圍繞區(qū)塊鏈“不可能三角”的各種可能

焦臻楨

近年來(lái)唱衰區(qū)塊鏈（尤其是公鏈）的聲音中，提得最多的是它的交易處理效率太差、TPS（每秒交易次數(shù)）太低的問(wèn)題，比如：“比特幣每秒只能處理個(gè)位數(shù)的交易，以太坊也不過(guò)20多筆每秒，甚至不具備支持一個(gè)普通規(guī)模應(yīng)用的能力，還想C位出道成為下一代分布式社會(huì)的底層平臺(tái)？”這類問(wèn)題不僅區(qū)塊鏈唱衰者常掛嘴邊，也常常是國(guó)內(nèi)外區(qū)塊鏈團(tuán)隊(duì)在講述自己的工作的聚焦所在。然而，很多團(tuán)隊(duì)常在“研發(fā)”短短數(shù)月內(nèi)就號(hào)稱已經(jīng)研發(fā)出TPS高達(dá)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)的區(qū)塊鏈底層系統(tǒng)，噱頭十足，然而真真假假，頗難分辨。

為了更好理解這個(gè)有著持續(xù)熱度的問(wèn)題，今天我們從技術(shù)視角出發(fā)，講講目前能夠帶來(lái)TPS提升的“靠譜”方法和技術(shù)路線。希望在閱讀這篇文章后，大家再看到類似“百萬(wàn)TPS”之類宣傳時(shí)，就能夠理解他們到底在講什么：

首先，區(qū)塊鏈有一個(gè)著名的“三難問(wèn)題”，也常稱為“不可能三角”，即區(qū)塊鏈系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)在可擴(kuò)展性（Scalability，國(guó)內(nèi)也常譯為高效性）、安全性（Security）和去中心化程度（Decentralization）這三項(xiàng)指標(biāo)上做到最優(yōu)。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，那就是區(qū)塊鏈必須得在這三者之間做出一個(gè)優(yōu)化的權(quán)衡?！安豢赡苋恰睂?duì)區(qū)塊鏈的重要意義在于：完全拋開(kāi)“三角”中的其他兩者而孤立地去談其中一者，那就根本不是區(qū)塊鏈。例如，支付寶TPS很高，但它是中心化的，而非區(qū)塊鏈所面對(duì)的“多方參與、共同記賬”的開(kāi)放環(huán)境。再比如聯(lián)盟鏈（一種面向企業(yè)服務(wù)領(lǐng)域的區(qū)塊鏈方案），它就是一種TPS很高的區(qū)塊鏈，但它在安全和去中心化程度上都有一定的妥協(xié)，僅能用于成員已知且可信的環(huán)境，而非區(qū)塊鏈公鏈所面對(duì)的開(kāi)放成員（Open Membership）環(huán)境。因此，當(dāng)我們聽(tīng)到別人提起高TPS的時(shí)候，首先要想一想，這個(gè)高TPS背后隱藏了什么，它究竟是否真的具有價(jià)值。

近年來(lái)，很多研究工作都圍繞如何在“不可能三角”上取得一個(gè)優(yōu)美權(quán)衡而努力，而這些努力大致可分為三個(gè)大類：第一類是從共識(shí)機(jī)制出發(fā)，第二類是從區(qū)塊結(jié)構(gòu)出發(fā)，第三類是從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出發(fā)。

從共識(shí)機(jī)制出發(fā)是近年來(lái)最火熱的話題和路線

除了我們耳熟能詳?shù)墓ぷ髁孔C明（PoW）和權(quán)益證明（POS）之外，還出現(xiàn)了DPoS、Algorand、zk-SNARK、Stellar等，大概能列出數(shù)百種。雖然花樣繁多，但是我們可以把它們?cè)偌?xì)分為三個(gè)子類：

1. 中本聰原教旨主義者：這部分人以中本聰?shù)谋忍貛虐灼?shū)為圣經(jīng)，最多也就是圍繞BIP的工作方向?qū)σ訮oW為核心的中本聰共識(shí)進(jìn)行小修小補(bǔ)，在這一派中，嘗試提升TPS的舉措包括調(diào)整區(qū)塊大小（甚至這樣的行為都會(huì)引發(fā)巨大爭(zhēng)議）等。這條戰(zhàn)線上往往以傳統(tǒng)的比特幣礦機(jī)礦場(chǎng)為主，雖然增加區(qū)塊大小會(huì)在互聯(lián)網(wǎng)上造成更多的傳輸延遲繼而增加分叉風(fēng)險(xiǎn)，但由于礦場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的特殊性等原因，在實(shí)際中還是能夠獲得數(shù)倍的TPS提升（這一倍數(shù)與區(qū)塊增大倍數(shù)直接相關(guān)）。

2. 在中本聰共識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行較大創(chuàng)新的改良派：這部分人又可以分為兩類，一類堅(jiān)信“計(jì)算即正義”，認(rèn)為只有PoW中的計(jì)算才是數(shù)字世界的真諦;另一類則務(wù)實(shí)地認(rèn)為唯有PoW經(jīng)歷過(guò)多年的考驗(yàn)且?guī)缀鯖](méi)有出現(xiàn)過(guò)大的問(wèn)題，所以它仍然應(yīng)該是首選。不過(guò)在改良派中，普通認(rèn)為基于PoW的共識(shí)協(xié)議需要有大的創(chuàng)新才能與時(shí)俱進(jìn)。早期從網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)等角度對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行改良的學(xué)術(shù)派多在這個(gè)方向上有所建樹(shù)，代表性工作包括Bitcoin-NG、Byzcoin和Bicomp等。這些方法一般對(duì)傳統(tǒng)中本聰共識(shí)過(guò)程有較大的改變，包括改變PoW的作用、改變區(qū)塊結(jié)構(gòu)、解耦區(qū)塊產(chǎn)生和交易打包過(guò)程等。然而，它們往往也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，比如，Bitcoin-NG可以在PoW共識(shí)下達(dá)到很高的TPS，但卻會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)個(gè)別節(jié)點(diǎn)權(quán)力過(guò)大的問(wèn)題?；诖?，Bicomp提出一種雙層區(qū)塊結(jié)構(gòu)，讓不同節(jié)點(diǎn)打包不同功能的區(qū)塊，各司其職，不能越權(quán)，制約了網(wǎng)絡(luò)中霸權(quán)者的產(chǎn)生。除了以上代表性工作，在改良派中還有一部分工作顯得更為激進(jìn)，體現(xiàn)在對(duì)區(qū)塊鏈的“鏈”式結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了重構(gòu)，提出諸如有向無(wú)環(huán)圖（DAG）等結(jié)構(gòu)，代表工作有IOTA和Conflux等，詳細(xì)介紹參見(jiàn)本文的另一個(gè)大類“區(qū)塊結(jié)構(gòu)”中的內(nèi)容。該類型工作的TPS參差不齊、相差較大，從數(shù)百到數(shù)萬(wàn)都有，TPS越高者在PoW安全性和去中心化程度上犧牲越大，這就或多或少違背了選擇PoW的初衷。此外，該類方法總體還會(huì)受限于PoW的計(jì)算耗時(shí)、區(qū)塊銜接設(shè)計(jì)與傳播時(shí)間、交易傳播時(shí)間等。

3. 完全拋棄中本聰共識(shí)的顛覆派：主要代表為舊派網(wǎng)紅PoS、DPoS，或新貴如zk-SNARK、Algorand等。最著名、也是最飽受爭(zhēng)議的代表性人物之一可能是EOS的提出人BM。PoS等共識(shí)完全拋棄了傳統(tǒng)“挖礦”的概念，在PoS的支持者看來(lái)：“礦工聽(tīng)起來(lái)太土了，埋頭計(jì)算又辛苦又浪費(fèi)資源，都商業(yè)社會(huì)了，金錢才是最大的正義”。PoS的理論依據(jù)是“掌握了系統(tǒng)中最多錢的人不會(huì)去做傷害系統(tǒng)的事情”。妥妥的資本主義！PoS共識(shí)無(wú)須挖礦且沒(méi)有繁重的哈希計(jì)算過(guò)程，可以非常快速地產(chǎn)生區(qū)塊，因此其TPS方面的表現(xiàn)自然能夠高出PoW一大截。然而，實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，EOS等公鏈上線后曾爆出使用成本過(guò)高等問(wèn)題，各種非議也是接連不斷。PoS體系尚未經(jīng)受過(guò)長(zhǎng)時(shí)間且大范圍的考驗(yàn)，不像PoW一樣已經(jīng)扛過(guò)了大批黑客一輪又一輪的攻擊。因此，很難下斷言說(shuō)PoS是解決“不可能三角”的完美之道。而且，PoS的理論基礎(chǔ)必然會(huì)帶來(lái)資源分配的不均，并會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷放大，產(chǎn)生更大的不公，這恰恰是犧牲了去中心化的一個(gè)表現(xiàn)。一些新的工作采用隨機(jī)選擇出塊者或驗(yàn)證者的方式來(lái)代替“有錢說(shuō)了算”，例如Algorand，但Algorand飽受爭(zhēng)議之處又在于它放棄了經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，這又降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與的熱情度。干活了不給錢，那還繼續(xù)留下來(lái)干活的很可能就會(huì)有越來(lái)越多的不良動(dòng)機(jī)者。但不管怎樣，越來(lái)越多的新工作誕生在這一領(lǐng)域，連以太坊也在嚴(yán)肅思考向PoS遷移，并已基本確定了Casper協(xié)議。這一大類的方法往往計(jì)算耗時(shí)較少，且由于打包過(guò)程中沒(méi)有傳統(tǒng)中本聰共識(shí)的不確定性，區(qū)塊尺寸可以更大以容納更多交易。這個(gè)類型的工作以高TPS著稱，部分宣稱可達(dá)百萬(wàn)。但考慮到打包節(jié)點(diǎn)的處理能力、其周圍網(wǎng)絡(luò)潛在的擁塞和延遲、打包節(jié)點(diǎn)遴選耗時(shí)等，真實(shí)的TPS很難達(dá)到對(duì)外宣稱的量級(jí)。此外，該類工作所經(jīng)歷的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的考驗(yàn)仍不足以證明其安全性和可靠性，還需我們拭目以待。

從區(qū)塊結(jié)構(gòu)出發(fā)，也是當(dāng)前的研究和實(shí)踐的熱點(diǎn)

區(qū)塊鏈，顧名思義，以鏈的形式串連區(qū)塊，這就是區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)。然而，有些做法顛覆了這個(gè)結(jié)構(gòu)，就是我們上文提到的DAG。DAG不是鏈，更像一個(gè)網(wǎng)。最著名的DAG結(jié)構(gòu)如IOTA，甚至連區(qū)塊都沒(méi)有，直接把海量的交易通過(guò)單向引用連結(jié)成了一張網(wǎng)，如下圖所示。

DAG的出現(xiàn)來(lái)源于以下兩點(diǎn)思考：

一是在有限TPS的條件下，如何記錄盡可能多的數(shù)據(jù)？

二是如何解決傳統(tǒng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)下PoW共識(shí)易分叉所帶來(lái)的隱患？

分叉問(wèn)題是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)大時(shí)，不同節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)產(chǎn)生不同的區(qū)塊并在周圍延續(xù)、形成不同的分支鏈。當(dāng)不同分支鏈相遇時(shí)，就必須面臨僅可選擇其一的窘境，而另一條會(huì)被直接丟棄，上面所有的交易也隨之消失。PoW區(qū)塊鏈的易分叉問(wèn)題會(huì)帶來(lái)很多不良影響，包括潛在的自私挖礦攻擊、算力浪費(fèi)，以及眾所周知的51%攻擊等。由此可見(jiàn)，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存在一定頑疾，這也給了DAG一派立足的基礎(chǔ)。

采用DAG的方案在近段時(shí)間里大量涌現(xiàn)，并常以區(qū)塊鏈3.0自詡，儼然已穩(wěn)居區(qū)塊鏈新一代接班人地位。然而，DAG也有其頑疾。首先是交易確認(rèn)時(shí)間：DAG的非鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)犧牲了穩(wěn)定性和交易的固定時(shí)間序，交易或區(qū)塊的提交相對(duì)鏈?zhǔn)蕉愿鼮殡S意，因此更難被最終確認(rèn)，會(huì)帶來(lái)很大的不穩(wěn)定性，而不能被最終確認(rèn)的交易，也就談不上有什么高的TPS。為解決這個(gè)問(wèn)題，IOTA引入了協(xié)調(diào)器的角色，被協(xié)調(diào)器確認(rèn)的交易即是被確認(rèn)的交易。然而，協(xié)調(diào)器的出現(xiàn)背離了IOTA最初的理論基礎(chǔ)，這個(gè)類中心化形態(tài)的存在，也讓IOTA團(tuán)隊(duì)在解釋“是否去中心”這個(gè)問(wèn)題上動(dòng)更多腦筋自圓其說(shuō)了。與之相比，Conflux引入了一種類似于基準(zhǔn)鏈的設(shè)計(jì)來(lái)解決DAG的高動(dòng)態(tài)問(wèn)題，可以看成Conflux在鏈和DAG結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行了融合，用鏈結(jié)構(gòu)來(lái)錨定DAG的時(shí)序。

然而，DAG還存在另一個(gè)大的問(wèn)題：缺乏可行的激勵(lì)機(jī)制。雖然采用PoW，卻無(wú)法激勵(lì)礦工挖礦，甚至無(wú)法結(jié)算交易的手續(xù)費(fèi)，這還是因?yàn)镈AG結(jié)構(gòu)中寫(xiě)入?yún)^(qū)塊過(guò)于隨意而導(dǎo)致的。

需要說(shuō)明的是，正如我們上文提到的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)，DAG類型的工作應(yīng)該歸入我們上文提到的中本聰共識(shí)改良派中進(jìn)行介紹。然而，對(duì)區(qū)塊結(jié)構(gòu)變化的探討并不僅限于DAG，一些團(tuán)隊(duì)也開(kāi)始在這個(gè)方向上有了新的思考和嘗試。尤其是隨著區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景的繼續(xù)深入，在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)或DAG結(jié)構(gòu)之外，還會(huì)有新的高效結(jié)構(gòu)來(lái)滿足更多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。因此，我們將其作為一個(gè)獨(dú)立的大類，并會(huì)在后續(xù)進(jìn)行更多介紹。

從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工程角度提升區(qū)塊鏈TPS

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流派奉行“少談理論，多講算法，務(wù)求快速且實(shí)用”的理念。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)派可以在不改動(dòng)現(xiàn)有共識(shí)機(jī)制的基礎(chǔ)上提高TPS，其做法也可細(xì)分三個(gè)子類。

1. 多鏈并行

古語(yǔ)有云，“三個(gè)臭皮匠頂個(gè)諸葛亮”。多鏈并行的做法顯然受到了這一思想的影響。一條鏈TPS低，同時(shí)運(yùn)行多條鏈一起記賬總能提升TPS吧？然而，多鏈會(huì)帶來(lái)跨鏈的問(wèn)題，隨著交易量的增加，跨鏈數(shù)據(jù)的互通可能十分頻繁，資金可能在多個(gè)鏈上流轉(zhuǎn)，一個(gè)賬戶可能同時(shí)在多個(gè)鏈上產(chǎn)生交易，這些會(huì)帶來(lái)管理和效率的問(wèn)題。多鏈并行的實(shí)現(xiàn)中，計(jì)算TPS往往是簡(jiǎn)單累加，于是，商業(yè)宣傳想要多高的TPS，就并行多少條鏈。這樣做宣傳可行，實(shí)際實(shí)施和管理卻不現(xiàn)實(shí)。

2. 側(cè)鏈技術(shù)

側(cè)鏈技術(shù)是在用戶間臨時(shí)搭建交易鏈路，解決同一對(duì)用戶的多次頻繁交易給系統(tǒng)帶來(lái)的TPS壓力，其代表項(xiàng)目是閃電網(wǎng)絡(luò)。比如有兩個(gè)商戶一天內(nèi)多次互相交易，但是當(dāng)一天結(jié)束時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)雙方你來(lái)我往了2000多次交易，但來(lái)往金額卻剛好相抵歸零，正是側(cè)鏈技術(shù)最適合運(yùn)用的場(chǎng)景。側(cè)鏈讓雙方先在鏈下交易，一段時(shí)間后，將最終結(jié)算金額記錄在鏈上，減少直接作用在鏈上的交易數(shù)量。但是，側(cè)鏈的實(shí)現(xiàn)借助了中心化的方法，它的TPS數(shù)量不應(yīng)該計(jì)入?yún)^(qū)塊鏈的TPS。因此，側(cè)鏈技術(shù)也常被稱為鏈下擴(kuò)展。不過(guò)，很多項(xiàng)目在宣傳中故意無(wú)視這之間的差異，混淆大眾視聽(tīng)。側(cè)鏈技術(shù)除了無(wú)法提升區(qū)塊鏈本身的TPS之外，另一個(gè)大問(wèn)題是，中心化的管理方式不論安全還是效率都存在瓶頸。

3. 分片技術(shù)

分片技術(shù)是將數(shù)據(jù)處理分散在不同的系統(tǒng)分片內(nèi)，也是目前較為熱門(mén)的技術(shù)之一。分片技術(shù)源于分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，與多鏈技術(shù)類似，屬于并行化解決方案。它與多鏈技術(shù)最大的區(qū)別在于，所有分片仍然基于一條鏈，因此，在不同的分片間高效協(xié)同以保持共識(shí)的有序性和正確性極具挑戰(zhàn)。分片條件下的TPS計(jì)算，應(yīng)以交易的終局狀態(tài)達(dá)成為準(zhǔn)。將各分片瞬時(shí)TPS累加進(jìn)行宣傳是常見(jiàn)做法，但缺乏實(shí)際意義。分片是目前的熱點(diǎn)方向，在前述工作如Bicomp中也采用了分片的架構(gòu)。未來(lái)我們也會(huì)對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。

可以看到，提高TPS的技術(shù)路線各有利弊與挑戰(zhàn)。希望讀完本文后，當(dāng)我們?cè)俾?tīng)到諸如百萬(wàn)TPS的宣傳時(shí)，能夠理性判斷個(gè)中虛實(shí)。

我們身邊常充斥著虛假的技術(shù)進(jìn)步和宣傳，總以為技術(shù)已一日千里。但吹噓出來(lái)的泡沫，就像沙灘上蓋不起高樓，不可能在實(shí)踐中展現(xiàn)出真正的進(jìn)步。于是，每當(dāng)現(xiàn)實(shí)不能滿足期待，大眾的信心就被消磨，大眾也會(huì)迅速?gòu)钠诖D(zhuǎn)化為失望，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)橥倭R。

但技術(shù)的發(fā)展一定需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶接?，更需要長(zhǎng)時(shí)間、科學(xué)有序地實(shí)踐、演進(jìn)和完善。我們往往因?yàn)槿狈?duì)技術(shù)本身的理解和對(duì)技術(shù)發(fā)展規(guī)律的必要尊重，對(duì)包括區(qū)塊鏈在內(nèi)的技術(shù)操之過(guò)急，對(duì)現(xiàn)狀有過(guò)高期待，這樣的心態(tài)無(wú)益于新興技術(shù)的發(fā)展。而從業(yè)者則更應(yīng)該在這樣的環(huán)境壓力下苦練內(nèi)功，務(wù)實(shí)創(chuàng)新，用實(shí)際行動(dòng)為行業(yè)營(yíng)造良性的環(huán)境和發(fā)展動(dòng)能。