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。
乌克兰数字转型部副部长：支持乌克兰的最好方式是在当地投资并雇用区块链开发人员:金色财经报道，乌克兰数字转型部副部长Alex Bornyakov在社交媒体上称，乌克兰是近30万名IT开发人员的家园。支持乌克兰的最好方式是在该国投资，与我们的人民一起工作，雇用我们的区块链开发人员，因为这可以远程完成。乌克兰人很有韧性，他们即使在战时也能坚持工作。[2022/7/31 2:48:34]
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。
广州知识产权交易中心：应用区块链技术搭建知识产权商城“知交汇”:为解决知识产权交易资源信息孤岛，建立交易机构互认互信机制，提高参与机构协同效率，降低交易运营成本，广州知识产权交易中心积极探索区块链技术与知识产权交易场景融合，联合广州科创空间信息科技有限公司应用区块链底层技术搭建知识产权交易商城“知交汇”。通过区块链技术实现联盟成员公证、知识产权评估、科技成果评价、技术经纪人的快速接入，实时提供垂直的协同服务，从而提高高校科研院所科技成果转化率，促进IP实现商业价值。（羊城派）[2020/6/23]
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。
声音 | 腾讯卢洋：在每个行业 区块链都可能存在可优化的空间:腾讯区块链业务负责人卢洋在接受采访时表示，区块链技术确实可以优化整个社会的资产配置和效率，未来在每个行业，区块链都可能存在可优化的空间。其实际的结合点需要从我们现在的系统出发，客观地分析自身综合条件，合理利用区块链的优势。每家企业和机构的能力不一样，最早期是简单的信息化到数字化，再慢慢拥有一个平台化的能力，结合云计算技术后实现非常大的融合，在此基础上可能还会产生新的生态化。比如腾讯推出的至信链，通过存证上链把它放到云上，信息公开透明，慢慢协助产业形成数字化到平台化、再到生态化的能力建设。（证券日报）[2019/12/5]
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。
声音 | 巴曙松：区块链等技术及其组合都可能带来支付行业、金融业乃至整个经济由点到面的突破性影响:金色财经报道，香港交易所集团首席中国经济学家、北大汇丰金融研究院执行院长巴曙松刊文《金融科技创新推动支付行业进入新阶段》，文章表示，除5G之外，区块链、人工智能、物联网、金融云、大数据等诸多新技术及其组合都可能带来支付行业、金融业乃至整个经济由点到面的突破性影响。WEF(世界经济论坛)预计到2025年，全球10%的GDP将存储在各类区块链系统中。[2019/11/28]
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。
蔡文胜：技术创新仍然是区块链新世界发展的最重要引擎:从2009年比特币主网上线至今，区块链新世界万链竞发，但仍然无法从根本性上解决可扩展性、互操作性等问题，区块链孤岛现象严重。蔡文胜表示，要依靠技术创新突破来实现区块链之间的互联互通，他本人将和元道先生在海外深度合作，积极参与并赋能和帮助由全球顶级技术高手联合推出代号“Pallet”项目，在互联网基础上探索“互链网”，推动新一代数字经济的全球协同创新和共赢发展。[2018/3/2]
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。
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。
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。
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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