區塊鏈技術：分片趕上區塊鏈

目前，公鏈極低的交易處理能力（TPS）爲人們便捷的使用區塊鏈帶來很大的麻煩。例如：比特幣網絡只支持6到7個TPS，而以太坊目前只能處理大約15 TPS，而中心化支付系統的表明：支付寶，在2017年11月11日能夠提供200000 TPS以上的處理能力。對比能夠發現，區塊鏈世界中的TPS能力不足，極大地限制了其更普遍的應用。

儘管如今中心化系統已經能提供很高的TPS，但互聯網發展過程當中，因爲用戶不斷增長的需求，可擴展性一直是中心化網絡常常遇到的關鍵問題。爲了知足全部互聯網用戶的需求，來自谷歌、臉譜網（Facebook）爲表明的一線互聯網公司、開源軟件社區的工程師和學術界相關領域的科學家在提升網絡的性能，提升可擴展性方面花費了巨大的努力和大量的資源，開發出了多種擴容方法。其中涌現出一批著名的項目，好比：谷歌文件系統、BigTable、Hadoop、Cassandra。

須要注意的是，在這些中心化系統中採用的擴容技術不少都不適合去中心化的網絡。爲了保護好區塊鏈網絡的去中心化和安全性的核心價值，開發者必須仔細選擇最適合的擴容技術，並將這些技術集成起來，不斷調整，使其能知足去中心的網絡。

首先讓咱們簡要回顧一下中心化系統的擴容歷史。

1.中心化世界的擴容簡史

在互聯網時代到來以前（2000年以前），爲了知足不斷增加的需求，人們主要採用垂直擴容的方案提高系統性能。垂直擴容的基本思想是經過增長更先進，一般也是更昂貴的硬件設備來改進單個節點性能，好比：

• 解決計算瓶頸問題採用更快的CPU；
• 爲解決內存/緩存不足的問題添加更多內存；
• 爲解決存儲不足的問題添加更多或使用更大容量的硬盤。

在這個時代涌現出了一批在垂直擴容領域的專家和著名公司，好比：以數據庫著稱的Oracle；以工做站著稱的SUN；以高性能存儲聞名的EMC。

垂直擴容的主要好處是當性能不足時只要對單個節點投入更多的資源，管理相對簡單。然而，這個方案有兩個主要缺點：

1. 前期投入成本很高。例如，EMC入口級設備比普通的商用我的電腦昂貴得多。
2. 當性能達到必定水平時，經過垂直擴容方案提高性能多是代價不菲的。因爲硬件資源的物理限制，垂直擴容方案中提高兩倍的性能所花費的代價一般大於兩倍。例如，根據ark.intel.com網站2018年6月11日的報價，英特爾Xeon E5 - 1620 V4處理器具備4個核，其中每一個核的頻率爲3.80 GHz，總價約爲300美圓（總計15.2GHz，每GHz 的價格爲19.7美圓），而英特爾Xeon E5-1680 V4具備8個核和每核的頻率爲4 GHz，價格高達1723美圓（總計的32 GHz，每GHz的價格爲53美圓）。

隨着互聯網應用的爆發性增加，用戶數量隨着時間的推移呈指數增加，繼續經過垂直擴容的方案來爲全部用戶提供服務將變得很是昂貴和困難。爲了知足全球網絡用戶的使用需求，谷歌和臉譜網等互聯網公司採起水平擴容的方案，經過使用普通的我的電腦來構建大規模分佈式系統來解決這個問題。水平擴容方案有着幾個重要的優點：

1. 下降前期成本。一個新的項目在早期只須要少許的節點就能夠知足其初始用戶的需求。
2. 線性擴容。能夠經過增長更多的節點，實現系統性能的線性增長。這意味着隨着用戶數量的增加，系統容量能夠經過不斷的增長節點有計劃的按需擴容。

目前世界上已經有一些著名的系統是按照這一思路設計的，他們提供了巨大的處理能力，同時維持優秀的可擴展性。好比：

• 谷歌文件系統（存儲）
• 谷歌的BigTable （key-value存儲）
• 谷歌的MapReduce（計算）
• Hadoop以及谷歌的一些開源項目，包括：HDFS、HBase、MapReduce
• Cassandra （key-value存儲）

水平擴容中所使用的一個關鍵技術是分片（sharding），經過將整個系統狀態劃分爲多個相對獨立的子狀態（shards），並構建多個節點組成的集羣來並行的處理每一個子狀態。根據分片方案的思想，人們能夠經過在集羣中加入更多的節點，以及增長片（shard）來線性的提高系統性能。

2.去中心化網絡的可擴展性問題

前文能夠看到，爲了提高性能人們在中心化世界中已經作出的大量嘗試，這些案例爲咱們在去中心化的區塊鏈網絡中提高性能提供很是好的參考樣品（注意，咱們這裏只討論鏈上擴容方案）：

目前，大多數現有的鏈上擴容方案是增長單條鏈的性能爲主，咱們稱之爲區塊鏈垂直擴容方案。例如，比特幣（BTC）的出塊間隔爲600秒，每個塊的大小爲1M。爲了加快交易處理速度，萊特幣（LTC）經過將BTC的出塊間隔從600秒減小到150s；比特幣現金（BCH）則經過將BTC的1M大小限制增長到8M來容納更多的交易。然而這兩種方案都是不能無限的使用下去的，因爲全球P2P網絡傳播速度的限制，進一步減小出塊間隔或增長塊大小將爲會增長孤塊產生的機率，孤塊的產生會浪費哈希算力。

爲了進一步提升單根鏈的性能，最新的區塊鏈項目正在嘗試使用新的共識算法，如：權益證實（POS）和委託權益證實（DPOS），這也是垂直擴容的方案之一。兩個有表明性的例子是以太坊的GHOST改進和EOS的DPOS共識，其中EOS的DPOS共識只容許21個節點來產生塊，損害了網絡的去中心化程度。

因爲P2P網絡和單個節點自己的物理約束，咱們認爲區塊鏈垂直擴容方案將會遇到與中心化系統垂直擴容相似的挑戰。而水平擴容方案已經在中心化系統中取得了巨大的成功，相信這一技術也能搭建出可以知足全球商業需求的高性能公鏈。區塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區塊鏈的狀態劃分爲多條區塊鏈狀態（shards）。每一個片能夠相對獨立地處理交易，並且能夠無縫地與另外一個片交互。經過增長網絡中片的數量，整個區塊鏈網絡的吞吐量將會線性增長。

最後提一下，咱們是一羣在美國硅谷發展的年輕人創建的QuarkChain團隊。QuarkChain旨在經過使用上述技術來解決區塊鏈世界中的TPS不足的問題，使其能知足各類商業場景的需求。由於去中心化的網絡中擴容沒有太多的先例可尋，QuarkChain團隊必須從頭開始設計並構建基礎設施以知足區塊鏈應用的需求，這將是很是困難的。幸運的是咱們的團隊是由來自谷歌、臉譜網和優步的高級軟件工程師組成的，有着多年設計、搭建、測試、維護和優化大型可擴展系統的豐富經驗。這些寶貴的經驗使咱們可以以很是快的速度開發QuarkChain網絡，並在項目開發的早期避開在中心化系統中已經出現過的許多陷阱。咱們的宗旨是經過以分片爲表明的水平擴容技術，創建一我的人可用的區塊鏈底層公鏈。

注：本文爲QuarkChain CEO週期發佈在Medium上文章的中文譯文， 原文連接。