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。
声音 | 青岛中程：重点在区块链溯源等领域进行布局:青岛中程（SZ300208）在互动平台表示，?根据国家战略性新兴产业布局和青岛市产业升级发展要求，依托青岛城投集团的资源优势，匹配青岛城投集团发展战略，在先进制造业和高新技术领域开展布局，重点围绕大数据应用、人工智能、区块链溯源等科技创新型产业的技术研发与市场化应用领域进行布局，与国内大型企业联合打造有色金属行业全产业链联动的产业发展基金，进一步探索产城融合的园区发展模式，实现国内外联动，不断提升社会影响力。[2019/12/23]
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。
声音 | 中国信通院孙克：区块链技术和融合大部分还处在不完善的阶段:据21世纪经济报道消息，关于区块链技术的风险，中国信通院政策与经济研究所数字经济部主任孙克认为，一是去中心化的分布式共享账本带来了治理主体分散的问题；二是自动执行的智能合约带来了其法律有效性的问题；三是区块链难以篡改的特性带来的数据隐私和内容治理问题；四是激励机制与数字资产带来的金融治理问题。此外，区块链还有其技术本身风险如中心悖论、密钥丢失风险等以及融合的风险如经济社会风险、金融融合的风险。现在的技术和融合大部分还处在不完善的阶段。对此，孙克提出建议：技术方面，要多方协同推进，加强关键技术研究，制定人才和标准；应用方面，以点带面探索，加速行业应用推进，引导好应用的真实落地；监管层面，近期远期结合，开展审慎包容监管，防范潜在风险。[2019/12/23]
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 | 诸暨法院立案庭庭长：区块链等技术助推司法效率提升社会法治水平提高:诸暨法院立案庭庭长寿文光接受采访时表示，“一系列科技手段正在有效助推司法效率的提升和社会法治水平的提高。”浙江省高院审管办数据显示，通过运用司法区块链、人工智能等技术，在线矛盾纠纷多元化解平台、“移动微法院”等平台推进诉源治理，从2019年5月开始，浙江各级法院收案量出现下降拐点，且降幅逐月扩大。（新华社）[2019/11/24]
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。
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。
动态 | 澳大利亚证券交易所将推出新的区块链系统:据彭博社消息，澳大利亚领先的证券交易所运营商计划在2021年推出应用区块链技术的新系统，用于定居点。虽然区块链将很快取代ASX有限公司老化的CHESS系统作为升级的一部分，副首席执行官Peter Hiom表示他并不认为新版本是一种截然不同的方法。他表示：“我们不会在这里进入第四个维度，这是一个数据库架构，可以让你比目前更高效地完成一系列事情。”[2018/10/25]
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。
扎克伯格：考虑使用区块链技术来防止Facebook变得过度中心化:扎克伯克在“个人年度挑战”中表示：2018年考虑用区块链技术防止Facebook变得过度中心化。扎克伯格曾在一篇长文中表示，他认识到互联网的问题在于它变得过于中心化、垄断化，由包括Facebook自己在内的几家大公司控制，这与人们认为“网络可依、分散权力”的印象相违背。区块链技术或许能有效解决这个问题。[2018/4/21]
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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