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区块链公链“三元悖论”专题系列之可扩展性(Scalability),印尼班达海地震

发布日期:2020-05-07 09:05:04

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简介:区块链公链“三元悖论”专题系列之可扩展性(Scalability),印尼班达海地震

  • 区块链公链“三元悖论”专题系列之可扩展性(Scalability),印尼班达海地震介绍正文

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(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(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(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。其代表项目比特币的闪电网络(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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