文/李志平，劉東坡，張波，郭健

如今，區(qū)塊鏈以其特有的技術(shù)優(yōu)勢受到全世界的青睞與持續(xù)關(guān)注，但受商用壁壘的制約，其系統(tǒng)性能能否滿足高頻信息數(shù)據(jù)處理和交互的實際需求，還需要相關(guān)學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界對區(qū)塊鏈擴容技術(shù)展開進一步研究。例如，研究人員可以提出多種技術(shù)改進方案，如鏈下擴容技術(shù)、鏈上擴容技術(shù)、第0 層3 類擴容技術(shù)等?；诖?，本文通過比較分析現(xiàn)有幾個常用的區(qū)塊鏈擴容技術(shù)，提出有利于解決區(qū)塊鏈擴容問題的辦法。

經(jīng)過長達10年的發(fā)展和實踐，區(qū)塊鏈所具備的在開放的互聯(lián)網(wǎng)下增進信任等技術(shù)優(yōu)勢對當今社會的組織形式產(chǎn)生了深刻影響，特別是在數(shù)字化經(jīng)濟不斷發(fā)展的當代，數(shù)據(jù)成為重要的生產(chǎn)要素之一，并對經(jīng)濟發(fā)展起著決定性作用。與此同時，區(qū)塊鏈有著影響和改變生產(chǎn)關(guān)系的重要作用，它是構(gòu)建數(shù)字經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，未來發(fā)展空間十分廣闊，因而也是未來我國重點發(fā)展的戰(zhàn)略性尖端技術(shù)。[1]但在大范圍推廣應(yīng)用過程中，特別是在高頻信息數(shù)據(jù)交互領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)還存在擴展性較差、系統(tǒng)性能不夠完善等問題。由此可見，擴展區(qū)塊鏈的性能、加大區(qū)塊鏈擴容技術(shù)的研發(fā)力度、進一步提高區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用效率，是確保區(qū)塊鏈技術(shù)為人類社會提供更多、更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的關(guān)鍵。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展瓶頸

（一）可擴展性不足

區(qū)塊鏈技術(shù)可以在沒有第三方信任機構(gòu)的前提下，協(xié)助用戶建立信任關(guān)系，且這種信任關(guān)系通常建立在用戶對整體應(yīng)用系統(tǒng)信任的基礎(chǔ)上，而非建立在任何單一節(jié)點上，這一技術(shù)特征無疑會給組織之間的相互合作以及各領(lǐng)域之間的商業(yè)化模式帶來巨大沖擊。但截至目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在應(yīng)用過程中仍然存在可擴展性不足的問題，嚴重制約著交易量等方面的進一步擴容。[2]

（二）區(qū)塊鏈性能限制

區(qū)塊鏈技術(shù)具備數(shù)據(jù)不可被隨意篡改的特征，這是其營造可信任的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)。與此同時，用戶也能通過共識機制來延長區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)一致性的實現(xiàn)時間，而這正是造成區(qū)塊鏈技術(shù)陷入發(fā)展瓶頸的主要原因。[3]

分布與共識在學(xué)術(shù)界屬于相對深奧的課題，當前，業(yè)界與學(xué)術(shù)界已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了一定的研究成果，例如拜占庭算法、算法等。這類研究的核心通常是“如何解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布在狀態(tài)變更過程中具有不被推翻、得到承認以及一致性”。其中，傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)主要是依賴CAP理論運行的，即單個系統(tǒng)最多只能同時滿足區(qū)分容錯性、可用性以及數(shù)據(jù)的一致性中的任意兩項。而區(qū)塊鏈雖然具有分布系統(tǒng)的構(gòu)架，也能滿足安全性、非中心性以及擴展性能中的任意一個，但依舊無法同時滿足上述三種性能。因此，現(xiàn)階段區(qū)塊鏈技術(shù)只能通過犧牲相應(yīng)性能來確保交易的安全性與用戶信任。

二、鏈下擴容技術(shù)

（一）狀態(tài)通道

狀態(tài)通道的運行流程是：鎖定狀態(tài)→開辟相應(yīng)的通道→通道里的數(shù)據(jù)進行交互→通道關(guān)閉→更新后的狀態(tài)提交→在鏈上進行清算等。在此期間，位于通道內(nèi)的數(shù)據(jù)在進行交互和更新時無須形成區(qū)塊鏈的共識，因此，狀態(tài)通道具有提升區(qū)塊鏈的運行效率與吞吐量的作用。[4]

吞吐量（TPS）實際上是指區(qū)塊鏈中交易的數(shù)量，其表達公式如下：

式中，Δt 表示交易與區(qū)塊確定時間；ΣTranscationsΔt表示在這一時間內(nèi)確定交易的數(shù)量。

當前，狀態(tài)通道主要涉及的是與業(yè)務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)，其不僅可以有效避免數(shù)據(jù)發(fā)生泄露，提高系統(tǒng)安全性，同時還能實現(xiàn)隨時控制通道開關(guān)以及狀態(tài)更新等功能，因而特別適用于高頻數(shù)據(jù)的交換。但是，狀態(tài)通道的擴容需要交易各方同時在線，并且系統(tǒng)必須在第三方的監(jiān)督下才能運行，因此就會出現(xiàn)為了維護通道內(nèi)交易的安全而產(chǎn)生額外費用的情況，繼而增加用戶的經(jīng)濟成本。

（二）側(cè)鏈

側(cè)鏈協(xié)議最早應(yīng)用于比特幣交易，其主要作用是：確保比特幣能夠安全地在主鏈以及各區(qū)塊鏈之間進行流通。隨著側(cè)鏈協(xié)議的普及，側(cè)鏈也逐漸被推廣應(yīng)用到其他區(qū)塊。理論上說，側(cè)鏈屬于獨立的區(qū)塊鏈，其利用主鏈的“雙向錨定”特性來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。同時，側(cè)鏈的實施以主鏈為基礎(chǔ)支撐，但其又獨立于主鏈。由于與主鏈相比，側(cè)鏈缺少相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)，因此其很容易受到攻擊，安全性與可行性存在風險。[5]

側(cè)鏈建立流程主要如下：鎖定主鏈資產(chǎn)→將其釋放至側(cè)鏈→對資產(chǎn)進行解鎖→進行側(cè)鏈交易→對側(cè)鏈資產(chǎn)進行鎖定→返回主鏈并解鎖主鏈資產(chǎn)（見圖1）。此外，根據(jù)側(cè)鏈鎖定資產(chǎn)和管理鎖定的形式差異，當前該技術(shù)的應(yīng)用主要有托管模式、支付驗證模式以及驅(qū)動鏈模式這3 種。

三、鏈上擴容技術(shù)

（一）數(shù)據(jù)層擴容技術(shù)

（1）擴塊技術(shù)。該技術(shù)的主要作用是擴大區(qū)塊容量，進而提高數(shù)據(jù)塊交易的打包量以及實際的系統(tǒng)吞吐量。例如，比特幣現(xiàn)金交易的本質(zhì)就是將原來1MB的區(qū)塊擴容到8MB以及32MB。這種區(qū)塊的擴容最為實用、直接、簡單，但是區(qū)塊不可無限擴容。這是因為區(qū)塊每擴容一個階層，對應(yīng)的節(jié)點處理能力就需要同步提升，進而造成算力壓力驟增，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳輸緩慢、延遲等問題。與此同時，交易變慢就意味著當前交易遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊的風險加大，具體見公式（2）。

式中，TDelaytx表示交易延遲的時間；TBroadcastts表示共識節(jié)點傳輸時間；

TConsensus 表示共識消耗時間；TBroadcastblack表示交易確認時間。

（2）隔離見證技術(shù)。該技術(shù)主要是將原來在區(qū)塊里存放的交易簽名進行提取，并將其存放在外部，從而使交易的區(qū)塊能夠存儲更多交易信息，達成擴容的目的。在通常情況下，數(shù)據(jù)塊里存儲著一定量的交易和簽名信息，而空間占用比重最大的就是數(shù)字簽名。考慮到數(shù)字簽名只在驗證時使用，所以將數(shù)字簽名從區(qū)塊中隔離出來，必然會節(jié)省出較大的區(qū)塊空間，從而提高區(qū)塊交易的數(shù)量。

（二）共識層擴容技術(shù)

該技術(shù)的主要原理是對共識機制進行修改，并通過Proof of Work（工作量證明，簡稱POW）共識機制來計算節(jié)點難度的哈希值。因此，為減少計算時間，共識機制提出了相應(yīng)的權(quán)益證明、代理權(quán)證明、拜占庭容錯算法（BFT）以及共識混合機制等理念和算法，從而在減少系統(tǒng)計算時間的同時，進一步提高共識系統(tǒng)的性能。但就現(xiàn)狀來看，該技術(shù)尚未徹底解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)三元共識的算法悖論。因此，分布共識機制將成為未來區(qū)塊鏈研究的重點。

四、區(qū)塊鏈擴容技術(shù)的優(yōu)化路徑

（一）縮短區(qū)塊間隔

當前，縮短區(qū)塊間隔主要可通過以下兩種方法來實現(xiàn)。第一種方法是基于單領(lǐng)袖機制進行的。該方法與POW較為相似，即通過Bitcoin-NG 擴展協(xié)議，在選舉和處理事物共識的過程中，協(xié)助出塊者快速打包區(qū)塊，進而縮短出塊間隔，提高交易數(shù)量，并最終達成擴容的目的。第二種是基于混合機制的方法，其具有最大限度地保留區(qū)塊鏈中心化以及安全性的特點，能夠促使區(qū)塊鏈得到最佳共識。例如，該方法結(jié)合了本聰共識協(xié)議和傳統(tǒng)分布協(xié)議，并借助BFT 共識算法的高吞吐能力與確認性改進POW 區(qū)塊鏈的協(xié)議，從而達到擴容的目的。

（二）分片擴容

“分片”主要是指將全部的區(qū)塊劃分成并列的多個子集，同時各分片均由各分點組成?！胺制敝饕糠址制腿制瑑煞N方案。其中，部分分片方案主要根據(jù)各個交易、服務(wù)的類型，將交易組成區(qū)塊鏈形式，并在固定周期內(nèi)對塊進行檢查，實現(xiàn)子塊同步。由于Aspen（面向服務(wù)的分片方案）是通過Bitcoin-NG（一種縮放比特幣的協(xié)議）實現(xiàn)的，因此，用戶只能在POW上生成點塊，也就是每一服務(wù)通道中出現(xiàn)的微塊。此外，為了防止交易證明過于復(fù)雜，Aspen 不支持雙向的轉(zhuǎn)移，交易各方必須在特定渠道內(nèi)消費。全分片方案則是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分片與數(shù)據(jù)分片，建立節(jié)點一致性的運行機制，同時共享gossip 協(xié)議（又稱Epidemic Protocol，即流行病協(xié)議），接收字符串并計算出排列；隨后再根據(jù)字符串大小進行分片處理。另外，為了防止重構(gòu)造成的消息延遲，該方案還會引導(dǎo)區(qū)塊與BFT 達成共識。

五、結(jié)語

綜上所述，實體產(chǎn)業(yè)和區(qū)塊鏈技術(shù)的有效融合使得數(shù)字化時代下社會經(jīng)濟得以快速發(fā)展。而與之伴隨的是區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸陷入發(fā)展瓶頸，其面臨著擴容等難題。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展瓶頸分析，研究制訂出鏈上、鏈下兩重擴容方案，有效解決了區(qū)塊擴展性、安全性、隱私性以及算力處理等方面的問題。