的区块链 技术具有更为重要 、甚至是颠覆性的应用 价值.2015年起，区块链技术逐渐走入公众 视野，成为近两年 来金融科技和互联网经济领域的新研究热点.
区块 链技 术具有 诸多其 他技 术不可 比拟 的优势：首 先，区块链系统 的根 本特征是去 中心化，采用点对点 (Peer—to—Peer，P2P)对等网络，各节点地位对 等且通 过分布 式共识机 制实现相 互 间的协调与 协作，同时节 点基于各 自贡 献获得 经济激励，这使得区块链 系统具有很强 的健壮性，因而也被认为是 构建 未来 去 中心化 社会 的核 心技 术之 一;其次，区块链 系统通 过数 学算 法形 成节 点之 间的共识，新数 据必 须获 得全 部或 者大 多数 节点 的验证方 可写入 由全 体节 点共 同维 护的 区块链 账本 ，因而极 难篡 改和伪 造;这使 得 区块链 成为 依靠 共识机制 和密 码学 算法 自动 产生信 任 的系统，可 以实现信息 流、资金流 和物质 流等 要素 的去 中介化 自由流通;第三，区块链系统 采取建立 在隐私保护基础上 的 、公 开透 明 的数据 读取 方 式，区块链 账本数据 以零成 本方 式 向全 体节 点公开 查询，从 而可以降低 节点 的信 任成本 和系统不 确定性.这 些显著优势在 现代社 会系统 中有 着重 要且广泛 的应用前 景 2.
然而，作为一项新兴技术，区块链相关理论研究与产业实践仍然处于起步阶段，诸如共识算法 、网络结构 、智能合约、激励机制等微观层面 的核心技术要素尚处于探索 、实验和持续优化的状态，而宏观层面的区块链产业生态及其对社会经济的影响也迫切需要实验 、分析 、评估和必要的监管
.例如，技术层面上，共识机制 的切换对于区块链系统通常具有重要影响.由于缺乏实验和评估 的有效手段，目前主流区块链 (特别是公有链)通常采用渐进式实验方式.以太坊计划采用的 “PoW+PoS” fProofof、Ⅳ0rk+ProofofStake工作量证明 +权益证明)混合共识机制即是典型案例：由于 PoW 共识直接切换为 PoS共识可能为 以太坊生态系统带来难 以估量的潜在风 险，因而不得不采用相对安全的混合机制 即 99% 的绝大多数交易区块采用传统的比特 币挖矿式 PoW 共识，而仅有 1% 的区块链采用仍处于实验阶段 的 Casper式 PoS共识.在此基础上，根据实验效果决定后续的共识切换策略.产业生态层面上，区块链技术与生俱来的颠覆性潜质也为各行各业带来深刻变革 迫切需要国家和行业 的监管和调控.例如，基于 区块链技术的 IC0 (Initial CoinOfering，首次代币发行1通过公开发行 区块链系统 内置的加密货 币来筹措 资金，近一两年 来 已对传统金 融和资本市场形成强力冲击.2014年 ，基于以太坊的区块链项 目TheDAO通过 ICO 在短时间内筹集到 1.5亿美元，成为网络众筹历史上的里程碑之一.然而，ICO 技术 的快速发展势必会影响国家经济和金融稳定，因而涌现 出面向 ICO 技术 的实验和监管需求的各类 “沙盒”机制.
从学术研究角度来说，现有 的区块链技术本质上仍然是一种新型的链式数据结构和分布式计算架构，能够有效实现复杂社会、经济与金融系统的描述性建模和计算，但是欠缺对于区块链系统在 自身不同配置条件下和各类应用场景中的计算实验与预测解析能力，同时也欠缺虚实结合、以虚拟引导现实、以人工引导实际的引导与决策能力.这是导致 目前区块链技术只能依靠真实系统 的 “链 上”增量 式试错实验、或者利用沙盒监管等 “摸着石头过河”的经验性 决策方法，来实现区块链技术发展与产业 生态优化的根本原因.为解决这一问题，当前迫切需要发展一套面 向区块链 的建模、实验与决策 的新理论与新方法，旨在 为区块链技术和相关产业提供一套可计算、可 实现和可 比较的描述建模 、预测解析与引导 决策 方法
平行区块链是有效解决 区块链建模 、实验与决策相关 问题 的理论方法，是平行智 能这一本世纪初提 出的原创性研 究范式与 新兴区块链 技术的深度结合[-5].目前，平行智能理论 已在国防安全【6-7]、平行交通[引、平行经济[9-10】、平行控制【11】、平行视觉[12]、平行图像[13]和平行数据[14]等十余个典型应用领域有 了显著 的实践效益和初步的理论结果.平行智能研究主要面 向 “人在环路中”、兼具高度社会复杂性和工程复杂性 的社会物理信息或人机物三元系统 (Cyber—physical-socialsystems，CPSS1通 过研究数据驱动的描述智能、实验驱动的预测智能，以及互动 反馈 的引导智能，为不定、多样和复杂 问题提供灵捷 、聚焦和收敛的解决方案 15.平行区块链的首次提出是在 2017年 4月美 国丹佛大学召开的第一届区块链与知识 自动化国际研讨会.会上，本文作者之 一王 飞跃教授作 了 “ParallelBlockchain： Concept，Techniquesand Applications” 主 旨报告，首 次提 出并解 读 了平行 区块 链 的概念 、技术及其在金融、交通、健康和农业等领域 的初步应用实 践[16】.
具 体说来，平行 区块链 基 于平行 智 能理论 和 ACP 方 法 fArtificialsystems+ Computational experiments+ Parallelexecution，人 工系 统 + 计算实验 + 平行执行1，其基本思想是通过形式化地描述区块链生态系统核心要素 (例如计算节点、通信 网络 、共识算法、激励机制等1的静态特征与动态行 为来 构建人工区块链 系统，利用计算实验对特 定区块链 应用场景进行试错实验与优 化，并通过人工区块链 系统与实际区块链系统 的虚实交互与闭环反馈实现决策寻优 与平行调谐.本质上，平行区块链系统是以人工区块链系统作为 “计算实验室”，利用常态情况下人工区块链系统中 “以万变应不变”的离线试错实验与理性慎思，实现真实区块链系统在非常态情况下 “以不变应万变”的实时管理与决策.
本文的主要 目的是研究、发展和完善平行区块链 的理论方法与关键技术体系.该体系致力于通过充分利用互联 网开源情报大数据和新兴的知识 自动化手段[" ，结合人工智能前沿的 ACP 方法、平行学习和平行动态规划等计算模式【 以平行智能方法论为基础，制造面 向各类应用场景的、算法和智 能 合 约驱 动 的 “平 行 区 块链 ”;进 而 基于 特 定 网络结构 、交互机制与共识协议实现各类 “平行区块链” 智 能系统或平台;最 终实现大规模分布式节点的群集与涌现驱动的 “平行区块链”智能生态系统，建立理论 、技术、应用和生态 的完整链条，实现 区块链与平行智能深度耦合的区块链平行实验与决策模式，为区块链技术在交通 、农业 、健康、教育和金融等社会经济领域的重大决策奠定新的理论与方法基础 .
本文组织结构如下：第 1节阐述平行 区块链的概念框架;第 2节探讨平行区块链 的基础理论、关键问题 、研究方法与平台架构;第 3节讨论和辨析平行区块链在三个不 同层次上的内涵及其异同之处：第 4 节总结本文并提 出未来的研究方 向.
1 平行 区块链 的概念框架
一 般说来，区块链可 以狭义地定义为一种按照时间顺序将数据区块 以链条 的方式组合成特 定数据结构、并 以密码学方式保证不可篡改和 不可伪造的去中心化共享总账 fDecentralizedsharedledger).该账本可 以安全地存储简单的、有先后关系 的、能在系统 内验证 的数据.相对应地，广义 的区块链则是 由数据链路 、通信网络 、共识算法 、激励机制、智能合约和应用场景等要 素共 同组成 的新技术框架 、以及 由此衍生 出的新兴产业和生态系统.这种新技术框架 能够利用加密链式区块结构来验 证与存储数据、利用分 布式节点共识算法来 生成和更新数据 、利用 自动化脚本代码 (智能合约)来编程和操作数据，是一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式【22].
由此可见，区块 “链”本身仅仅是数据存取的客观载体和表现形式，更为本质和复杂的是区块链 背后 由各 节点、各要素深度耦合与相互反馈而构成 的复杂生态系统.因此，平行区块链不是多条相互独立的区块链 的简单叠加与 互动，而是 以一种 “人机结合、虚实一体”的方式、通过人工区块链系统与实际区块链系统的协 同演化与平行反馈来实现 区块链系统建模、预测与引导的新型研究框架.
平行 区块链的概念框架如 图 1所示，其核心思想是基于 ACP 方法来 实现 区块链系统 的建模、实验与决策，即：利用人工系统 (A)方法建立与实际区块链系统相对应 、能够 反映实际系统的状态与演化规律的人工区块链系统;利用计算实验 (C)方法，在人工系统中对实 际区块链系统进行实验 、分析和评估，从而掌握实际区块链系统在各种可能场景下的演化规律;利用平行执行 (P)方法，通过人工系统和实际系统 的平行 执行与协同演化，实现对实际区块链系统的管理和控制.
具体说来，平行区块链技术通过综合考虑物理、网络和社会三元空 间的各种复杂因素，采用理论建模、经验建模和数据建模有机结合的方法，建立与实际区块链系统 “伴 生”的一个或多个人工 区块链系统.实际区块链系统中因缺乏有效的建模、实验和评估手段而 引发 的问题，可 以在人工区块链系统 中构建相对应 的实验场景，通过对于区块链系统个体 f如矿 工节 点或 交易节 点)特 征与行为 的准确建模，以自底 向上 的涌现方式实施大量的计算 实验，模拟并 “实播”区块链系统的各种状态与发展特性，从而辅助推理和预测实际区块链系统各核心要素在常态和非常态情况下 的演化规律与相互作用关系;实际区块链系统在其整个生命周期内与人工区块链系统协同演化，二者通过特定的平 行交互机制与协议相互连接，在数据 、模 型、场景和决策等要素的实时同步基础上，通过 人工系统中 “W hat—if”形式 的场景推演和实验探索，实现对各 自未来状态的 “预估”及其相互 “借鉴”，并相应地调节各 自的控制与管理方式.
平行区块链 的核心优势在于其 能够有效实现区块链系统的学习与培 训、实验与评估、以及管理与控制.
11学习与培训：新兴的区块链技术 已经衍生出巨大 的市场培育和技术培训需求.一般来说，学习者随着对 区块链技术 由浅入深 的熟悉和掌握，势必会经历由离线到在线 、由链下到链上的演进过程：而链上的在线操作一方面可 能为真实区块链系统带来安全性风险，另一方面也可能 由于执行特定操作 f如执行链上代码)产生实际成本;平行区块链则可 以安全、灵活和低成本方式实现场景化甚至游戏化的学习与培训过程;平行 区块链可在真实区块链 系统 的基础上，根据特 定学 习 目标来实例化一个或多个人工区块链 系统，通过人工与实际系统的适 当连接组合，使得学 习者在人工系统 中快速掌握 区块链系统的各项操 作及其可 能的效果，并量化考 核学习与培训 的实 际效 果.
21实验与评估：真实区块链系统通常由于成本、安全和法律等原因而无法进行某些重要 的破坏性实验和创新性 实验，平行 区块链则可 以计 算实验 的方式实施这些实验，从而为量化评估区块链系统性能、实现区块链要素创新提供决策依据。例如，通过在一个模拟真实系统的人工区块链和 多个不同配置的人工区块链 中同时实施各类 “压力”实验、“极 限”实验和 “攻击”实验，可 以在测试评估真实区块链的安全性 能的同时，搜索能够有效抵御此类破坏性攻击的区块链优化配置：此外，平行区块链可有效支持类似 “Tradingagentcompetition[0]”模式 的开源实验与创新，其基本思路是根据特定需求 定义合适 的实验场景和 目标，构建相应的人工区块链系统环境、固定某些 区块链控制变量的同时向社会公众或科研人员开放若干 实验变量 f例如共识机制、激励机 制等)，通过竞赛或者众包等形式、汇集集体智慧实现特 定实验变量的评估与优化，从而推动 区块链技术的创 新和 发展 .
3)管理与控 制：平行 区块链 可 以作为政府 机构和行业组织实施宏观监管与趋势预测 的 “平行沙盒”，以虚实结合的方式实现区块链生态系统的管理与控制.一方面，区块链领域涌现出的新技术、新模式和新业态可首先在一个或多个尽可能逼近实际状态的人工区块链系统中实验、测评和完善，达到特定监管 目标和性能要求后方可应用于实际区块链系统，从而以 “人工逼近实际”的方式实现平行沙盒的 “孵化”功能：另一方面 实际区块链系统中发现 的新问题 、新需求和新趋势也可 以实时导入人工区块链系统，通过人工系统中大量的计算实验和搜索寻优，获得最优化 的新解决方案，并据此引导实际区块链系统的发展和演变，从而以 “实际逼近人工”的方式实现平行沙盒的 “创新”功能.
2 平行区块链的研究框架
简言之，区块链的核心特点是基于分布 式共识和链式数据结构的多智能体系统.一方面，区块链共识是多智能体社会网络 中的大规模群体协调与协作过程.受经济激励等因素影响，共识过程中存在着高度不确定性 fUncertainty)的心理与行为 f如 自私挖矿 、恶意粉尘攻击等)、高度多样化 (Diversity)的共识机制与策略、以及高度复杂化 fComplexity)的智能体竞争与合作博弈.这是 由 “人”参与而为区块链带来 的社会复杂性;另一方面，区块链 的链式数据结构集成 了多种特殊技术处理 以实现安全可信和不可篡改等特性，例如时问戳 、Hash运算、密码学算法和去中心化的 P2P 网络等.这是区块链在技术层面上原生的工程复杂性.由此可见，区块链系统是典型的 “人在环路中”、兼具社会复杂性与工程复杂性的复 杂系 统.
不确定 、多样化和复杂性特征 fUDC)使得基于机理分析的传统理论与方法难 以直接应用于区块链系统研究，必须通过实验方法来解决.然而，由于 “人”的心理、行为和策略性交互博弈等复杂因素的引入，研究和优化区块链系统的本质 困难是在很难甚至无法进行实验的情况下，如何定量、实时地对区块链系统 内部的行为、机制、策略、结构等要素进行建模 、分析和评估.本质上，这就是应对 “建模不可建模者”、“预测不可预测者”和 “决策不可决策者” 的 矛盾 .平 行 智 能是 解 决这 一 本质 矛 盾 的有效 理 论和方法.本节将详细阐述平行区块链的基础理论、研究问题 、以及研究方法和平 台体系.
2.1 基础 理论
平行 智能理论是复杂 自适应系统理论和复杂性科学在新时代 CPSS复杂环境下的逻辑延展和创新，是 实 际 与人 工相 结 合 、整体 与 还 原 相 结合 、定 性 与定量相结合 的新型研究范式.基于平行智能理论 的平行区块链研究主要解决如下三个关键 问题：
研究问题 1.区块链复杂生态系统 的整体建模与还原建模的有机集成与统一
复杂系统的整体建模与还原建模是既对立又统一 的两种研究方法，前者强调宏观系统层面的高层涌现与演变规律，而后者则注重微观个体层面的特征刻 画与行 为交互.平行区块链理论必须将二者有机结合.一般说来，区块链 (特别是公有链)系统通常包含大量的个体参 与者，例如挖矿节点、交易节点 、矿池等.这些参与者通过区块链 网络相互连接，并遵循特定交互协议和共识算法共 同维护和更新数据链条.因而，必须首先针对大量个体参 与者节点进行微观层面的还原建模，全面 、精准地刻画参与者的静态特征 、动态行为及其交互机制.还原建模越精准 、粒度越细，则后续整体建模 的复杂度越高，但获得 的高层涌现与演变规律更为准确可信.因此，区块链 系统建模必须有机地集成两种研究方法，兼顾还原建模粒度和整体建模复杂度、并寻求二者 的最优均衡 .
研究问题 2.“人在环路 中”的区块链计算实验与 预测解 析
受经济成本 、技术条件和法律法规等因素的制约，区块链领域 的新思想和新技术很难直接应用于实际区块链系统，这也是 目前许 多比特 币改进提议 fBitcoinimprovementproposal，BIP)仍然处于提出和草 案状 态 、无 法真 正激 活和落 地 的主要 原 因.利用计算实验方法来测试其可行性 、评估其效率和效果是解决该 问题的有效途径，其关键研 究问题在于：区块链系统并不是 由可控制和可预测 的简单工程技术构成的 “牛顿系统”，而是 “人在环路中”、人和社会因素深度影响系统行为规律、具有 自我实施特征的 “默 顿 系统”[24-25].因此，区块 链 实验 不能局 限于比特 币测试 网络这类 以尽可能 “仿真”为 目的的实验场景与环境，而是应该基于各类实际或虚拟 的计算实验场景 、利用 自适应演化算法、平行学 习等算法来驱动实验，从而观察和量化评估各类参数配置、新技术方案和体系架构等在不 同实验场景下的效果性能，并预测其演变规律.
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