區塊鏈公鏈「三元悖論」專題之可擴展性（Scalability）

隨着BTC系統的問世，區塊鏈技術在這10多年的時間裏被愈來愈多的人所認知，區塊鏈構築了數字經濟時代的價值網絡基礎。而區塊鏈公鏈背後的經濟模式、共識機制、密碼學等技術問題中，一直存在着一個有着持續熱度的「三元悖論」問題（也稱「不可能三角」問題），即在區塊鏈公鏈中，沒法將「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「是指任何人均可以做爲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，這也是區塊鏈區別於傳統互聯網系統的核心特性。
• 「安全性「是指爲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，這也是區塊鏈系統可以使參與者造成」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，很大程度上取決於交易處理性能，即TPS（每秒處理交易的筆數），事實證實，可擴展性是當今區塊鏈系統沒法適用於實際應用場景的最大障礙（好比比特幣），形成此結果的主要緣由是每筆交易都要在全部節點上達成一致，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，並不表明能夠換取另一種特性的提升，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，一般都會有所取捨；並且，若是拋開「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「，因此咱們看到這些年來，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，就是經過提升TPS，來優化系統的性能。

因此做爲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，講講目前可以帶來區塊鏈系統「可擴展性「提高的一些方法和技術路線；但願在閱讀這篇文章後，你們再看到相似「千萬TPS」之類的宣傳口號時，就會有更加深刻的理解。

在講可擴展性以前，咱們先來了解下可擴展性當中的核心指標「TPS「這個概念：

TPS(Transaction Per Second)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講，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，獲得的是一個平均值，這個平均值並不表明系統每秒都會處理等量的交易，系統實際在每一個時間段處理交易的數量是有高有低的，以比特幣爲例，由於比特幣的兩個區塊間隔時間爲10分鐘（600秒），若是在這段時間，打包塊裏面有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（上圖來自京東智聯雲BDS區塊鏈數據服務）

做爲對比，這裏給你們一些數據參考：Visa在1600TPS左右（峯值56000TPS），網聯雙11活動峯值在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。

因此，在迴歸到現實應用中時，區塊鏈公鏈系統的TPS是一個沒法迴避的問題。

理論上，當在帶寬無限大、數據傳輸延遲無限小、計算能力無限強的狀況下，區塊鏈系統中數據達成共識的效率能夠無限高，TPS也就能夠無限高；但實際狀況中，參與區塊鏈系統大部分用戶的帶寬、計算機處理能力都是很是有限的，因此對於區塊鏈公鏈系統設計者來講，在保證網絡的性能最優的同時，將用戶網絡能耗降至最低，成爲了一項很是大的挑戰。

近幾年來，各公鏈項目方都爲了提高系統TPS而在技術上另闢蹊徑，行業內也不斷出現一些與之相關的專業術語，好比POW、POS、跨鏈、分片、DAG、異步共識組、零知識證實等。

NSDI上關於異步共識組的論文

而在這些技術中，目前提高區塊鏈公鏈系統可擴展性（主要是提高TPS）的主流方式大體爲如下幾種：一是改變共識機制，二是更換DAG網絡，三是採用跨鏈技術，四是採用分片技術。

1、改變共識機制：除了BTC系統所使用的POW(Proof-of-Work工做量證實)共識機制外，業內比較流行的還有POS(Proof-of-Stake權益證實)、DPoS（Delegated Proof of Stake委託權益證實）、Algorand（POS升級版，純股權證實）、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,實用拜占庭容錯算法)等，若是算上各類「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，大都是爲了改善比特幣所使用的POW所致使的TPS不足，而在改良的過程當中，各共識機制也都採起了各類各樣的權衡與妥協。

因爲BTC系統所採用的PoW歷經10多年的風霜雪雨依然屹立不倒，因此起初不少共識機制都是在PoW的基礎上進行迭代來優化TPS，好比調整區塊大小，改變區塊結構，解耦區塊產生和交易打包過程等，然而這些調整在提升TPS的同時也帶來了一些新的問題，好比增長區塊大小雖然可使單個區塊存入更多的交易，但因爲區塊變大也會讓網絡傳輸延遲變高，從而增長分叉風險；再好比Bitcoin-NG能夠在PoW共識下達到很高的TPS，但也會形成個別節點權力過大的問題等。

基於此，PoS、Algorand等徹底違背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，並向用戶宣導「系統中最大既得利益者不會去傷害系統」的共識理念（相似於傳統企業中的股東機制），因爲這些機制多或少的犧牲了去中心化，因此用戶基本無須挖礦且沒有繁重的哈希計算過程，故系統能夠很是快速的使用戶參與其中併產生相比於PoW更大尺寸的區塊，所以其TPS表現天然遠高於PoW（有些公鏈項目自稱可達百萬、千萬級TPS）。

2、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 (Directed Acyclic Graph有向無環圖)將鏈式結構更換爲網式結構，取消了交易區塊的概念，更換爲將每筆交易都與其它多筆交易相連（後一筆交易驗證前一筆交易），各交易間相互驗證達成共識，從而實現靠交易量提高DAG總體驗證效率，最終達到提高TPS的目的。

DAG示意圖

不過，DAG的優缺點也都比較明顯，先說優勢，DAG的主要優勢有二，一是在有限帶寬的條件下，DAG能夠經過異步併發的方式記錄更多的數據，從而提高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後交易的確認時長不可控（依賴不斷產生的新確認交易者）致使的穩定性不足，二是安全性方面沒有經歷過相似比特幣經歷的大規模驗證。

3、採用跨鏈技術：跨鏈分爲多鏈和側鏈兩種方式，多鏈，顧名思義就是採用多個鏈並行的方式進行交易，相較於單鏈方式，多條鏈並行的TPS必定是大於單鏈方式的，但隨着交易量的增長，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，一個帳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高，因此，多鏈並行的實現中，計算TPS每每是簡單的累加。隨着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

側鏈技術也被稱爲「鏈下狀態通道（off-chain state channel）」，是在用戶間搭建臨時線下交易通道，全部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，間接提高區塊鏈系統的可擴展性。好比有兩個商戶一天內屢次互相交易，可是當一天結束時，卻發現雙方你來我往了1000屢次交易，但來往金額卻恰好相抵歸零，這正是側鏈技術最適合運用的場景。其表明項目閃電網絡（Lightning Network）和以太坊的雷電網絡（Raiden）。不過，須要強調的是，側鏈雖然幫助區塊鏈系統減小了壓力，但它的TPS數量其實不該該計入區塊鏈系統的TPS。

4、採用分片技術：分片技術，即將每一個交易塊分解後的各個分片發佈到區塊鏈網絡中，各分片爲並行狀態，這樣每一個節點沒必要下載所有交易數據，從而大大提升區塊鏈系統的處理速度。須要注意的是，分片技術與跨鏈技術最大的區別是，全部分片仍然基於同一條鏈，所以，在不一樣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爲準。將各分片瞬時TPS累加進行宣傳是常見作法，但缺少實際意義。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等其餘項目也一直在努力將分片技術集成到區塊鏈系統中。

能夠看到，提升TPS的技術路線各有利弊與挑戰，但願經過京東智聯雲-區塊鏈公鏈「三元悖論「專題系列的文章，你們能夠從「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可以更好的挑選一款合適的區塊鏈系統，去解決一些問題。

京東智聯雲區塊鏈數據服務【BDS】：京東智聯雲將區塊鏈的鏈式、非結構化數據經過技術手段進行結構化存儲，實時同步到高性能數據庫中，並據此推出了一款可視化的區塊鏈數據查詢服務（BDS），幫助用戶完成簡單的條件查詢和複雜的SQL原生查詢。

產品特色：

• 涵蓋了 BTC、ETH、EOS、LTC、XRP、BCH 等幾十個知名區塊鏈項目，自定義了涉及用戶、交易、區塊等 100+
  獨家數據指標，聯網便可查詢鏈上實時數據，即開即用，方便快捷。
• 支持標準SQL查詢語句，可輕鬆實現複雜的查詢邏輯；依託京東智聯雲的軟硬件及架構支持，同時具有查詢速度快、查詢效率高的特色。
• 支持圖形化、可視化界面，經過點擊和拖拽的交互方式進行數據查詢，可實時生成各種BI圖表，定製專屬與您的區塊鏈數據儀表盤。

產品示例：

點擊【閱讀】，便可獲取區塊鏈主流公鏈最新數據