TPS:區塊鏈公鏈“三元悖論”專題系列之可擴展性（Scalability）_DAG

京東智聯云云產品研發部潘熙之

隨著比特幣的問世，區塊鏈技術在這10多年的時間里被越來越多的人所認知，區塊鏈構筑了數字經濟時代的價值網絡基礎。而區塊鏈公鏈背后的經濟模式、共識機制、密碼學等技術問題中，一直存在著一個有著持續熱度的“三元悖論”問題，即在區塊鏈公鏈中，無法將“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“是指任何人都可以作為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，這也是區塊鏈區別于傳統互聯網系統的核心特性。

“安全性“是指為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，這也是區塊鏈系統能夠使參與者形成”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，很大程度上取決于交易處理性能，即TPS，事實證明，可擴展性是當今區塊鏈系統無法適用于實際應用場景的最大障礙，造成此結果的主要原因是每筆交易都要在所有節點上達成一致，以及各節點參與區塊鏈系統所付出的成本。

區塊鏈基礎設施公司SenseiNode完成360萬美元種子輪融資:4月7日消息，拉丁美洲區塊鏈基礎設施公司SenseiNode宣布完成360萬美元種子輪融資。本輪融資由Borderless Capital領投，具體融資消息暫未公布。SenseiNode首席執行官Pablo Larguía表示，過去六個月SenseiNode對其服務進行了測試，并部署了50個節點和11個區塊鏈，包括以太坊、Algorand、Solana、Polkadot和Avalanche。(CoinDesk)[2022/4/7 14:10:10]

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，并不代表可以換取另外一種特性的提高，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，通常都會有所取舍；而且，如果拋開“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“，所以我們看到這些年來，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，就是通過提高TPS，來優化系統的性能。

鄂爾多斯首家區塊鏈人工智能項目正式啟動運營:11月2日，鄂爾多斯市首家區塊鏈人工智能項目正式啟動運營。市委常委、副市長劉曉峰出席啟動儀式并致辭。據了解，該項目位于鄂爾多斯國家高新技術產業開發區云計算產業園內，是由鄂爾多斯市賽諾伯特科技有限公司建設的鄂爾多斯巿云渲染及云計算云算力產業園一期項目，投資1億元，建筑面積1.9萬平方米，設計機柜4800個。（鄂爾多斯）[2020/11/3 11:31:52]

所以作為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，講講目前能夠帶來區塊鏈系統“可擴展性“提升的一些方法和技術路線；希望在閱讀這篇文章后，大家再看到類似“千萬TPS”之類的宣傳口號時，就會有更加深入的理解。

在講可擴展性之前，我們先來了解下可擴展性當中的核心指標“TPS“這個概念：

TPS(TransactionPerSecond)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說，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，得到的是一個平均值，這個平均值并不代表系統每秒都會處理等量的交易，系統實際在每個時間段處理交易的數量是有高有低的，以比特幣為例，因為比特幣的兩個區塊間隔時間為10分鐘，如果在這段時間，打包塊里面有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。

新加坡金融管理局牽頭的區塊鏈計劃“烏敏島項目”完成測試工作:新加坡金融管理局牽頭的區塊鏈計劃“烏敏島項目”（Project Ubin）完成最后階段的測試工作，測試顯示以區塊鏈（blockchain）為基礎的付款網絡具商業潛能。金管局和淡馬錫控股（Temasek Holdings）昨天發表聯合文告，宣布“烏敏島項目”已完成第五階段，即最后階段的測試工作。金管局和淡馬錫控股發布的報告，除了為這套以區塊鏈為基礎的多元貨幣付款原型網絡提供技術見解，也指出這套網絡成功在同個系統中使用不同貨幣付款，相較于傳統跨境付款管道，可讓交易程序變得更快速，收費也更低廉。與此同時，雙方發布一份報告，針對這套以區塊鏈為基礎的多元貨幣付款原型（prototype）網絡提供技術見解，并闡述這如何推動金融業和區塊鏈生態系統的發展。該網絡由金管局、淡馬錫以及摩根大通（J.P. Morgan）共同開發。（中國商務部）[2020/7/14]

比特幣歷史交易數量圖

作為對比，這里給大家一些數據參考：Visa在1600TPS左右，網聯雙11活動峰值在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。

金色相對論 | 康納爾大學在國際著名大學區塊鏈教學方面排第一:在今日的金色相對論中，針對“訪問美國康奈爾大學區塊鏈教學科研的感受”的問題，北京大學計算機系研究員、博士生導師，肖臻表示我上周剛剛訪問康奈爾大學回來，感覺那里區塊鏈的教學科研氛圍確實非常好。美國最大的虛擬貨幣交易所Coinbase對國際著名大學在區塊鏈教學方面做的一個排名。康納爾大學排第一，國內沒有一所大學上榜，說明差距還是存在的。當然，國內很多大學也都在積極開設區塊鏈方面的課程，我當年在康納爾大學的co-advisor，Robbert van Renesse就是區塊鏈技術的專家。接下來我們打算跟康納爾大學充分開展區塊鏈領域的教學科研合作，建立起創新創業的良好氛圍。[2019/9/12]

所以，在回歸到現實應用中時，區塊鏈公鏈系統的TPS是一個無法回避的問題。

理論上，當在帶寬無限大、數據傳輸延遲無限小、計算能力無限強的情況下，區塊鏈系統中數據達成共識的效率可以無限高，TPS也就可以無限高；但實際情況中，參與區塊鏈系統大部分用戶的帶寬、計算機處理能力都是非常有限的，所以對于區塊鏈公鏈系統設計者來說，在保證網絡的性能最優的同時，將用戶網絡能耗降至最低，成為了一項非常大的挑戰。

動態 | 南天信息更換控股股東 著力于推進區塊鏈等新興技術:據證券時報消息，南天信息發布公告稱，云南省工業投資控股集團有限責任公司將成為南天信息第一大股東。南天信息正著力于推進云計算、大數據、區塊鏈和生物識別等新興技術的生物識別領域、機器人領域項目中的實際應用。股權劃轉完成后，或將給南天信息在業務拓展方面帶來更好的促進作用。[2018/11/14]

近幾年來，各公鏈項目方都為了提升系統TPS而在技術上另辟蹊徑，行業內也不斷出現一些與之相關的專業術語，比如POW、POS、跨鏈、分片、DAG、異步共識組、零知識證明等。

NSDI上關于異步共識組的論文

而在這些技術中，目前提升區塊鏈公鏈系統可擴展性的主流方式大致為以下幾種：一是改變共識機制，二是更換DAG網絡，三是采用跨鏈技術，四是采用分片技術。

一、改變共識機制：除了比特幣所使用的POW(Proof-of-Work工作量證明)共識機制外，業內比較流行的還有POS(Proof-of-Stake權益證明)、DPoS、Algorand、PBFT(PracticalByzantineFaultTolerance,實用拜占庭容錯算法)等，如果算上各種“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，大都是為了改善比特幣所使用的POW所導致的TPS不足，而在改良的過程中，各共識機制也都采取了各種各樣的權衡與妥協。

由于比特幣所采用的POW歷經10多年的風霜雪雨依然屹立不倒，所以起初很多共識機制都是在POW的基礎上進行迭代來優化TPS，比如調整區塊大小，改變區塊結構，解耦區塊產生和交易打包過程等，然而這些調整在提高TPS的同時也帶來了一些新的問題，比如增加區塊大小雖然可以使單個區塊存入更多的交易，但由于區塊變大也會讓網絡傳輸延遲變高，從而增加分叉風險；再比如Bitcoin-NG可以在PoW共識下達到很高的TPS，但也會造成個別節點權力過大的問題等。

基于此，PoS、Algorand等完全違背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，并向用戶宣導“系統中最大既得利益者不會去傷害系統”的共識理念，由于這些機制多或少的犧牲了去中心化，所以用戶基本無須挖礦且沒有繁重的哈希計算過程，故系統可以非常快速的使用戶參與其中并產生相比于PoW更大尺寸的區塊，因此其TPS表現自然遠高于PoW。

二、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(DirectedAcyclicGraph有向無環圖)將鏈式結構更換為網式結構，取消了交易區塊的概念，更換為將每筆交易都與其它多筆交易相連，各交易間相互驗證達成共識，從而實現靠交易量提升DAG整體驗證效率，最終達到提升TPS的目的。

DAG示意圖

不過，DAG的優缺點也都比較明顯，先說優點，DAG的主要優點有二，一是在有限帶寬的條件下，DAG可以通過異步并發的方式記錄更多的數據，從而提升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后交易的確認時長不可控導致的穩定性不足，二是安全性方面沒有經歷過類似比特幣經歷的大規模驗證。

三、采用跨鏈技術，跨鏈分為多鏈和側鏈兩種方式，多鏈，顧名思義就是采用多個鏈并行的方式進行交易，相較于單鏈方式，多條鏈并行的TPS一定是大于單鏈方式的，但隨著交易量的增加，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，一個賬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升，所以，多鏈并行的實現中，計算TPS往往是簡單的累加。隨著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

側鏈技術也被稱為“鏈下狀態通道”，是在用戶間搭建臨時線下交易通道，所有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，間接提升區塊鏈系統的可擴展性。比如有兩個商戶一天內多次互相交易，但是當一天結束時，卻發現雙方你來我往了1000多次交易，但來往金額卻剛好相抵歸零，這正是側鏈技術最適合運用的場景。其代表項目比特幣的閃電網絡和以太坊的雷電網絡。不過，需要強調的是，側鏈雖然幫助區塊鏈系統減少了壓力，但它的TPS數量其實不應該計入區塊鏈系統的TPS。

四、采用分片技術，分片技術，即將每個交易塊分解后的各個分片發布到區塊鏈網絡中，各分片為并行狀態，這樣每個節點不必下載全部交易數據，從而大大提高區塊鏈系統的處理速度。需要注意的是，分片技術與跨鏈技術最大的區別是，所有分片仍然基于同一條鏈，因此，在不同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為準。將各分片瞬時TPS累加進行宣傳是常見做法，但缺乏實際意義。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等其他項目也一直在努力將分片技術集成到區塊鏈系統中。

可以看到，提高TPS的技術路線各有利弊與挑戰，希望通過京東智聯云-區塊鏈公鏈“三元悖論“專題系列的文章，大家可以從“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能夠更好的挑選一款合適的區塊鏈系統，去解決一些問題。

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