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。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。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。

聲音 | 國家藥監局副局長：加快推動區塊鏈等新技術在藥品智慧監管方面的應用:11月13日，由國家藥品監督管理局指導，中國健康傳媒集團主辦的2019智慧監管創新大會在京舉辦。國家藥監局黨組成員、副局長顏江瑛在發言中指出，要持續推進藥品智慧監管工作，形成“嚴管”加“智管”的監管新局面。一是夯實智慧監管基礎。實現基于云計算的業務系統基礎設施整合和資源共享；構建全國藥監一張網，暢通網絡互聯。二是強化數據建設管理。制定藥品監管信息化標準規范，促進藥品監管信息共享、業務協同和大數據應用；加快監管數據整合，打通“信息孤島”，優化大數據融合應用，全面提升監管效率。三是提升業務應用水平。加快推動移動互聯網、物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新技術在藥品智慧監管方面的應用，逐步提升監管的預見性、靶向性、時效性；大力推動移動應用開發，為企業和公眾提供便捷辦事渠道，加強監管部門與公眾的溝通交流。四是充分運用“互聯網+”信息化技術手段，切實提升藥品監管政務事項的服務能力和水平。（人民網）[2019/11/13]

聲音 | 賽迪工程師劉曦子：在政府指導下區塊鏈行業日趨規范:據界面消息，近日賽迪區塊鏈研究院副總工程師劉曦子在參加訪談時表示，對2019年區塊鏈技術創新與應用發展是樂觀的，因為各種技術創新方案不斷涌現，對于區塊鏈技術應用落地具有積極意義。此外，政府也十分重視和扶持相關產業發展。總體來看，在工信部、央行、網信辦等有關部委指導下，行業發展日趨規范，詐騙和投機的少了，真正做技術研發和產品落地的多了。 他還表示，當前區塊鏈核心技術、機制和應用部署等方面均存在諸多安全隱患，不法分子利用相關漏洞實施攻擊，導致安全風險事件頻出。[2019/1/3]

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。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。

聲音 | 國家發改委宋承敏：區塊鏈的大規模應用面臨著很多嚴峻挑戰:據南海網消息，今日，國家發改委正司級研究員宋承敏在2018年海南“互聯網+”創新創業節開幕式上表示，區塊鏈的意義在于電子記載的一切不能篡改。信用是市場經濟的基礎。宋承敏還指出，區塊鏈的機遇、挑戰和對策作為備受關注的高新技術之一，擁有很多獨特優勢，例如加密安全性、不可篡改、可溯源等等。基于這些優勢，區塊鏈在金融、溯源、版權、游戲、慈善公益等多個領域的應用都被寄予厚望，但由于性能、市場、監管等均尚處于早期，區塊鏈等的大規模應用也面臨著很多嚴峻的挑戰。[2018/12/11]

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。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。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。

政策 | 美國伊利諾伊州定義區塊鏈合法地位的法案重回參議院:據ethnews早先報道，美國伊利諾伊州此前正制定旨在澄清區塊鏈技術合法地位的眾議院法案5553，該法案6月初錯過了委員會的最后提交期限。然而，據ethnews今日的報道，法案5553已被送回參議院委員會，該委員會現在可以選擇將該法案重新提交給另一個委員會進一步審議。該法案將提供區塊鏈和智能合約的法律定義，規定哪些可以或不可以放在區塊鏈上，并且會禁止地方政府對其征稅。[2018/7/4]

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。

美股收盤 區塊鏈概念板塊個股有漲有跌:在美上市區塊鏈概念股中網載線收漲9.36%，寺庫收漲5.47%，迅雷收漲3.67%，蘭亭集勢收漲0.85%，人人公司收漲0.09%。中概股阿里巴巴收漲4.49%，突破2017年11月24日收盤位、刷新收盤紀錄高位至192.28美元，使得2018年迄今累漲將近0.6%；網易收漲0.93%，新浪收漲0.57%，微博較周一收漲0.46%、連續六個交易日創收盤紀錄新高，京東收跌0.18%。[2018/1/24]

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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