區塊鏈公鏈“三元悖論”專題系列之可擴展性（Scalability）
京東智聯云云產品研發部潘熙之
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隨著比特幣的問世，區塊鏈技術在這10多年的時間裡被越來越多的人所認知，區塊鏈構築了數字經濟時代的價值網絡基礎。而區塊鏈公鏈背後的經濟模式、共識機制、密碼學等技術問題中，一直存在著一個有著持續熱度的“三元悖論”問題（也稱“不可能三角”問題），即在區塊鏈公鏈中，無法將“去中心化”(Decentralization)、“安全性”(Security)、以及“可擴展性”(Scalability)三種特性很好的兼備。
“安全性“是指為了獲取區塊鏈系統控制權所付出成本的高低，付出的成本越高，則安全性越高，這也是區塊鏈系統能夠使參與者形成”共識“的基礎。
事實上，在“三元悖論”中，三種特性都有各自獨立的技術發展路線，犧牲某一種特性，並不代表可以換取另外一種特性的提高，只是在現有技術條件下，一個區塊鏈系統想要將這三種特性最大化的融合，通常都會有所取捨；而且，如果拋開“三元”中的“去中心化”和“安全性”，那就根本談不上“區塊鏈“和”系統“，所以我們看到這些年來，各區塊鏈公鏈系統在試圖突破“三元悖論”問題時，最常優先考慮的，就是通過提高TPS，來優化系統的性能。圖片描述）
在講可擴展性之前，我們先來了解下可擴展性當中的核心指標“TPS“這個概念：
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TPS(Transaction Per Second)指的是系統平均每秒處理的交易數量，對一個區塊鏈公鏈系統來說，TPS是衡量系統性能的重要指標；TPS是計算出來的，即用一段時間的總的交易數除以這段時間的秒數，得到的是一個平均值，這個平均值並不代表系統每秒都會處理等量的交易，系統實際在每個時間段處理交易的數量是有高有低的，以比特幣為例，因為比特幣的兩個區塊間隔時間為10分鐘（600秒），如果在這段時間，打包塊裡面有2400筆交易，那比特幣的TPS就是2400/600 =4，是的，實際上比特幣的TPS確實只有4左右。
比特幣歷史交易數量圖（上圖來自京東智聯雲
作為對比，這裡給大家一些數據參考：Visa在1600TPS左右（峰值56000TPS），網聯雙11活動峰值在10萬TPS左右，目前主流的區塊鏈系統以太坊目前在20TPS左右，而中心化的區塊鏈系統XRP也只有1500TPS左右。
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理論上，當在帶寬無限大、數據傳輸延遲無限小、計算能力無限強的情況下，區塊鏈系統中數據達成共識的效率可以無限高，TPS也就可以無限高；但實際情況中，參與區塊鏈系統大部分用戶的帶寬、計算機處理能力都是非常有限的，所以對於區塊鏈公鏈系統設計者來說，在保證網絡的性能最優的同時，將用戶網絡能耗降至最低，成為了一項非常大的挑戰。
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近幾年來，各公鏈項目方都為了提升系統TPS而在技術上另闢蹊徑，行業內也不斷出現一些與之相關的專業術語，比如POW、POS、跨鏈、分片、DAG、異步共識組、零知識證明等。
NSDI上關於異步共識組的論文
一、改變共識機制：除了比特幣所使用的POW(Proof-of-Work工作量證明)共識機制外，業內比較流行的還有POS(Proof-of-Stake權益證明)、DPoS（Delegated Proof of Stake委託權益證明）、Algorand（POS升級版，純股權證明）、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,實用拜占庭容錯算法)等，如果算上各種“升級版“、”改良版“的話，市面上至少有上百種共識機制可尋，但這些共識機制的出現，大都是為了改善比特幣所使用的POW所導致的TPS不足，而在改良的過程中，各共識機制也都採取了各種各樣的權衡與妥協。
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側鏈技術也被稱為“鏈下狀態通道（off-chain state channel）”，是在用戶間搭建臨時線下交易通道，所有中間交易都發生在鏈下，主區塊鏈上僅驗證最終狀態，解決同一對用戶的頻繁交易給區塊鏈系統帶來的TPS壓力，間接提升區塊鏈系統的可擴展性。比如有兩個商戶一天內多次互相交易，但是當一天結束時，卻發現雙方你來我往了1000多次交易，但來往金額卻剛好相抵歸零，這正是側鏈技術最適合運用的場景。其代表項目比特幣的閃電網絡（Lightning Network）和以太坊的雷電網絡（Raiden）。不過，需要強調的是，側鏈雖然幫助區塊鏈系統減少了壓力，但它的TPS數量其實不應該計入區塊鏈系統的TPS。
