开发者中心 > 专栏 > 内容详情
分享
  • 打开微信扫码分享

  • 点击前往QQ分享

  • 点击前往微博分享

  • 点击复制链接

区块链公链“三元悖论”专题系列之可扩展性(Scalability)

  • 京东云BDS团队
  • 2020-04-21
  • 1197浏览

随着BTC系统的问世,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。

图片 1.png

●  “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BTC系统),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安全性,那就根本谈不上区块链系统,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BTC系统为例,因为BTC系统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BTC系统的TPS就2400/600=4,是的,实际上BTC系统的TPS确实只有4左右。

图片 1.pngBTC系统历史交易数量图(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:Visa1600TPS左右(峰值56000TPS),网联双11活动峰值在10TPS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POWPOS、跨链、分片、DAG、异步共识组、零知识证明等。

image.png

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BTC系统所使用的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)DPoSDelegated Proof of Stake委托权益证明)、AlgorandPOS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BTC系统所使用的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BTC系统所采用的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,PoSAlgorand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。

图片 1.png

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BTC系统经历的大规模验证。


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。


图片 1.png

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BTC系统的闪电网络(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。

图片 1.png

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ZilliqaETH2.0Harmony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。



京东智联云区块链数据服务【BDS】

传送门


京东智联云将区块链的链式、非结构化数据通过技术手段进行结构化存储,实时同步到高性能数据库中,并据此推出了一款可视化的区块链数据查询服务(BDS),帮助用户完成简单的条件查询和复杂的SQL原生查询。



产品特点


●      涵盖了 BTC、ETH、EOS、LTC、XRP、BCH 等几十个知名区块链项目,自定义了涉及用户、交易、区块等 100+ 独家数据指标,联网即可查询链上实时数据,即开即用,方便快捷。

●      支持标准SQL查询语句,可轻松实现复杂的查询逻辑;依托京东智联云的软硬件及架构支持,同时具备查询速度快、查询效率高的特点。

●      支持图形化、可视化界面,通过点击和拖拽的交互方式进行数据查询,可实时生成各类BI图表,定制专属与您的区块链数据仪表盘。



产品示例


图片 1.png

图片 1.png


访问京东智联云区块链数据服务【BDS】,注册京东智联云账号,即可获取区块链主流公链最新数据。


点击查看BDS用户手册


图片 1.png




共0条评论
文章数
3
阅读量
21915

相关产品