区块链的可扩展性问题及解决方案对比

区块链的性能问题

VISA是目前世界上广泛使用的信用卡品牌，区块链要达到实用水平，性能上至少需要能跟VISA之类的支付系统作比较。根据VISA在2015年的记录，全年共产生92,064百万笔支付交易，平均2920tps，按平均每笔交易512字节左右计算，全年交易数据量约47TB。

而目前主流 区块链 性能情况是，比特币每秒只能进行大约7笔交易;以太坊每秒10-20笔。目前这些区块链的交易性能都无法与VISA相比。更严重的是，目前比特币和以太坊的矿机都需要存储全量数据，而单个机器的存储容量是有限的，若无法解决这个问题，即使交易性能提升了，若按每年新增数据量47 TB算，那么这些数据很快就会超过单机的容量，到时候整个区块链网络都无法继续运行。

那么，比特币和以太坊这种拥有海量节点的区块链系统，为什么性能却这么低呢?为什么区块链的可扩展性这么差呢?

原因分析

区块链是去中心化的账本技术，需要保证开放性、自治性、不可篡改等特性。去中心化是指使用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或管理机构，任意节点的权利和义务都是均等的，系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。也就是说，系统中任意节点都需要对交易数据进行全量计算和存储。因此，区块链是没有可扩展性的，即系统的总体性能受限于单个节点的性能上限，即使加入了大量节点，系统的总体性能也无法提升。

可扩展性是传统分布式系统的基本特性，但区块链由于去中心化的要求，可扩展性却难以满足。业界总结了一个三元悖论描述去中心化与可扩展性之间的矛盾，它尚未被严格证明，只能被称为猜想，但实际系统设计过程中却能感觉到时时受其挑战:

去中心化(Decentralization)，安全性(Security)和可扩展性(Scalability)这三个属性，区块链系统无法同时满足，最多只能三选其二。

 

上图演示了区块链如何在这三个因素之间作选择及对应的策略，例如若若要满足安全性与去中心化，则需要所有节点参与共识、计算、全量存储，但由此带来的问题是失去可扩展性，也就是系统的总体性能无法随着节点的增多而提升;若要满足可扩展性与安全性，则需要中心化管理，需要保证参与共识的节点是可信的;若要满足可扩展性与去中心化，则采用分散存储、计算的策略，不做全量共识，则攻击网络的难度降低，安全性难以保证。

提升区块链系统性能的方案

我们知道，影响区块链交易性能的主要因素包括共识机制、交易验证、广播通信、信息加解密等几个环节。从这些环节入手，我们可以得到一些提升性能的方法。

共识机制

从PoW到PoS再到DPoS和各种BFT类算法，共识机制不断创新，区块链平台性能也得到大幅提升。

交易验证

从交易验证机制角度出发，目前有几种优化处理方式:

1.闪电网络(Lightning Network)和状态通道(State Channels)，这两种策略是保持底层的区块链协议不变，将交易放到链下执行，通过改变协议用法的方式来解决扩展性问题。链下的部分可以用传统的中心化的分布式系统实现，性能具有可扩展性。在这种策略下，分布式账本上只是记录粗粒度的账本，而真正细粒度的双边或有限多边交易明细，则不作为交易记录在分布式账本上。缺点是存在中心化的系统。

2.分片处理(sharding)，以太坊项目正在研发中的分片(shard)方案的总体思路是每个节点只处理一部分交易，比如一部分账户发起的交易，从而减轻节点的计算和存储负担。

3.多链架构(Multi-chain)的思路则是将原本的一条链分成多条链，每条链都负责部分计算和存储业务，并且有可扩展性，即链的数量可以随着业务量和数据的增加而增加，系统的总体性能随着链的数量的增加而提升，系统的存储空间也能随着链的数量的增加而扩大。

广播通信

P2P网络是区块链的核心技术之一，因此P2P网络通信的效率对性能的影响非常重要。为了能改善广播通信性能，需要提高节点机器的物理配置，提供高速网络连接，并采用减少广播的共识算法，如DPoS等。

信息的加解密

信息的加解密是区块链的关键环节，主要是哈希函数和非对称加密两类算法。区块链系统中可以采用更高性能的加密算法以提升交易验证的性能。

方案对比

上述优化方法中，共识机制、广播通信、信息加解密是算法层面的优化，尽管这些方案也是重要的优化，但其没有解决根本性的问题，其性能提升仍然受限于单机性能，不是可扩展的，因此性能提升有限，本文不再详述;交易验证的几个优化方案则是可扩展的方案，其中闪电网络和状态通道是链下执行的方案，采用中心化的系统提升区块链性能，与区块链去中心化的理念相悖，而且使用复杂、用户体验差(例如闪电网络要求交易中的双方以及中间人都必须同时在线、线下系统开发复杂因为要寻找可用的支付通道、不适用于大额交易等)，无法得到广泛使用。因此EOS、以太坊、Cosmos及迅雷链等高性能区块链项目均采用分片或多链方案。

分片或多链方案的思路是一样的，都是让每个分片或分链进行部分交易数据的处理和存储，每个分片和分链可以并行处理不同的交易数据，这样分片或分链的数量越多，系统的总体性能就越高，这两者都是可扩展性很强的方案。

1.EOS的多链实现方案

EOS的技术白皮书中并没有描述多链的实现方案，只描述了支持跨链通信的IBC(Inter Blockchain Communication)协议，跨链交互通过简化生成消息存在的证明和消息序列的证明来实现。EOSIO声称主链可以支持3000以上的TPS，通过IBC可达到100万TPS。

EOS的多链架构其实是侧链方案。开发者可以单独部署一条EOS侧链(公链、私链都可以)，运行自己的Dapp，这些侧链有可以有自己的委员会，见证人以及计算资源，有自己的代币，这些代币有自己的增发方式，而且代币可以和EOS通过接口进行锚定去实现包括锁定在内的某种操作。侧链最大的特征双向锚定(two-way-peg)技术，它使得在侧链流通的Token价格总是与EOS价格保持一定比例或者直接采用EOS。

因此EOS的多链架构并不是对主链本身进行可扩展性改造，只是期望通过子链来分担主链的压力。

2.以太坊的分片技术(Sharding)

分片(Sharding)是以太坊正在开发中的技术，其大致设计思路是:将区块链网络中的每个区块变为一个子区块链，子区块链中可以容纳若干(目前为100个)打包了交易数据的Collation(大概可以称为“校验块”，为了在分片的情景中将其与区块的概念区分开)，这些Collation最终组成一个在主链上区块;因为这些Collation是整体作为区块存在的，所以其数据必定是全部由某个特定的矿工所打包生成，本质上和现有协议中的区块没有区别，所以不再需要增加额外的网络确认。这样，每个区块的交易容量就大概扩大了100倍;而且这种设计还有利于未来的继续扩展。

（编辑：西双版纳站长网）

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