区块链公链“三元悖论”专题之可扩展性（Scalability）

随着BTC系统的问世，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（也称“不可能三角”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（每秒处理交易的笔数），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（比如比特币），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(Transaction Per Second)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（600秒），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。

比特币历史交易数量图（上图来自京东智联云BDS区块链数据服务）

作为对比，这里给大家一些数据参考：Visa在1600TPS左右（峰值56000TPS），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。

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（主要是提升TPS）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BTC系统所使用的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（Delegated Proof of Stake委托权益证明）、Algorand（POS升级版，纯股权证明）、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,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BTC系统所采用的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（类似于传统企业中的股东机制），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（有些公链项目自称可达百万、千万级TPS）。

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 (Directed Acyclic Graph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（后一笔交易验证前一笔交易），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。

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（依赖不断产生的新确认交易者）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。

跨链示意图

侧链技术也被称为“链下状态通道（off-chain state channel）”，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。其代表项目闪电网络（Lightning Network）和以太坊的雷电网络（Raiden）。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。

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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