區塊鏈:區塊鏈公鏈“三元悖論”專題系列之可擴展性（Scalability）

京東智聯云云產品研發部潘熙之

隨著比特幣的問世，區塊鏈技術在這10多年的時間里被越來越多的人所認知，區塊鏈構筑了數字經濟時代的價值網絡基礎。而區塊鏈公鏈背后的經濟模式、共識機制、密碼學等技術問題中，一直存在著一個有著持續熱度的“三元悖論”問題，即在區塊鏈公鏈中，無法將“去中心化”(Decentralization)、“安全性”(Security)、以及“可擴展性”(Scalability)三種特性很好的兼備。

“去中心化“是指任何人都可以作為節點參與區塊鏈系統的生產和驗證，節點數量越多，則去中心化程度越高，這也是區塊鏈區別于傳統互聯網系統的核心特性。

“安全性“是指為了獲取區塊鏈系統控制權所付出成本的高低，付出的成本越高，則安全性越高，這也是區塊鏈系統能夠使參與者形成”共識“的基礎。

“可擴展性“是指區塊鏈系統處理交易信息的能力，很大程度上取決于交易處理性能，即TPS，事實證明，可擴展性是當今區塊鏈系統無法適用于實際應用場景的最大障礙，造成此結果的主要原因是每筆交易都要在所有節點上達成一致，以及各節點參與區塊鏈系統所付出的成本。

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事實上，在“三元悖論”中，三種特性都有各自獨立的技術發展路線，犧牲某一種特性，并不代表可以換取另外一種特性的提高，只是在現有技術條件下，一個區塊鏈系統想要將這三種特性最大化的融合，通常都會有所取舍；而且，如果拋開“三元”中的“去中心化”和“安全性”，那就根本談不上“區塊鏈“和”系統“，所以我們看到這些年來，各區塊鏈公鏈系統在試圖突破“三元悖論”問題時，最常優先考慮的，就是通過提高TPS，來優化系統的性能。

所以作為這個專題系列的第一篇文章，我想首先從可擴展性方面出發，講講目前能夠帶來區塊鏈系統“可擴展性“提升的一些方法和技術路線；希望在閱讀這篇文章后，大家再看到類似“千萬TPS”之類的宣傳口號時，就會有更加深入的理解。

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在講可擴展性之前，我們先來了解下可擴展性當中的核心指標“TPS“這個概念：

TPS(TransactionPerSecond)指的是系統平均每秒處理的交易數量，對一個區塊鏈公鏈系統來說，TPS是衡量系統性能的重要指標；TPS是計算出來的，即用一段時間的總的交易數除以這段時間的秒數，得到的是一個平均值，這個平均值并不代表系統每秒都會處理等量的交易，系統實際在每個時間段處理交易的數量是有高有低的，以比特幣為例，因為比特幣的兩個區塊間隔時間為10分鐘，如果在這段時間，打包塊里面有2400筆交易，那比特幣的TPS就是2400/600=4，是的，實際上比特幣的TPS確實只有4左右。

比特幣歷史交易數量圖

作為對比，這里給大家一些數據參考：Visa在1600TPS左右，網聯雙11活動峰值在10萬TPS左右，目前主流的區塊鏈系統以太坊目前在20TPS左右，而中心化的區塊鏈系統XRP也只有1500TPS左右。

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所以，在回歸到現實應用中時，區塊鏈公鏈系統的TPS是一個無法回避的問題。

理論上，當在帶寬無限大、數據傳輸延遲無限小、計算能力無限強的情況下，區塊鏈系統中數據達成共識的效率可以無限高，TPS也就可以無限高；但實際情況中，參與區塊鏈系統大部分用戶的帶寬、計算機處理能力都是非常有限的，所以對于區塊鏈公鏈系統設計者來說，在保證網絡的性能最優的同時，將用戶網絡能耗降至最低，成為了一項非常大的挑戰。

近幾年來，各公鏈項目方都為了提升系統TPS而在技術上另辟蹊徑，行業內也不斷出現一些與之相關的專業術語，比如POW、POS、跨鏈、分片、DAG、異步共識組、零知識證明等。

NSDI上關于異步共識組的論文

而在這些技術中，目前提升區塊鏈公鏈系統可擴展性的主流方式大致為以下幾種：一是改變共識機制，二是更換DAG網絡，三是采用跨鏈技術，四是采用分片技術。

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一、改變共識機制：除了比特幣所使用的POW(Proof-of-Work工作量證明)共識機制外，業內比較流行的還有POS(Proof-of-Stake權益證明)、DPoS、Algorand、PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance,實用拜占庭容錯算法)等，如果算上各種“升級版“、”改良版“的話，市面上至少有上百種共識機制可尋，但這些共識機制的出現，大都是為了改善比特幣所使用的POW所導致的TPS不足，而在改良的過程中，各共識機制也都采取了各種各樣的權衡與妥協。

由于比特幣所采用的POW歷經10多年的風霜雪雨依然屹立不倒，所以起初很多共識機制都是在POW的基礎上進行迭代來優化TPS，比如調整區塊大小，改變區塊結構，解耦區塊產生和交易打包過程等，然而這些調整在提高TPS的同時也帶來了一些新的問題，比如增加區塊大小雖然可以使單個區塊存入更多的交易，但由于區塊變大也會讓網絡傳輸延遲變高，從而增加分叉風險；再比如Bitcoin-NG可以在PoW共識下達到很高的TPS，但也會造成個別節點權力過大的問題等。

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基于此，PoS、Algorand等完全違背Pow初衷的共識機制隨之出現，這些共識機制旨在顛覆PoW機制的“挖礦”概念，并向用戶宣導“系統中最大既得利益者不會去傷害系統”的共識理念，由于這些機制多或少的犧牲了去中心化，所以用戶基本無須挖礦且沒有繁重的哈希計算過程，故系統可以非常快速的使用戶參與其中并產生相比于PoW更大尺寸的區塊，因此其TPS表現自然遠高于PoW。

二、更換DAG網絡：區塊鏈的基本結構，是以鏈的形式串連區塊，然而，DAG(DirectedAcyclicGraph有向無環圖)將鏈式結構更換為網式結構，取消了交易區塊的概念，更換為將每筆交易都與其它多筆交易相連，各交易間相互驗證達成共識，從而實現靠交易量提升DAG整體驗證效率，最終達到提升TPS的目的。

DAG示意圖

不過，DAG的優缺點也都比較明顯，先說優點，DAG的主要優點有二，一是在有限帶寬的條件下，DAG可以通過異步并發的方式記錄更多的數據，從而提升TPS，二是DAG結構避免了傳統鏈式結構在算力過大時的算力浪費，以及易分叉等問題；DAG的主要缺點也有二，一是最后交易的確認時長不可控導致的穩定性不足，二是安全性方面沒有經歷過類似比特幣經歷的大規模驗證。

三、采用跨鏈技術，跨鏈分為多鏈和側鏈兩種方式，多鏈，顧名思義就是采用多個鏈并行的方式進行交易，相較于單鏈方式，多條鏈并行的TPS一定是大于單鏈方式的，但隨著交易量的增加，跨鏈數據的互通需求隨時增多，一筆資金可能在多個鏈上進行流轉，一個賬戶也會在多個鏈上產生交易，這些會帶來管理難度的極大提升，所以，多鏈并行的實現中，計算TPS往往是簡單的累加。隨著預言機等跨鏈技術的成熟，多鏈勢必會有較大的發展前景。

跨鏈示意圖

側鏈技術也被稱為“鏈下狀態通道”，是在用戶間搭建臨時線下交易通道，所有中間交易都發生在鏈下，主區塊鏈上僅驗證最終狀態，解決同一對用戶的頻繁交易給區塊鏈系統帶來的TPS壓力，間接提升區塊鏈系統的可擴展性。比如有兩個商戶一天內多次互相交易，但是當一天結束時，卻發現雙方你來我往了1000多次交易，但來往金額卻剛好相抵歸零，這正是側鏈技術最適合運用的場景。其代表項目比特幣的閃電網絡和以太坊的雷電網絡。不過，需要強調的是，側鏈雖然幫助區塊鏈系統減少了壓力，但它的TPS數量其實不應該計入區塊鏈系統的TPS。

四、采用分片技術，分片技術，即將每個交易塊分解后的各個分片發布到區塊鏈網絡中，各分片為并行狀態，這樣每個節點不必下載全部交易數據，從而大大提高區塊鏈系統的處理速度。需要注意的是，分片技術與跨鏈技術最大的區別是，所有分片仍然基于同一條鏈，因此，在不同的分片間高效協同以保持共識的有序性和正確性極具挑戰。

區塊鏈與數據庫分片對比示意圖

分片條件下的TPS計算，應以交易的終局狀態達成為準。將各分片瞬時TPS累加進行宣傳是常見做法，但缺乏實際意義。分片是目前的熱點方向，第一個使用分片技術的是Zilliqa，ETH2.0、Harmony等其他項目也一直在努力將分片技術集成到區塊鏈系統中。

可以看到，提高TPS的技術路線各有利弊與挑戰，希望通過京東智聯云-區塊鏈公鏈“三元悖論“專題系列的文章，大家可以從“去中心化”(Decentralization)、“安全性”(Security)、“可擴展性”(Scalability)這三個方面去了解區塊鏈公鏈系統的特性，以及在實際應用場景中能夠更好的挑選一款合適的區塊鏈系統，去解決一些問題。

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