區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性問題及原因分析

區(qū)塊鏈的性能問題

VISA是目前世界上廣泛使用的信用卡品牌，區(qū)塊鏈要達(dá)到實用水平，性能上至少需要能跟VISA之類的支付系統(tǒng)作比較。根據(jù)VISA在2015年的記錄，全年共產(chǎn)生92，064百萬筆支付交易，平均2920tps，按平均每筆交易512字節(jié)左右計算，全年交易數(shù)據(jù)量約47TB。

而目前主流區(qū)塊鏈性能情況是，比特幣每秒只能進(jìn)行大約7筆交易；以太坊每秒10-20筆。目前這些區(qū)塊鏈的交易性能都無法與VISA相比。更嚴(yán)重的是，目前比特幣和以太坊的礦機(jī)都需要存儲全量數(shù)據(jù)，而單個機(jī)器的存儲容量是有限的，若無法解決這個問題，即使交易性能提升了，若按每年新增數(shù)據(jù)量47 TB算，那么這些數(shù)據(jù)很快就會超過單機(jī)的容量，到時候整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)都無法繼續(xù)運行。

那么，比特幣和以太坊這種擁有海量節(jié)點的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，為什么性能卻這么低呢？為什么區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性這么差呢？

原因分析

區(qū)塊鏈?zhǔn)侨?a target="_blank">中心化的賬本技術(shù)，需要保證開放性、自治性、不可篡改等特性。去中心化是指使用分布式核算和存儲，不存在中心化的硬件或管理機(jī)構(gòu)，任意節(jié)點的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊由整個系統(tǒng)中具有維護(hù)功能的節(jié)點來共同維護(hù)。也就是說，系統(tǒng)中任意節(jié)點都需要對交易數(shù)據(jù)進(jìn)行全量計算和存儲。因此，區(qū)塊鏈?zhǔn)菦]有可擴(kuò)展性的，即系統(tǒng)的總體性能受限于單個節(jié)點的性能上限，即使加入了大量節(jié)點，系統(tǒng)的總體性能也無法提升。

可擴(kuò)展性是傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的基本特性，但區(qū)塊鏈由于去中心化的要求，可擴(kuò)展性卻難以滿足。業(yè)界總結(jié)了一個三元悖論描述去中心化與可擴(kuò)展性之間的矛盾，它尚未被嚴(yán)格證明，只能被稱為猜想，但實際系統(tǒng)設(shè)計過程中卻能感覺到時時受其挑戰(zhàn)：

去中心化（Decentralization），安全性（Security）和可擴(kuò)展性（Scalability）這三個屬性，區(qū)塊鏈系統(tǒng)無法同時滿足，最多只能三選其二。

上圖演示了區(qū)塊鏈如何在這三個因素之間作選擇及對應(yīng)的策略，例如若若要滿足安全性與去中心化，則需要所有節(jié)點參與共識、計算、全量存儲，但由此帶來的問題是失去可擴(kuò)展性，也就是系統(tǒng)的總體性能無法隨著節(jié)點的增多而提升；若要滿足可擴(kuò)展性與安全性，則需要中心化管理，需要保證參與共識的節(jié)點是可信的；若要滿足可擴(kuò)展性與去中心化，則采用分散存儲、計算的策略，不做全量共識，則攻擊網(wǎng)絡(luò)的難度降低，安全性難以保證。

提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能的方案

我們知道，影響區(qū)塊鏈交易性能的主要因素包括共識機(jī)制、交易驗證、廣播通信、信息加解密等幾個環(huán)節(jié)。從這些環(huán)節(jié)入手，我們可以得到一些提升性能的方法。

共識機(jī)制

從PoW到PoS再到DPoS和各種BFT類算法，共識機(jī)制不斷創(chuàng)新，區(qū)塊鏈平臺性能也得到大幅提升。

交易驗證

從交易驗證機(jī)制角度出發(fā)，目前有幾種優(yōu)化處理方式：

1）閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）和狀態(tài)通道（State Channels），這兩種策略是保持底層的區(qū)塊鏈協(xié)議不變，將交易放到鏈下執(zhí)行，通過改變協(xié)議用法的方式來解決擴(kuò)展性問題。鏈下的部分可以用傳統(tǒng)的中心化的分布式系統(tǒng)實現(xiàn)，性能具有可擴(kuò)展性。在這種策略下，分布式賬本上只是記錄粗粒度的賬本，而真正細(xì)粒度的雙邊或有限多邊交易明細(xì)，則不作為交易記錄在分布式賬本上。缺點是存在中心化的系統(tǒng)。

2）分片處理（sharding），以太坊項目正在研發(fā)中的分片（shard）方案的總體思路是每個節(jié)點只處理一部分交易，比如一部分賬戶發(fā)起的交易，從而減輕節(jié)點的計算和存儲負(fù)擔(dān)。

3）多鏈架構(gòu)（Multi-chain）的思路則是將原本的一條鏈分成多條鏈，每條鏈都負(fù)責(zé)部分計算和存儲業(yè)務(wù)，并且有可擴(kuò)展性，即鏈的數(shù)量可以隨著業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)的增加而增加，系統(tǒng)的總體性能隨著鏈的數(shù)量的增加而提升，系統(tǒng)的存儲空間也能隨著鏈的數(shù)量的增加而擴(kuò)大。

廣播通信

P2P網(wǎng)絡(luò)是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一，因此P2P網(wǎng)絡(luò)通信的效率對性能的影響非常重要。為了能改善廣播通信性能，需要提高節(jié)點機(jī)器的物理配置，提供高速網(wǎng)絡(luò)連接，并采用減少廣播的共識算法，如DPoS等。

信息的加解密

信息的加解密是區(qū)塊鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是哈希函數(shù)和非對稱加密兩類算法。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中可以采用更高性能的加密算法以提升交易驗證的性能。

方案對比

上述優(yōu)化方法中，共識機(jī)制、廣播通信、信息加解密是算法層面的優(yōu)化，盡管這些方案也是重要的優(yōu)化，但其沒有解決根本性的問題，其性能提升仍然受限于單機(jī)性能，不是可擴(kuò)展的，因此性能提升有限，本文不再詳述；交易驗證的幾個優(yōu)化方案則是可擴(kuò)展的方案，其中閃電網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)通道是鏈下執(zhí)行的方案，采用中心化的系統(tǒng)提升區(qū)塊鏈性能，與區(qū)塊鏈去中心化的理念相悖，而且使用復(fù)雜、用戶體驗差（例如閃電網(wǎng)絡(luò)要求交易中的雙方以及中間人都必須同時在線、線下系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜因為要尋找可用的支付通道、不適用于大額交易等），無法得到廣泛使用。因此EOS、以太坊、Cosmos及迅雷鏈等高性能區(qū)塊鏈項目均采用分片或多鏈方案。

分片或多鏈方案的思路是一樣的，都是讓每個分片或分鏈進(jìn)行部分交易數(shù)據(jù)的處理和存儲，每個分片和分鏈可以并行處理不同的交易數(shù)據(jù)，這樣分片或分鏈的數(shù)量越多，系統(tǒng)的總體性能就越高，這兩者都是可擴(kuò)展性很強(qiáng)的方案。

1.EOS的多鏈實現(xiàn)方案

EOS的技術(shù)白皮書中并沒有描述多鏈的實現(xiàn)方案，只描述了支持跨鏈通信的IBC（Inter Blockchain Communication）協(xié)議，跨鏈交互通過簡化生成消息存在的證明和消息序列的證明來實現(xiàn)。EOSIO聲稱主鏈可以支持3000以上的TPS，通過IBC可達(dá)到100萬TPS。

EOS的多鏈架構(gòu)其實是側(cè)鏈方案。開發(fā)者可以單獨部署一條EOS側(cè)鏈（公鏈、私鏈都可以），運行自己的Dapp，這些側(cè)鏈有可以有自己的委員會，見證人以及計算資源，有自己的代幣，這些代幣有自己的增發(fā)方式，而且代幣可以和EOS通過接口進(jìn)行錨定去實現(xiàn)包括鎖定在內(nèi)的某種操作。側(cè)鏈最大的特征雙向錨定（two-way-peg）技術(shù)，它使得在側(cè)鏈流通的Token價格總是與EOS價格保持一定比例或者直接采用EOS。

因此EOS的多鏈架構(gòu)并不是對主鏈本身進(jìn)行可擴(kuò)展性改造，只是期望通過子鏈來分擔(dān)主鏈的壓力。

2.以太坊的分片技術(shù)（Sharding）

分片（Sharding）是以太坊正在開發(fā)中的技術(shù)，其大致設(shè)計思路是：將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個區(qū)塊變?yōu)橐粋€子區(qū)塊鏈，子區(qū)塊鏈中可以容納若干（目前為100個）打包了交易數(shù)據(jù)的Collation（大概可以稱為“校驗塊”，為了在分片的情景中將其與區(qū)塊的概念區(qū)分開），這些Collation最終組成一個在主鏈上區(qū)塊；因為這些Collation是整體作為區(qū)塊存在的，所以其數(shù)據(jù)必定是全部由某個特定的礦工所打包生成，本質(zhì)上和現(xiàn)有協(xié)議中的區(qū)塊沒有區(qū)別，所以不再需要增加額外的網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)。這樣，每個區(qū)塊的交易容量就大概擴(kuò)大了100倍；而且這種設(shè)計還有利于未來的繼續(xù)擴(kuò)展。

跨分片通信： 利用 UTXO 模型，并通過在主鏈上進(jìn)行交易和創(chuàng)建一個 receipt（帶有 receipt ID），用戶可以將以太存入一個指定分片。分片鏈上的用戶可以給定 receipt ID 創(chuàng)建一個消費 receipt（receipt-consuming）的交易，來花費該 receipt。但UTXO適用于交易，對于合約狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲不適用。

3.Cosmos的多鏈技術(shù)

Cosmos項目的目的是解決區(qū)塊鏈交互操作和可擴(kuò)展性問題，其區(qū)塊鏈間通訊協(xié)議可以實現(xiàn)區(qū)塊鏈的互聯(lián)，支持不同區(qū)塊鏈之間的資產(chǎn)轉(zhuǎn)移。

網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成，Cosmos Hub和若干個Zone。

Cosmos網(wǎng)絡(luò)里第一條鏈?zhǔn)荋ub，從名字和功能上都可以把它理解為Cosmos的中心鏈或者管理員鏈，所有其它區(qū)塊鏈的交易都會在Hub記錄，一條區(qū)塊鏈上的token可以通過Hub轉(zhuǎn)移到另一條區(qū)塊鏈。Hub是Cosmos網(wǎng)絡(luò)的核心，和其余的Zone是不平等的，從嚴(yán)格意義上講Cosmos網(wǎng)絡(luò)不是真正的分布式系統(tǒng)，如果Hub發(fā)生了單點故障（當(dāng)然Hub本身是分布式的，發(fā)生問題的機(jī)率很小），Cosmos網(wǎng)絡(luò)的很多特性會不可用。關(guān)于這點，白皮書中強(qiáng)調(diào)Hub必須得到嚴(yán)格保護(hù)。

每個Zone可以看做是單獨的區(qū)塊鏈空間。每個Zone會和Hub保持狀態(tài)同步。Hub通過去中心化的驗證人組來保證安全性。Zone1向Zone2做跨鏈消息時，Zone1先生成消息包，并將其證明發(fā)布在Hub上，接下來Hub會生成Zone1的跨鏈消息包已在Hub上的存在證明的證明發(fā)布于Zone2，接下來Zone2收妥消息包，并給出證明發(fā)布于Hub上，最后，Hub再給出Zone2的收妥證明的證明發(fā)布于Zone2。完成整個跨鏈消息傳遞。

4.迅雷鏈同構(gòu)多鏈架構(gòu)

迅雷鏈?zhǔn)峭瑯?gòu)多鏈的架構(gòu)，即每條鏈的結(jié)構(gòu)相同、地位平等。即系統(tǒng)由一條條相對獨立（獨立進(jìn)行共識）的鏈組成，每條鏈有多個節(jié)點，每個節(jié)點被分配到其中一條鏈上，不同的賬戶數(shù)據(jù)被錨定在不同的同構(gòu)鏈上，然后接入層將交易路由到發(fā)送方所在的鏈上進(jìn)行區(qū)塊打包與共識。系統(tǒng)中鏈的數(shù)量能夠按業(yè)務(wù)需求動態(tài)增加。因此同構(gòu)多鏈的架構(gòu)首先保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

不同于EOS等區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要昂貴的高性能服務(wù)器作為記賬節(jié)點，迅雷鏈?zhǔn)褂昧畠r省電的玩客云設(shè)備作為記賬節(jié)點，構(gòu)建了自己的大規(guī)模共享計算平臺。目前玩客云節(jié)點數(shù)量已超過150萬個節(jié)點數(shù)，如此龐大的節(jié)點數(shù)量，對區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可擴(kuò)展性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)主要來自兩個方面：

1）玩客云設(shè)備廉價省電，性能也低，這就要求共識算法必須使用綠色環(huán)保、適應(yīng)家庭用戶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的算法。針對這個挑戰(zhàn)，迅雷鏈在改進(jìn)的PBFT的基礎(chǔ)上，還融合了DPoS的思想，在每條鏈上，都會周期性地（例如每隔5000個區(qū)塊）選舉出驗證人節(jié)點參與共識。與傳統(tǒng)的DPoS不同之處在于，迅雷鏈并不是根據(jù)礦工持有的代幣數(shù)量或幣齡作為選舉標(biāo)準(zhǔn)投票權(quán)重，而是按玩客云節(jié)點的存儲容量、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、帶寬、時延等標(biāo)準(zhǔn)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，以獲得更好的公平性和網(wǎng)絡(luò)效率。

2）玩客云節(jié)點數(shù)量龐大，家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，要求區(qū)塊鏈系統(tǒng)必須設(shè)計成可擴(kuò)展性高、自治能力強(qiáng)的架構(gòu)。得益于同構(gòu)多鏈的架構(gòu)非常強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，迅雷鏈能夠充分利用海量玩客云節(jié)點，可以將鏈數(shù)“無限”擴(kuò)展，從而具備百萬級的并發(fā)處理能力。

綜上所述，迅雷鏈采用多鏈架構(gòu)實現(xiàn)了可擴(kuò)展性 + 使用PBFT實現(xiàn)了強(qiáng)一致性 + 使用更綠色環(huán)保和公平的DPoS進(jìn)一步提升了共識效率、也得到了更高的可用性。從去中心化（Decentralization），安全性（Security）和可擴(kuò)展性（Scalability）三要素的角度看，由海量的廣泛分布的玩客云設(shè)備支撐了去中心化和安全性，采用多鏈架構(gòu)以實現(xiàn)可擴(kuò)展性。

總結(jié)

共識機(jī)制、廣播通信、信息加解密等算法層面的優(yōu)化，無法解決大規(guī)模去中心化系統(tǒng)的可擴(kuò)展性問題；而閃電網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)通道是鏈下執(zhí)行的方案，則與區(qū)塊鏈去中心化的理念相悖，而且使用復(fù)雜、用戶體驗差，無法得到廣泛使用。因此前沿的區(qū)塊鏈項目均采用可擴(kuò)展性強(qiáng)的分片或多鏈方案。

其中，EOS目前是多線程的架構(gòu)，總體性能還是受到單臺機(jī)器的性能所限，需要昂貴的服務(wù)器來運行區(qū)塊鏈節(jié)點，可擴(kuò)展性并不算強(qiáng)；以太坊正在開發(fā)中的分片技術(shù)則需要主鏈負(fù)責(zé)驗證子鏈的區(qū)塊，由于主鏈會存在性能瓶頸，因此子鏈數(shù)量受到限制（100個子鏈）；Cosmos也是同樣的問題，Hub必須得到嚴(yán)格保護(hù)；迅雷鏈采用的同構(gòu)多鏈架構(gòu)則避免了上述缺點，適用于大規(guī)則廉價節(jié)點的部署， 可以將鏈數(shù)“無限”擴(kuò)展，從而具備百萬級的并發(fā)處理能力。