區塊鏈擴容技術研究

文/李志平，劉東坡，張波，郭健

如今，區塊鏈以其特有的技術優勢受到全世界的青睞與持續關注，但受商用壁壘的制約，其系統性能能否滿足高頻信息數據處理和交互的實際需求，還需要相關學術界及產業界對區塊鏈擴容技術展開進一步研究。例如，研究人員可以提出多種技術改進方案，如鏈下擴容技術、鏈上擴容技術、第0 層3 類擴容技術等。基于此，本文通過比較分析現有幾個常用的區塊鏈擴容技術，提出有利于解決區塊鏈擴容問題的辦法。

經過長達10年的發展和實踐，區塊鏈所具備的在開放的互聯網下增進信任等技術優勢對當今社會的組織形式產生了深刻影響，特別是在數字化經濟不斷發展的當代，數據成為重要的生產要素之一，并對經濟發展起著決定性作用。與此同時，區塊鏈有著影響和改變生產關系的重要作用，它是構建數字經濟的重要基礎，未來發展空間十分廣闊，因而也是未來我國重點發展的戰略性尖端技術。[1]但在大范圍推廣應用過程中，特別是在高頻信息數據交互領域，區塊鏈技術還存在擴展性較差、系統性能不夠完善等問題。由此可見，擴展區塊鏈的性能、加大區塊鏈擴容技術的研發力度、進一步提高區塊鏈技術的應用效率，是確保區塊鏈技術為人類社會提供更多、更優質服務的關鍵。

一、區塊鏈技術發展瓶頸

（一）可擴展性不足

區塊鏈技術可以在沒有第三方信任機構的前提下，協助用戶建立信任關系，且這種信任關系通常建立在用戶對整體應用系統信任的基礎上，而非建立在任何單一節點上，這一技術特征無疑會給組織之間的相互合作以及各領域之間的商業化模式帶來巨大沖擊。但截至目前，區塊鏈技術在應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）區塊鏈性能限制

區塊鏈技術具備數據不可被隨意篡改的特征，這是其營造可信任的網絡環境的基礎。與此同時，用戶也能通過共識機制來延長區塊鏈中數據一致性的實現時間，而這正是造成區塊鏈技術陷入發展瓶頸的主要原因。[3]

分布與共識在學術界屬于相對深奧的課題，當前，業界與學術界已經在該領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“如何解決網絡數據分布在狀態變更過程中具有不被推翻、得到承認以及一致性”。其中，傳統的分布式系統主要是依賴CAP理論運行的，即單個系統最多只能同時滿足區分容錯性、可用性以及數據的一致性中的任意兩項。而區塊鏈雖然具有分布系統的構架，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，現階段區塊鏈技術只能通過犧牲相應性能來確保交易的安全性與用戶信任。

二、鏈下擴容技術

（一）狀態通道

狀態通道的運行流程是：鎖定狀態→開辟相應的通道→通道里的數據進行交互→通道關閉→更新后的狀態提交→在鏈上進行清算等。在此期間，位于通道內的數據在進行交互和更新時無須形成區塊鏈的共識，因此，狀態通道具有提升區塊鏈的運行效率與吞吐量的作用。[4]

吞吐量（TPS）實際上是指區塊鏈中交易的數量，其表達公式如下：

式中，Δt 表示交易與區塊確定時間；ΣTranscationsΔt表示在這一時間內確定交易的數量。

當前，狀態通道主要涉及的是與業務有關的數據，其不僅可以有效避免數據發生泄露，提高系統安全性，同時還能實現隨時控制通道開關以及狀態更新等功能，因而特別適用于高頻數據的交換。但是，狀態通道的擴容需要交易各方同時在線，并且系統必須在第三方的監督下才能運行，因此就會出現為了維護通道內交易的安全而產生額外費用的情況，繼而增加用戶的經濟成本。

（二）側鏈

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

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

三、鏈上擴容技術

（一）數據層擴容技術

（1）擴塊技術。該技術的主要作用是擴大區塊容量，進而提高數據塊交易的打包量以及實際的系統吞吐量。例如，比特幣現金交易的本質就是將原來1MB的區塊擴容到8MB以及32MB。這種區塊的擴容最為實用、直接、簡單，但是區塊不可無限擴容。這是因為區塊每擴容一個階層，對應的節點處理能力就需要同步提升，進而造成算力壓力驟增，引發網絡傳輸緩慢、延遲等問題。與此同時，交易變慢就意味著當前交易遭到網絡攻擊的風險加大，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。該技術主要是將原來在區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，數據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字簽名。考慮到數字簽名只在驗證時使用，所以將數字簽名從區塊中隔離出來，必然會節省出較大的區塊空間，從而提高區塊交易的數量。

（二）共識層擴容技術

該技術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的權益證明、代理權證明、拜占庭容錯算法（BFT）以及共識混合機制等理念和算法，從而在減少系統計算時間的同時，進一步提高共識系統的性能。但就現狀來看，該技術尚未徹底解決區塊鏈系統三元共識的算法悖論。因此，分布共識機制將成為未來區塊鏈研究的重點。

四、區塊鏈擴容技術的優化路徑

（一）縮短區塊間隔

當前，縮短區塊間隔主要可通過以下兩種方法來實現。第一種方法是基于單領袖機制進行的。該方法與POW較為相似，即通過Bitcoin-NG 擴展協議，在選舉和處理事物共識的過程中，協助出塊者快速打包區塊，進而縮短出塊間隔，提高交易數量，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塊鏈中心化以及安全性的特點，能夠促使區塊鏈得到最佳共識。例如，該方法結合了本聰共識協議和傳統分布協議，并借助BFT 共識算法的高吞吐能力與確認性改進POW 區塊鏈的協議，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塊劃分成并列的多個子集，同時各分片均由各分點組成。“分片”主要包含部分分片和全分片兩種方案。其中，部分分片方案主要根據各個交易、服務的類型，將交易組成區塊鏈形式，并在固定周期內對塊進行檢查，實現子塊同步。由于Aspen（面向服務的分片方案）是通過Bitcoin-NG（一種縮放比特幣的協議）實現的，因此，用戶只能在POW上生成點塊，也就是每一服務通道中出現的微塊。此外，為了防止交易證明過于復雜，Aspen 不支持雙向的轉移，交易各方必須在特定渠道內消費。全分片方案則是結合網絡分片與數據分片，建立節點一致性的運行機制，同時共享gossip 協議（又稱Epidemic Protocol，即流行病協議），接收字符串并計算出排列；隨后再根據字符串大小進行分片處理。另外，為了防止重構造成的消息延遲，該方案還會引導區塊與BFT 達成共識。

五、結語

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