区块链公链“三元悖论”专题系列之可扩展性（Scalability）

京东智联云云产品研发部潘熙之随着比特币的问世，区块链技术在这10多年的时间里被越来越多的人所认知，区块链构筑了数字经济时代的价值网络基础。而区块链公链背后的经济模式、共识机制、密码学等技术问题中，一直存在着一个有着持续热度的“三元悖论”问题，即在区块链公链中，无法将“去中心化”(Decentralization)、“安全性”(Security)、以及“可扩展性”(Scalability)三种特性很好的兼备。

“去中心化“是指任何人都可以作为节点参与区块链系统的生产和验证，节点数量越多，则去中心化程度越高，这也是区块链区别于传统互联网系统的核心特性。“安全性“是指为了获取区块链系统控制权所付出成本的高低，付出的成本越高，则安全性越高，这也是区块链系统能够使参与者形成”共识“的基础。“可扩展性“是指区块链系统处理交易信息的能力，很大程度上取决于交易处理性能，即TPS，事实证明，可扩展性是当今区块链系统无法适用于实际应用场景的最大障碍，造成此结果的主要原因是每笔交易都要在所有节点上达成一致，以及各节点参与区块链系统所付出的成本。事实上，在“三元悖论”中，三种特性都有各自独立的技术发展路线，牺牲某一种特性，并不代表可以换取另外一种特性的提高，只是在现有技术条件下，一个区块链系统想要将这三种特性最大化的融合，通常都会有所取舍；而且，如果抛开“三元”中的“去中心化”和“安全性”，那就根本谈不上“区块链“和”系统“，所以我们看到这些年来，各区块链公链系统在试图突破“三元悖论”问题时，最常优先考虑的，就是通过提高TPS，来优化系统的性能。所以作为这个专题系列的第一篇文章，我想首先从可扩展性方面出发，讲讲目前能够带来区块链系统“可扩展性“提升的一些方法和技术路线；希望在阅读这篇文章后，大家再看到类似“千万TPS”之类的宣传口号时，就会有更加深入的理解。在讲可扩展性之前，我们先来了解下可扩展性当中的核心指标“TPS“这个概念：TPS(TransactionPerSecond)指的是系统平均每秒处理的交易数量，对一个区块链公链系统来说，TPS是衡量系统性能的重要指标；TPS是计算出来的，即用一段时间的总的交易数除以这段时间的秒数，得到的是一个平均值，这个平均值并不代表系统每秒都会处理等量的交易，系统实际在每个时间段处理交易的数量是有高有低的，以比特币为例，因为比特币的两个区块间隔时间为10分钟，如果在这段时间，打包块里面有2400笔交易，那比特币的TPS就是2400/600=4，是的，实际上比特币的TPS确实只有4左右。

《区块链应用操作员国家职业技能标准》启动专家初审:《区块链应用操作员国家职业技能标准》专家初审会在北京召开，该标准拟根据职业活动内容，对从业者的知识和技能需求提出综合性要求，是教材出版、题库开发、职业教育培训、技能等级评价的基础依据，为区块链领域技能人才的职业发展建立上升通道。标准开发对提高区块链从业人员的素质，引导职业教育培训，促进就业和区块链人才队伍建设起到积极重要的作用。在本次初审会上，编写专家组代表卢毅从区块链应用操作员的职业定义与增设背景、标准编制工作进度、标准概况及职业功能和工作内容等四个方面对《区块链应用操作员国家职业技能标准》的编制情况进行详细汇报。经过严谨、细致、认真的评审，评审专家认为：《区块链应用操作员国家职业技能标准》的编制科学合理，有较强可操作性，技能等级的划分将引领区块链人才的职业成长，推动区块链专业人才能力的提升。[2020/12/7 14:27:49]

比特币历史交易数量图作为对比，这里给大家一些数据参考：Visa在1600TPS左右，网联双11活动峰值在10万TPS左右，目前主流的区块链系统以太坊目前在20TPS左右，而中心化的区块链系统XRP也只有1500TPS左右。所以，在回归到现实应用中时，区块链公链系统的TPS是一个无法回避的问题。理论上，当在带宽无限大、数据传输延迟无限小、计算能力无限强的情况下，区块链系统中数据达成共识的效率可以无限高，TPS也就可以无限高；但实际情况中，参与区块链系统大部分用户的带宽、计算机处理能力都是非常有限的，所以对于区块链公链系统设计者来说，在保证网络的性能最优的同时，将用户网络能耗降至最低，成为了一项非常大的挑战。近几年来，各公链项目方都为了提升系统TPS而在技术上另辟蹊径，行业内也不断出现一些与之相关的专业术语，比如POW、POS、跨链、分片、DAG、异步共识组、零知识证明等。

甘肃省首个区块链服务网络应用上线运行:近日，随着兰州新区水阜河生态综合治理工程设计施工总承包监理项目投标方在开标系统进行投标信息确认，并通过在BSN（区块链服务网络）上创建的公共资源交易存证鉴真链进行存证，标志着甘肃移动基于BSN的区块链首个应用落地，属全省首次。（甘肃经济日报）[2020/7/9]

NSDI上关于异步共识组的论文而在这些技术中，目前提升区块链公链系统可扩展性的主流方式大致为以下几种：一是改变共识机制，二是更换DAG网络，三是采用跨链技术，四是采用分片技术。一、改变共识机制：除了比特币所使用的POW(Proof-of-Work工作量证明)共识机制外，业内比较流行的还有POS(Proof-of-Stake权益证明)、DPoS、Algorand、PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance,实用拜占庭容错算法)等，如果算上各种“升级版“、”改良版“的话，市面上至少有上百种共识机制可寻，但这些共识机制的出现，大都是为了改善比特币所使用的POW所导致的TPS不足，而在改良的过程中，各共识机制也都采取了各种各样的权衡与妥协。由于比特币所采用的POW历经10多年的风霜雪雨依然屹立不倒，所以起初很多共识机制都是在POW的基础上进行迭代来优化TPS，比如调整区块大小，改变区块结构，解耦区块产生和交易打包过程等，然而这些调整在提高TPS的同时也带来了一些新的问题，比如增加区块大小虽然可以使单个区块存入更多的交易，但由于区块变大也会让网络传输延迟变高，从而增加分叉风险；再比如Bitcoin-NG可以在PoW共识下达到很高的TPS，但也会造成个别节点权力过大的问题等。基于此，PoS、Algorand等完全违背Pow初衷的共识机制随之出现，这些共识机制旨在颠覆PoW机制的“挖矿”概念，并向用户宣导“系统中最大既得利益者不会去伤害系统”的共识理念，由于这些机制多或少的牺牲了去中心化，所以用户基本无须挖矿且没有繁重的哈希计算过程，故系统可以非常快速的使用户参与其中并产生相比于PoW更大尺寸的区块，因此其TPS表现自然远高于PoW。二、更换DAG网络：区块链的基本结构，是以链的形式串连区块，然而，DAG(DirectedAcyclicGraph有向无环图)将链式结构更换为网式结构，取消了交易区块的概念，更换为将每笔交易都与其它多笔交易相连，各交易间相互验证达成共识，从而实现靠交易量提升DAG整体验证效率，最终达到提升TPS的目的。

动态 | 报告：区块链领域融资数量环比增长77.8%:据零壹财经报告显示，2019年4月，区块链领域一改近4个月以来的颓势，融资数量大幅增至32笔（环比增长77.8%），但笔均融资金额不足3000万元。[2019/5/5]

DAG示意图不过，DAG的优缺点也都比较明显，先说优点，DAG的主要优点有二，一是在有限带宽的条件下，DAG可以通过异步并发的方式记录更多的数据，从而提升TPS，二是DAG结构避免了传统链式结构在算力过大时的算力浪费，以及易分叉等问题；DAG的主要缺点也有二，一是最后交易的确认时长不可控导致的稳定性不足，二是安全性方面没有经历过类似比特币经历的大规模验证。三、采用跨链技术，跨链分为多链和侧链两种方式，多链，顾名思义就是采用多个链并行的方式进行交易，相较于单链方式，多条链并行的TPS一定是大于单链方式的，但随着交易量的增加，跨链数据的互通需求随时增多，一笔资金可能在多个链上进行流转，一个账户也会在多个链上产生交易，这些会带来管理难度的极大提升，所以，多链并行的实现中，计算TPS往往是简单的累加。随着预言机等跨链技术的成熟，多链势必会有较大的发展前景。

动态 | 发布首个智慧物流区块链平台:据中时电子报报道，资策会数位携手物流业者艾旺科技、昶捷物流、及洪福通运，正式发布第一个智慧物流区块链平台。资策会数位所长何文桢表示，随着现今物联网应用蓬勃发展的时代，区块链技术和AI人工智慧技术的应用与发展，已经成为全世界资讯科技与产业创新服务与发展的重要趋势。[2018/12/13]

跨链示意图侧链技术也被称为“链下状态通道”，是在用户间搭建临时线下交易通道，所有中间交易都发生在链下，主区块链上仅验证最终状态，解决同一对用户的频繁交易给区块链系统带来的TPS压力，间接提升区块链系统的可扩展性。比如有两个商户一天内多次互相交易，但是当一天结束时，却发现双方你来我往了1000多次交易，但来往金额却刚好相抵归零，这正是侧链技术最适合运用的场景。其代表项目比特币的闪电网络和以太坊的雷电网络。不过，需要强调的是，侧链虽然帮助区块链系统减少了压力，但它的TPS数量其实不应该计入区块链系统的TPS。四、采用分片技术，分片技术，即将每个交易块分解后的各个分片发布到区块链网络中，各分片为并行状态，这样每个节点不必下载全部交易数据，从而大大提高区块链系统的处理速度。需要注意的是，分片技术与跨链技术最大的区别是，所有分片仍然基于同一条链，因此，在不同的分片间高效协同以保持共识的有序性和正确性极具挑战。

声音 | 工商银行赵磊：区块链只能在某一环节去中心化:中国工商银行网络金融赵磊近日表示，区块链只是一种技术手段和方式，它不能够解决体制上的问题，区块链只能是在某一个环节去中心化，节省成本，增加信任，甚至实现智能合约的匹配。[2018/9/10]

区块链与数据库分片对比示意图分片条件下的TPS计算，应以交易的终局状态达成为准。将各分片瞬时TPS累加进行宣传是常见做法，但缺乏实际意义。分片是目前的热点方向，第一个使用分片技术的是Zilliqa，ETH2.0、Harmony等其他项目也一直在努力将分片技术集成到区块链系统中。可以看到，提高TPS的技术路线各有利弊与挑战，希望通过京东智联云-区块链公链“三元悖论“专题系列的文章，大家可以从“去中心化”(Decentralization)、“安全性”(Security)、“可扩展性”(Scalability)这三个方面去了解区块链公链系统的特性，以及在实际应用场景中能够更好的挑选一款合适的区块链系统，去解决一些问题。

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