区块链的可扩展性挑战与圣杯需求

比特币和以太坊分别是区块链1.0和2.0的典型代表，均在商业化道路上遭遇了滑铁卢，时至今日依然难以走向实用化，首当其冲的原因在于可扩展性不足，性能受限，无法满足项目设计之初的使用需求。

可扩展性是指一个网络、系统、软件或算法等在面对扩大的业务需求时，通过增加资源投入的方式（一般是增加硬件投入）能提升系统总吞吐量或处理能力的特性。可扩展性高，往往意味着产品能在多变的市场环境或者引入强劲竞争对手的条件下，具备更强的适应性和竞争力。而定位于“点对点支付系统”的比特币只有约7 TPS的交易处理能力，在区块固定的情况下几乎没有可扩展性（在支付系统领域，一般用TPS衡量系统性能，即每秒钟系统的交易处理数，Transactions per second）。即使BCH将区块大小由1 MB提升到8 MB，其TPS也仅提高到60TPS；而作为区块链2.0象征的以太坊，其TPS也仅达到15.6TPS。而根据目前最大的传统跨国支付公司VISA的官方披露，其支付交易处理能力日平均约2000 TPS，日高峰可达4000 TPS，甚至可以处理极限高达24000 TPS的业务需求。（图4-3-1）

图4-3-1　以太坊上的dApp数据

（数据来源：dAppradar.com）

VISA作为现有成熟支付系统中的翘楚，给出了真实商业应用场景中全球性支付所必须达到的性能门槛，相比较而言，现有的区块链公链不仅基本性能较差，其可扩展性也较弱，远远不能满足商业活动中持续增加的业务需求。（图4-3-2）因此，在兼顾去中心化程度和安全性的前提下，超越VISA的交易处理能力也被称为区块链的“圣杯”。为争夺这莫大的荣耀，也为了真正将区块链带入主流，众多能人异士各展所长，向着这个目标发起了一次又一次的冲锋。

图4-3-2　比特币与其他支付手段的性能对比

（数据来源：Scaling Bitcoin，OB1 company）

（一）第一次圣杯战争（2008—2018）

第一次圣杯战争的爆发源于比特币的扩容之争，也开启了区块链“链上扩展”之路的历史征程。早在2013年，比特币社区就曾提出对比特币进行区块扩容，但由于此时中本聪早已隐退，整个社区缺少意见领袖和灵魂人物。此后，随着矿池崛起，社区关于比特币的扩容方案问题始终争执不下，而后以Blockstream为核心的比特币core开发成员与矿池利益集团之间出现了难以调和的分歧，双方各不相让，都坚持在比特币网络部署自己的扩容方案，最终导致了比特币史上第一次硬分叉的发生，并诞生了比特币现金BCH这一新链。此后，比特币分叉事件不断上演，并蔓延至其他公链，直至2018年末BCH进一步社区分裂，爆发了第一次挟裹大量算力参战的算力战争，最后以BCH硬分叉为BCHABC和BCHSV两条新链收尾，至此，方暂时告一段落。

同样，号称“区块链2.0”的以太坊也在性能上遭遇了可扩展性不足的窘境，深为社区和用户诟病。2017年11月，定位于“下一代智能合约与去中心化应用平台”的以太坊网络迎来了一款真正意义上爆红的去中心化应用（dApp）——Crypto Kitties，然而因为大量游戏玩家涌入，该dApp参与养成和竞拍加密猫游戏，整个以太坊网络不堪重负，交易转账功能几近瘫痪。这次事件充分地暴露了以太坊TPS过低，可扩展性不足的性能短板，导致其根本无法承载成功的商业化产品（成功的商业化产品往往意味着需要足够的系统处理能力来持续应对用户需求）。

如果说比特币的扩容之争还是储君夺嫡的话，那么以太坊TPS过低，可扩展性不足所引发的事件就是一场“王侯将相，宁有种乎”的王朝颠覆大戏。

先有Steemit和Bitshares的灵魂人物BM另起炉灶，打造基于BFT+DPOS共识机制的EOS公链平台；后有基于VRF新型共识机制的Algorand和Dfinity异军突起；更有能人异士另辟蹊径，抛弃线性区块结构，借助DAG和DHT技术，打造了Byteball、IOTA、Fantom和Holochain等耀眼明星。整个2018年，以太坊王朝可谓边乱不断，烽烟四起，群雄无不虎视眈眈，意图逐鹿中原，凡发币者皆称公链，熙熙攘攘，言谈必提生态，众人皆可挖矿，史称“区块链公链元年”。

时至今日，区块链公链ETH、EOS和Tron三分天下，其中ETH公链社区根基稳固，虽链上分片之路尚远，但其开发升级有条不紊，稳中有进；EOS则以博彩dApp立足，但治理漏洞频出，黑客骚扰不断，商用之路遥不可及；而Tron公链则以财力取胜，金银足而牧江湖，能人异士纷至沓来，渐不复“空气”之名。

截至目前，主要的链上扩展解决方案如下所示：

（1）基于网络结构的链上水平扩展方案——分片技术

区块链技术基于P2P网络，即为了确保网络账本的可靠性和不可篡改，每个节点都保留了全网账本的一个副本，因此存在大量的过度冗余设计（如全网交易数据的广播和同步过程），极大地降低了交易处理效率。而分片技术则可以有效降低全网冗余度，提升交易处理能力。

分片技术源于数据库技术，通过将数据按照一定规则分散存储在不同服务器的方式，提高系统性能要求。区块链分片技术是指将整个节点网络按照一定规则拆分成更多小的网络分片，所有分片并行处理网络交易需求，从而提高全网交易处理能力的技术方案。因此，理论上，整个区块链网络的性能将随着分片网络个数线性增加，将足以应对任何级别的交易需求。目前以太坊已经将分片技术列为下一步的可扩展性升级计划中。

（2）数据结构改进方案(www.xing528.com)

由于主流区块链的数据结构主要采用链式结构，通过哈希指针将交易区块串联而成，因此可以通过增大交易区块容量，提高单个区块所能容纳的交易数来提高区块链性能（如比特币现金BCH将比特币区块容量从1M提高到8M），同理，也可以固定区块容量不变，但缩小每笔交易存储到区块中的信息体积，从而提高交易处理能力（如隔离见证方案即区块只存储移除脚本签名的交易信息）。

此外，链式数据结构并非必要，很多研究通过将线性的链式区块结构更改为网状结构的DAG（有向无环图）的方式来赋予公链“并行处理+异步验证”的特性，从而可以大幅提高公链性能，如Byteball，IOTA，Hash Graph和Fantom等。但这种解决方案的缺点也极为明显：其一，没有交易集中打包成区块的过程，而是每个用户提交的交易形成数据单元，数据单元再通过彼此引用验证的关系形成网路，从而会导致全网数据量呈指数级增加；其二，异步验证和并行处理交易的特性固然能大幅提高交易处理能力，但同时也使双化交易更难以及时察觉，引发网络安全问题，所以一般的解决方案是引入中心化的验证节点来最终确认交易，甚至区块结构本身都可以不必存在，例如，Holochain采用了一种名为分布式哈希表（DHT）的技术来实现分布式数据库，与之类似的是，著名的Facebook所发起的区块链项目Libra也采用了一种利用Merkle树形成的巨大树形数据库结构来。

（3）基于共识机制的改进方案

区块链由于全网节点数众多，全网数据同步过程一般是先达成共识，然后进行全网广播，直至达成全网交易账本更新同步，而共识过程往往决定了网络账本的有效性和最终一致性，因此能否在众多节点之间快速达成共识就成了提高区块链性能的关键。

以典型的实用拜占庭算法PBFT为例，其达成共识的过程至少包含了Pre-prepare、Prepare和Commit三个关键阶段，方能在全网达成有效的共识，其算法时间复杂度从拜占庭算法的指数级降低到了多项式级别，可见共识算法不同，会导致天差地别的时间复杂度差异。然而，即使是PBFT共识算法也根本无法在数万节点的网络中实用化，直到中本聪利用人性设计出了POW算法方才真正使得段时间内的大规模分布式共识成为现实。（图4-3-3）

图4-3-3　PBFT共识算法过程示意图

（数据来源：BlockVC研究及参考文献10）

在区块链领域，POW是最经典且久经考验的共识机制，然而也因为浪费能源且效率低下而为人非议。基于此，其他研究者提出了一系列的共识改进方案。其中，除了使共识过程更加绿色环保之外，大多数基于共识机制的改进方案都不得不在安全性、去中心化和可扩展性三种特性之间做出权衡和牺牲以获得最佳的综合性能。因此，要实现更好的可扩展性，同时又必须保证网络安全，则可以通过牺牲去中心化程度来实现目标，其中最典型的当属POS系列共识机制，POS共识机制远比POW机制更加绿色环保，但也更容易导致矿工之间贫富差距拉大，最终趋于权力集中，而以EOS为代表的DPOS共识机制更是为了获得高TPS，将出块节点限定在21个超级节点之间，严重损害了区块链的去中心化程度，其本质上已经与一个由21个分布在全球的分部组成的跨国公司无异。

总而言之，第一次争夺区块链圣杯的战争的核心思想是链上扩展，主要从区块链本身的共识机制、数据结构、网络传输等方面进行改良和创新，虽然最终胜负未分，但许多公链能否在保证一定去中心化程度的基础上确保网络性能和安全仍是未知数。此外，链上技术升级往往事关全网安全，又需要协调各方利益，使全网节点达成共识，否则极易因共识分歧和利益纷争导致社区分裂。前车之鉴，如BCH相关利益集团悍然发动了算力战争，终归反噬自身，导致社区共识破裂，将比特币现金带入深渊，公信尽失，所谓算力即权力，权力之剑横扫，见者胆寒，然，烈火烹油，鲜花着锦，能有几日风光？是非对错，世间自有公断。

（二）第二次圣杯战争（2019—？）

早在第一次圣杯战争期间，虽然公链之争纷争不断，但远见卓识之人早已预见到链上扩容的艰难和局限，将目光聚焦到“链下扩展”的思路上来。2016年初，一篇名为《The Bitcoin Lightning Network:Scalable Off-Chain Instant Payment》的白皮书正式提出了比特币的第二层扩容方案，标志着Layer 2技术路径的开端。一场以“链下扩展”为核心的技术革命悄然而来，时至今日，各比特币运营网络早已蓄势待发，随时准备摘取那区块链的荣耀圣杯。

虽然区块链“不可能三角”理论并非如分布式系统中CAP理论那样得到严谨的理论证明和工程验证，但区块链中的去中心化、可扩展性和安全性三种特性之间毫无疑问存在相互制衡的关系，因此妄图在区块链本身兼顾三大特性在技术架构设计和工程实现上均显得艰难异常。于是，技术开发者借鉴互联网发展历史上“分层结构”的思想，将区块链可扩展性技术路径分为链上扩展技术（Layer 1）和链下扩展技术（Layer 2，Off-chain）。Layer2技术又被称为链下技术。顾名思义，即类比于“分层结构”思想，将区块链公链中计算和执行依赖于共识协议层的技术称为Layer 1技术，而将建立在共识协议层保障安全的基础上，但计算和执行过程在链下的技术称之为Layer 2技术。Layer 2技术的关键特征在于：依托于安全的Layer 1，将大量耗费资源的工作放在链下进行处理（如计算或固定多方的高频转账等），即Layer 1保证去中心化和安全性，Layer 2保证区块链的可扩展性。

随着智能合约平台的发展和成熟，Layer 2技术能够基于智能合约打造更丰富的技术特性和发展空间，各式技术如雨后春笋般涌现出来。截至目前，主流的Layer 2技术主要分为：

（1）跨链技术。跨链技术又可以细分为三种机制：公证人机制、侧链/中继器机制和哈希锁定机制，典型项目有Polkadot和Cosmos等；

（2）状态通道技术（包含支付通道），如比特币闪电网络、Celer Network、Raiden Network、Liquidity Network等。