区块链扩容技术研究

2023-02-14李志平刘东坡张波郭健

华东科技 2023年1期

文/李志平，刘东坡，张波，郭健

如今，区块链以其特有的技术优势受到全世界的青睐与持续关注，但受商用壁垒的制约，其系统性能能否满足高频信息数据处理和交互的实际需求，还需要相关学术界及产业界对区块链扩容技术展开进一步研究。例如，研究人员可以提出多种技术改进方案，如链下扩容技术、链上扩容技术、第0 层3 类扩容技术等。基于此，本文通过比较分析现有几个常用的区块链扩容技术，提出有利于解决区块链扩容问题的办法。

经过长达10年的发展和实践，区块链所具备的在开放的互联网下增进信任等技术优势对当今社会的组织形式产生了深刻影响，特别是在数字化经济不断发展的当代，数据成为重要的生产要素之一，并对经济发展起着决定性作用。与此同时，区块链有着影响和改变生产关系的重要作用，它是构建数字经济的重要基础，未来发展空间十分广阔，因而也是未来我国重点发展的战略性尖端技术。[1]但在大范围推广应用过程中，特别是在高频信息数据交互领域，区块链技术还存在扩展性较差、系统性能不够完善等问题。由此可见，扩展区块链的性能、加大区块链扩容技术的研发力度、进一步提高区块链技术的应用效率，是确保区块链技术为人类社会提供更多、更优质服务的关键。

一、区块链技术发展瓶颈

（一）可扩展性不足

区块链技术可以在没有第三方信任机构的前提下，协助用户建立信任关系，且这种信任关系通常建立在用户对整体应用系统信任的基础上，而非建立在任何单一节点上，这一技术特征无疑会给组织之间的相互合作以及各领域之间的商业化模式带来巨大冲击。但截至目前，区块链技术在应用过程中仍然存在可扩展性不足的问题，严重制约着交易量等方面的进一步扩容。[2]

（二）区块链性能限制

区块链技术具备数据不可被随意篡改的特征，这是其营造可信任的网络环境的基础。与此同时，用户也能通过共识机制来延长区块链中数据一致性的实现时间，而这正是造成区块链技术陷入发展瓶颈的主要原因。[3]

分布与共识在学术界属于相对深奥的课题，当前，业界与学术界已经在该领域取得了一定的研究成果，例如拜占庭算法、算法等。这类研究的核心通常是“如何解决网络数据分布在状态变更过程中具有不被推翻、得到承认以及一致性”。其中，传统的分布式系统主要是依赖CAP理论运行的，即单个系统最多只能同时满足区分容错性、可用性以及数据的一致性中的任意两项。而区块链虽然具有分布系统的构架，也能满足安全性、非中心性以及扩展性能中的任意一个，但依旧无法同时满足上述三种性能。因此，现阶段区块链技术只能通过牺牲相应性能来确保交易的安全性与用户信任。

二、链下扩容技术

（一）状态通道

状态通道的运行流程是：锁定状态→开辟相应的通道→通道里的数据进行交互→通道关闭→更新后的状态提交→在链上进行清算等。在此期间，位于通道内的数据在进行交互和更新时无须形成区块链的共识，因此，状态通道具有提升区块链的运行效率与吞吐量的作用。[4]

吞吐量（TPS）实际上是指区块链中交易的数量，其表达公式如下：

式中，Δt 表示交易与区块确定时间；ΣTranscationsΔt表示在这一时间内确定交易的数量。

当前，状态通道主要涉及的是与业务有关的数据，其不仅可以有效避免数据发生泄露，提高系统安全性，同时还能实现随时控制通道开关以及状态更新等功能，因而特别适用于高频数据的交换。但是，状态通道的扩容需要交易各方同时在线，并且系统必须在第三方的监督下才能运行，因此就会出现为了维护通道内交易的安全而产生额外费用的情况，继而增加用户的经济成本。

（二）侧链

侧链协议最早应用于比特币交易，其主要作用是：确保比特币能够安全地在主链以及各区块链之间进行流通。随着侧链协议的普及，侧链也逐渐被推广应用到其他区块。理论上说，侧链属于独立的区块链，其利用主链的“双向锚定”特性来实现数据的交换。同时，侧链的实施以主链为基础支撑，但其又独立于主链。由于与主链相比，侧链缺少相应的生态系统，因此其很容易受到攻击，安全性与可行性存在风险。[5]

侧链建立流程主要如下：锁定主链资产→将其释放至侧链→对资产进行解锁→进行侧链交易→对侧链资产进行锁定→返回主链并解锁主链资产（见图1）。此外，根据侧链锁定资产和管理锁定的形式差异，当前该技术的应用主要有托管模式、支付验证模式以及驱动链模式这3 种。

三、链上扩容技术

（一）数据层扩容技术

（1）扩块技术。该技术的主要作用是扩大区块容量，进而提高数据块交易的打包量以及实际的系统吞吐量。例如，比特币现金交易的本质就是将原来1MB的区块扩容到8MB以及32MB。这种区块的扩容最为实用、直接、简单，但是区块不可无限扩容。这是因为区块每扩容一个阶层，对应的节点处理能力就需要同步提升，进而造成算力压力骤增，引发网络传输缓慢、延迟等问题。与此同时，交易变慢就意味着当前交易遭到网络攻击的风险加大，具体见公式（2）。

式中，TDelaytx表示交易延迟的时间；TBroadcastts表示共识节点传输时间；

TConsensus 表示共识消耗时间；TBroadcastblack表示交易确认时间。

（2）隔离见证技术。该技术主要是将原来在区块里存放的交易签名进行提取，并将其存放在外部，从而使交易的区块能够存储更多交易信息，达成扩容的目的。在通常情况下，数据块里存储着一定量的交易和签名信息，而空间占用比重最大的就是数字签名。考虑到数字签名只在验证时使用，所以将数字签名从区块中隔离出来，必然会节省出较大的区块空间，从而提高区块交易的数量。

（二）共识层扩容技术

该技术的主要原理是对共识机制进行修改，并通过Proof of Work（工作量证明，简称POW）共识机制来计算节点难度的哈希值。因此，为减少计算时间，共识机制提出了相应的权益证明、代理权证明、拜占庭容错算法（BFT）以及共识混合机制等理念和算法，从而在减少系统计算时间的同时，进一步提高共识系统的性能。但就现状来看，该技术尚未彻底解决区块链系统三元共识的算法悖论。因此，分布共识机制将成为未来区块链研究的重点。

四、区块链扩容技术的优化路径

（一）缩短区块间隔

当前，缩短区块间隔主要可通过以下两种方法来实现。第一种方法是基于单领袖机制进行的。该方法与POW较为相似，即通过Bitcoin-NG 扩展协议，在选举和处理事物共识的过程中，协助出块者快速打包区块，进而缩短出块间隔，提高交易数量，并最终达成扩容的目的。第二种是基于混合机制的方法，其具有最大限度地保留区块链中心化以及安全性的特点，能够促使区块链得到最佳共识。例如，该方法结合了本聪共识协议和传统分布协议，并借助BFT 共识算法的高吞吐能力与确认性改进POW 区块链的协议，从而达到扩容的目的。

（二）分片扩容

“分片”主要是指将全部的区块划分成并列的多个子集，同时各分片均由各分点组成。“分片”主要包含部分分片和全分片两种方案。其中，部分分片方案主要根据各个交易、服务的类型，将交易组成区块链形式，并在固定周期内对块进行检查，实现子块同步。由于Aspen（面向服务的分片方案）是通过Bitcoin-NG（一种缩放比特币的协议）实现的，因此，用户只能在POW上生成点块，也就是每一服务通道中出现的微块。此外，为了防止交易证明过于复杂，Aspen 不支持双向的转移，交易各方必须在特定渠道内消费。全分片方案则是结合网络分片与数据分片，建立节点一致性的运行机制，同时共享gossip 协议（又称Epidemic Protocol，即流行病协议），接收字符串并计算出排列；随后再根据字符串大小进行分片处理。另外，为了防止重构造成的消息延迟，该方案还会引导区块与BFT 达成共识。