比特幣: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。

金色相對論 | 胡繼曄：區塊鏈是互聯網的升級版:在今日舉行的金色相對論中，針對“為什么在這個時間段區塊鏈技術會得到國家層面的高度重視”的問題，中國政法大學區塊鏈金融法治研究中心主任胡繼曄表示，我也給大家一個數據。去年9月份到11月份我在美國杜克大學做了三個月的訪問學者，在訪學期間，我發現了一個非常有意思的事情，就是當時聯合國貿發組織提出了2019年的數字經濟報告，報告說數字經濟革命以前所未有的速度和規模改變著人類社會帶來的巨大的機遇和嚴峻的挑戰，目前數字經濟主要由兩個超級大國主導，這兩個超級大國就是美國和中國。

那美國和中國為什么被稱為超級大國？因為在聯合國貿發組織認為，全球最大的七個數字平臺，美國占了五個，中國兩個。美國的五個是Amazon、Facebook、Twitter，Google以及微軟，中國兩個就是騰訊和阿里。而且中美兩國占了全球物聯網支出的50%和區塊鏈技術專利的75%，以及公共云計算市場的75%，還有數字平臺市值的90%，也就是說，中美兩國基本上在數字經濟領域已經處在超級大國的地位。

更重要的是，互聯網發源于美國，很多的根服務器都在美國。中美兩國因為已經進入了一個競爭時代，我們必須有自主的知識產權。在這種情況下，區塊鏈技術可能是對傳統的互聯網技術，從過去的互聯網的連到今天區塊鏈的鏈，它們是不同的，區塊鏈應該來說是互聯網的一個升級版，在這種情況下，中國必須占有先機，才有可能在未來和美國在數字經濟的競爭中至少不落后，兩個超級大國，這個在數字領域的兩兩強爭霸已經顯現出來。

可以總結一下，第一是中美兩國作為數字經濟的兩個超級大國，我們良性競爭的需要；第二是現實的需要，比如相關疫情，比如說我們經濟發展到了新的一個階段的需要；第三也是未來中國經濟繼續發展，繼續進步的一個需要。[2020/6/2]

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。

動態 | GBV推出1億美元風險基金，將專注于區塊鏈:據bitcoinexchangeguide報道，Global Blockchain Ventures（GBV）最近宣布推出了1億美元的風險基金，專注于區塊鏈技術。到目前為止，Stonegate數字資本集團已經為該基金提供了七位數的捐款。[2018/11/7]

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 | 銀保監會吳劍：區塊鏈能最大限度避免煉油企業偷逃稅款:據經濟參考報消息，區塊鏈問題專家、銀保監會柳州監管分局局長吳劍表示，地煉企業、運輸企業、倉儲、零售終端及用油企業相互之間存在著很強的“網絡結構”，通過區塊鏈技術嵌入的方式，能夠最大限度地覆蓋產業鏈中的每一個環節，也就最大限度避免煉油企業偷逃稅款的可能性。[2018/10/22]

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。

動態 | 廣東將聯合港澳打造區塊鏈創新圈:根據中國新聞網消息，今日廣東省政協委員梁琦表示，廣東將發揮毗鄰港澳地區的優勢，探索更加開放的粵港澳區塊鏈創新政策、更加靈活的合作模式，深化粵港澳區塊鏈產業合作，打造粵港澳區塊鏈創新圈。[2018/8/24]

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。

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。

聲音 | 香港區塊鏈協會聯合會長：區塊鏈其實是金融創新的一種體制:據證券時報報道，香港區塊鏈協會聯合會長唐儀，昨日于西麗湖金融科技大講堂上分享了區塊鏈技術在香港的應用實踐。唐儀指出，區塊鏈其實是金融創新的一種體制，在融資這方面，其實區塊鏈項目有很多缺陷需要改善，它現在絕對不是一個完美的、成熟的產品，但是它已經釋放了很多潛能，讓很多創業者覺得很興奮。因為終于有一套機制可以不需要經過投資銀行，不需要經過傳統的中介或者VC、PE，甚至不需要經過證監會，直接讓用戶來投資它。[2018/7/22]

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。

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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