区块链可扩展性问题及解决方案比较

区块链的性能问题

VISA 是世界上广泛使用的信用卡品牌。要达到区块链的实用水平，至少性能需要与VISA等支付系统进行比较。根据VISA 2015年的记录，全年共产生支付交易920.64亿笔，平均2920tps。按平均每笔交易约 512 字节计算，年交易数据量约 47TB。

目前主流的区块链性能是比特币每秒只能做7笔左右的交易；以太坊每秒 10-20 笔交易。目前，这些区块链的交易性能无法与 VISA 相提并论。更严重的是，目前比特币和以太坊矿机都需要存储全量数据，单台机器的存储容量有限。如果这个问题不能解决，即使交易性能提高，如果年数据量增加47%。计算TB，那么这些数据很快就会超过单机容量，整个区块链网络将无法继续运行。

那么，为什么比特币和以太坊这种具有海量节点的区块链系统的性能如此之低？为什么区块链的可扩展性这么差？

原因分析

区块链是一种去中心化的账本技术，需要保证开放性、自治性和不变性。去中心化是指使用分布式记账和存储。没有集中的硬件或管理组织。任何节点的权利和义务都是平等的。系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点共同维护。 也就是说，系统中的任何一个节点都需要对交易数据进行完整的计算和存储。因此，区块链是不可扩展的，即系统的整体性能受限于单个节点的性能上限。即使添加大量节点，也无法提升系统的整体性能。

可扩展性是传统分布式系统的基本特征，但由于去中心化的要求，区块链的可扩展性难以满足。业界总结了一个三元悖论来描述去中心化和可扩展性之间的矛盾。没有经过严格证明，只能称为猜想，但在实际系统设计的过程中，时不时会感受到挑战：

区块链系统无法同时满足去中心化、安全性和可扩展性三个属性，最多只能选择三个中的两个。

上图展示了区块链如何在这三个因素之间进行选择以及相应的策略，例如满足安全性和去中心化的要求。导致的问题是可扩展性的损失，即系统的整体性能不能随着节点的增加而提高；满足可扩展性和安全性要求如果要满足可扩展性和去中心化，需要使用去中心化的存储和计算策略，不做完全共识，会降低攻击网络的难度，安全性难以保证。

提高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、信息加解密等环节。从这些链接开始，我们可以得到一些提高性能的方法。

共识机制

从PoW到PoS再到DPoS以及各种BFT算法，共识机制在不断创新，区块链平台的性能也有了很大的提升。

交易验证

从交易验证机制来看计算比特币的基础技术是，目前优化的处理方式有以下几种：

1.闪电网络和状态通道，这两个策略是保持底层区块链协议不变，在链下执行交易，通过改变协议使用来解决可扩展性问题。链下部分可以用传统的中心化分布式系统实现，性能可扩展。在这种策略下，分布式账本上只记录粗粒度账本，而真正的细粒度双边或有限多边交易细节不会作为交易记录在分布式账本上。缺点是有一个中心化的系统。

2.分片，以太坊项目正在开发的分片方案的总体思路是每个节点只处理一部分交易，比如一些账户发起的交易，从而减少计算量和存储量节点负担。

3.多链架构（Multi-chain）是将原链划分为多条链的思想，每条链负责部分计算和存储业务，并具有可扩展性，即, 链数可以随着业务量和数据的增加而增加，系统的整体性能随着链数的增加而提高，系统的存储空间也随着链数的增加而扩大链数。

广播交流

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有着非常重要的影响。为了提高广播通信性能，需要改进节点机器的物理配置，提供高速网络连接，采用DPoS等减少广播的共识算法。

信息加解密

信息加解密是​​区块链的关键环节，主要包括哈希函数和非对称加密。在区块链系统中可以使用更高性能的加密算法来提高交易验证的性能。

方案比较

在上述优化方法中，共识机制、广播通信、信息加解密都是算法层面的优化。虽然这些方案也是重要的优化，但它们并没有解决根本问题。性能提升仍然受限于单机性能，不具备可扩展性，因此性能提升有限，本文不再详述；交易验证的几种优化方案都是可扩展的方案，其中闪电网络和状态通道是链下执行的解决方案，使用中心化系统来提高区块链的性能，这与区块链去中心化的概念背道而驰，而且复杂使用且用户体验差（例如闪电网络要求交易双方和中间人同时在线。，线下系统开发复杂，因为需要寻找可用的支付渠道，而不是适用于大额交易等），不能广泛使用。因此，EOS、以太坊、Cosmos、Thunder Chain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，都是让每个分片或链处理和存储部分交易数据，每个分片和链可以并行处理不同的交易。交易数据，因此分片或链的数量越多，系统的整体性能就越高，这两者都是高度可扩展的解决方案。

1.EOS的多链实现方案

EOS的技术白皮书没有描述多链的实现方案，只描述了IBC（Inter Blockchain Communication）协议，通过简化消息存在证明和消息序列证明的生成来实现跨链交互。 EOSIO声称主链可以支持3000多TPS，通过IBC可以达到100万TPS。

EOS 的多链架构其实是侧链解决方案。开发人员可以部署 EOS 侧链（公共和私有）并运行自己的 Dapp。这些侧链可以拥有自己的委员会、见证人、计算资源和自己的代币。这些代币都有自己的增发方式，代币可以通过接口与EOS锚定，实现包括锁定在内的某些操作。侧链最大的特点是双向挂钩技术，使得侧链中流通的Token价格始终保持在EOS价格的一定比例或直接使用EOS。

因此，EOS的多链架构并不是主链本身的可扩展性改造，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）是以太坊正在开发的一项技术，其总体设计思路是：区块链网络中的每个区块都成为一个子区块链，子区块链可以容纳多个（目前为100个）排序规则（大概称为“检查块”）包含交易数据。在sharding的情况下，区别于block的概念），这些Collat​​ions最终在主链上形成一个block；因为这些Collat​​ion作为一个整体存在，它们的数据必须都是由特定的矿工生成的包组成的，与现有协议中的区块基本相同，因此不需要额外添加网络确认。这样每个区块的交易容量扩大了约100倍；而且这样的设计也有利于未来的持续扩张。

跨分片通信：使用 UTXO 模型，用户可以通过在主链上进行交易并创建收据（带有收据 ID），将以太币存入指定的分片。分片链上的用户可以在给定收据 ID 的情况下创建收据消费交易来消费收据。但是UTXO适合交易，不适合合约状态数据存储。

3.Cosmos 的多链技术

Cosmos 项目的目的是解决区块链的互操作性和可扩展性，其跨链通信协议可以实现区块链的互联互通，支持不同区块链之间的资产转移。

网络主要由 Cosmos Hub 和几个 Zone 两部分组成。

Cosmos 网络中的第一条链是 Hub，从名称和功能上可以理解为 Cosmos 的中心链或管理员链。其他区块链的交易将记录在 Hub 中，一个区块链上的代币可以通过 Hub 转移到另一个区块链。 Hub 是 Cosmos 网络的核心，不等于 Zone 的其余部分。严格来说，Cosmos 网络并不是真正的分布式系统。如果 Hub 出现单点故障（当然 Hub 本身是分布式的，出现问题的概率很小），Cosmos 网络的很多特性都将无法使用。对此，白皮书强调必须严格保护Hub。

每个Zone都可以看作是一个独立的区块链空间。每个 Zone 都会与 Hub 保持状态同步。 Hub 通过一组去中心化的验证器来保证安全性。 Zone1向Zone2发送跨链消息时，Zone1首先生成一个消息包并在Hub上发布其证明，然后Hub会在Hub上生成Zone1的跨链消息包存在的证明并发布在 2 区。接下来 Zone2 收到消息包，并颁发证书在 Hub 上发布。最后Hub给出Zone2的收货证明，并在Zone2上发布。完成整个跨链消息传递。

4.迅雷链同构多链架构

迅雷链是同构多链架构，即每条链结构相同，地位平等。即系统由相对独立（独立的共识）链组成，每条链有多个节点计算比特币的基础技术是，每个节点分配给其中一条链，不同的账户数据锚定在不同的同构链上。接入层然后将交易路由到发送者的链上进行区块打包和共识。系统中的链数可以根据业务需要动态增加。因此，同构多链架构首先保证了系统的可扩展性。

不同于EOS等需要昂贵的高性能服务器作为记账节点的区块链系统，迅雷链使用廉价省电的云客云设备作为记账节点，构建了自己的大型共享计算平台。目前，云端玩家数量已超过150万个节点。如此庞大的节点数量对区块链系统的可扩展性提出了严峻挑战。挑战主要来自两个方面：

1.播放器云设备便宜又省电，性能也低。这就要求共识算法必须使用环保、适应家庭用户网络环境的算法。针对这一挑战，迅雷链在改进的PBFT的基础上，还融入了DPoS的思想。在每条链上，会定期（例如每 5000 个区块）选举验证者节点参与共识。与传统DPoS不同的是，迅雷链不以矿工持有的代币数量或币龄作为选举标准的投票权重，而是以存储容量、网络稳定性、带宽、延迟等标准作为选举标准。衡量更好的公平性和网络效率。

2.Player Cloud节点众多，家庭网络环境复杂，需要将区块链系统设计成高度可扩展和自治的架构。得益于同构多链架构非常强大的扩展性，迅雷链可以充分利用海量玩家云节点，可以“无限”扩展链数，从而拥有百万级并发处理能力。

综上所述，迅雷链采用多链架构实现可扩展性+使用PBFT实现强一致性+使用更绿色、更公平的DPoS进一步提高共识效率，实现更高的可用性。从去中心化、安全性和可扩展性的角度来看，去中心化和安全性是由大量分布广泛的万科云设备支撑的。实现可扩展性。

总结

共识机制、广播通信、信息加解密等算法层面的优化无法解决大规模去中心化系统的扩展性问题；而闪电网络和状态通道是脱链执行的解决方案，与区块链去中心化理念相悖，使用复杂，用户体验差，无法广泛应用。因此，前沿的区块链项目采用高度可扩展的分片或多链解决方案。

其中，EOS目前为多线程架构，整体性能仍受限于单机性能，需要昂贵的服务器来运行区块链节点，扩展性不强；以太坊正在开发的分片技术要求主链负责验证子链的区块。由于主链性能瓶颈，子链数量有限（100条子链）； Cosmos也有同样的问题，Hub必须受到严格保护迅雷链采用的同构多链架构避免了上述缺点，适合大规模廉价节点的部署。