閃電網(wǎng)絡(luò)能否提升區(qū)塊鏈的共識性能

隨著業(yè)務(wù)量的增加，比特幣等公有鏈網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁堵不堪，交易費節(jié)節(jié)攀升，對比傳統(tǒng)金融結(jié)算系統(tǒng)已經(jīng)沒有速度上的優(yōu)勢。對于去中心化的系統(tǒng)，由于社區(qū)成員基于自己的利益考慮，無法達成一致，也就難以采用更高效的共識算法或更先進的系統(tǒng)架構(gòu)。

因此，社區(qū)出現(xiàn)了閃電網(wǎng)絡(luò)、雷電網(wǎng)絡(luò)等鏈下或側(cè)鏈的方案，試圖解決交易性能低下的問題——這些技術(shù)并不提升區(qū)塊鏈本身的共識性能，而是將交易放到區(qū)塊鏈的外部進行。

閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）

閃電網(wǎng)絡(luò)（Lighting Network）指的是，A和B兩人可以把比特幣放到一個多重簽名錢包中鎖定（鏈下），然后進行交易簽名更改雙方各自能取回的比特幣數(shù)量。交易參與方可以隨時關(guān)閉交易通道，最后一筆經(jīng)過簽名且包含最新余額動態(tài)的交易最終將會被廣播并寫入比特幣區(qū)塊鏈（回歸鏈上）。這個交易過程也可以在更多人之間進行，整個過程實際上不需要在主鏈確認，因為都是幾方之間倒來倒去的”數(shù)字游戲“，因此交易速度會非常迅速。只有當關(guān)閉交易通道時，才會最終確定各自的余額并寫進主鏈區(qū)塊。

在閃電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)前，雖然比特幣社區(qū)也試圖通過區(qū)塊擴容、隔離見證等技術(shù)在一定程度上增加交易處理能力，但這些方式并不能導(dǎo)致交易處理能力出現(xiàn)數(shù)量級的改善。以比特幣區(qū)塊鏈為后盾，在鏈下實現(xiàn)真正的點對點微支付交易，區(qū)塊鏈處理能力的瓶頸被徹底打破，時延、最終性、容量甚至隱私問題也迎刃而解，這就是比特幣“閃電網(wǎng)絡(luò)”（Lightning Network）的思路。

閃電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有兩個：RSMC和HTLC。前者解決了鏈下交易的確認問題，后者解決了支付通道的問題。

閃電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是交易雙方之間的雙向微支付通道，RSMC（Recoverable Sequence Maturity Contract）定義了該雙向微支付通道的最基本工作方式。HTLC（Hashed Timelock Contract）進一步實現(xiàn)了有條件的資金支付，通道余額的分配方式也因此變得更為復(fù)雜。基于HTLC可以實現(xiàn)“閃電網(wǎng)絡(luò)”。

盡管閃電網(wǎng)絡(luò)本身可以基于任何合適的傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建（例如中心化的服務(wù)器和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫），閃電網(wǎng)絡(luò)的支付通道也可能逐漸向少數(shù)大型中介集中，變成若干大型中介彼此互聯(lián)、普通用戶直連大型中介的形式，但這種方案仍然具有傳統(tǒng)中心化方案不可比擬的優(yōu)勢，因為用戶現(xiàn)在并不需要信任中介，不需要在中介處存錢才能轉(zhuǎn)移支付，資金安全受到比特幣區(qū)塊鏈的充分保護。

閃電網(wǎng)絡(luò)存在的問題：

閃電網(wǎng)絡(luò)的支付通道會導(dǎo)致一定程度的中心化。如果閃電網(wǎng)絡(luò)存在，人們不會立即就信任它，短時間內(nèi)不會有錢包或支付供應(yīng)商支持它。

使用閃電網(wǎng)絡(luò)需要提前充值。閃電網(wǎng)絡(luò)的運行需要用戶和企業(yè)鎖定在交易期間他們所需數(shù)目的比特幣。對于小額交易不是問題，然而，如果按照閃電網(wǎng)絡(luò)所建議的‘合理使用案例’中每個人在每6個月中只開啟1個通道的話，這意味著該通道需要鎖定這個用戶在該時間段內(nèi)所持有的最大數(shù)目的價值額度，這需要對鏈下網(wǎng)絡(luò)的充分信任，還需要人們能預(yù)見將花費多少額度，以及何時花費。

無法進行離線支付，A和B交易，如果B掉線了，就無法簽名確認分配方案，交易失敗。

雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）

雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）是以太坊社區(qū)提出的自己的鏈下微支付通道解決方案，跟比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)的思路類似，但也有所發(fā)展，例如引入了較HTLC更為通用的“Smart Condition”等。

因為以太坊智能合約對報文格式?jīng)]有特別的字段限制，使得Raiden得以為通道余額快照引入一個單增序號，極為輕松自然地解決了舊版本快照的識別和作廢問題。

和閃電網(wǎng)絡(luò)一樣，雙方需要在以太坊區(qū)塊鏈上開設(shè)通道并各自鎖定以太。這步動作可通過向Raiden智能合約發(fā)送一條雙方簽名認可的報文來實現(xiàn)。報文中的關(guān)鍵信息包括：雙方公鑰、雙方鎖定資產(chǎn)數(shù)量、雙方簽名。

此后的任何支付動作都可以發(fā)生在以太坊區(qū)塊鏈外，參與雙方只需要私下傳遞一系列報文。

該如何提升性能？

以迅雷鏈為例，下面來解讀下如何提升性能。首先從架構(gòu)上優(yōu)化，提出同構(gòu)多鏈的框架。即系統(tǒng)由一條條相對獨立（獨立進行共識）的鏈組成，每條鏈有多個節(jié)點，每個節(jié)點被分配到其中一條鏈上，不同的賬戶數(shù)據(jù)被錨定在不同的同構(gòu)鏈上，然后接入層將交易路由到發(fā)送方所在的鏈上進行區(qū)塊打包與共識。系統(tǒng)中鏈的數(shù)量能夠按業(yè)務(wù)需求動態(tài)增加。因此同構(gòu)多鏈的架構(gòu)首先保證了系統(tǒng)的可擴展性。

除了架構(gòu)上優(yōu)化使得并發(fā)處理性能提升，還應(yīng)該保證分布式系統(tǒng)中的強一致性，并具備一定的容錯和防拜占庭節(jié)點作惡的能力，因此每條鏈內(nèi)的共識算法可以選擇類 BFT 算法。在每一條單獨的鏈上，使用實用拜占庭容錯算法（PBFT）保證強一致性，而且一方面通過容錯性，降低節(jié)點失效對整個分布式系統(tǒng)的影響，另一方面采用多次重試和更換失效節(jié)點機制，降低節(jié)點間長時間失效的概率，保證系統(tǒng)的可用性。為了解決PBFT算法網(wǎng)絡(luò)消耗高的問題，對算法作出了一些優(yōu)化，降低網(wǎng)絡(luò)消耗，提高了算法的可用性。

與傳統(tǒng)的PBFT算法類似，對于每一輪共識操作，又包括三個階段：Propose，Prevote 和 Precommit。

當在某一輪達成共識（收到+2/3 的 Precommit 投票）后，就會進入對下一個高度的共識，從第 0 輪開始。下面簡單介紹下詳細的步驟：

首先介紹一個鎖定區(qū)塊的概念，表示在某個特定的高度和輪數(shù)，節(jié)點對某個塊收到超過節(jié)點總數(shù) 2/3 的 Prevote 投票集合后，則此節(jié)點對于此高度此輪的區(qū)塊進行鎖定。也就是說，節(jié)點以鎖定區(qū)塊來表示對某一個區(qū)塊的認可。

1）Propose 階段：系統(tǒng)中所有驗證人節(jié)點輪流作為提議者提出提議，而系統(tǒng)中非提議者的節(jié)點在收到提議后，就會進入 Prevote 階段。如果當前節(jié)點此前存在已鎖定區(qū)塊，則還需要收集所有針對已鎖定區(qū)塊的 Prevote 投票。

2）Prevote 階段：當節(jié)點進入到 Prevote 階段后，每個節(jié)點廣播自己的Prevote 投票。

具體的，如果當前區(qū)塊高度或投票輪數(shù)高于此前已鎖定的區(qū)塊高度或輪數(shù)，則將原鎖定的區(qū)塊進行解鎖。如果此時節(jié)點仍含有未解鎖的區(qū)塊，則對此鎖定的區(qū)塊投 Prevote 投票。或者如果節(jié)點收到合法的 Propose 區(qū)塊，則對此區(qū)塊投 Prevote 投票。

當階段超時或者接收到大于 2/3 的針對某個塊的投票后，則節(jié)點鎖定此區(qū)塊并進入。

3）Precommit 階段：當節(jié)點存在已鎖定區(qū)塊，則對此區(qū)塊投 Precommit 投票。當節(jié)點收到針對已鎖定區(qū)塊大于 2/3 的 Precommit 投票時，就可以將這個塊 commit，并且進入針對下一個高度塊的共識。

若 Precommit 階段定時器超時，則節(jié)點保存已鎖定區(qū)塊，然后重新返回到 Propose 階段。

各節(jié)點通過在以上階段上循環(huán)，對區(qū)塊進行一致性共識。與 PBFT 算法類似，迅雷鏈共識也經(jīng)過了三階段提交，但通過引入?yún)^(qū)塊鎖定操作，通過緩存待確認區(qū)塊，降低了未達成共識情況下重復(fù)通信區(qū)塊帶來的網(wǎng)絡(luò)壓力，從而提升了共識效率。

此外，還可以使用玩客云設(shè)備作為驗證人節(jié)點。由于玩客云節(jié)點數(shù)量非常龐大（已超過150萬個節(jié)點數(shù)），而且因為是用戶家庭的共享節(jié)點而存在一定不穩(wěn)定性，所以在PBFT的基礎(chǔ)上融合DPoS的思想，在每條鏈上周期性地（例如每隔5000個區(qū)塊）選舉出驗證人節(jié)點參與共識。

綜上所述，新型區(qū)塊鏈技術(shù)采用多鏈架構(gòu)實現(xiàn)了可擴展性 + 使用PBFT實現(xiàn)了強一致性 + 使用更公平的DPoS進一步提升了共識效率、也得到了更高的可用性。從去中心化（Decentralization），安全性（Security）和可擴展性（Scalability）三要素的角度看，由海量的廣泛分布的玩客云設(shè)備支撐了去中心化和安全性，采用多鏈架構(gòu)以實現(xiàn)可擴展性。

總結(jié)

共識機制目前已經(jīng)成為了區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。單一的共識算法均存在各種問題，例如PoW算法存在消耗大量計算資源及性能低下的問題；PoS或DPoS存在“富豪統(tǒng)治”問題。融合多種共識算法優(yōu)勢的想法正受到越來越廣泛的關(guān)注。此外，包括在少部分可信節(jié)點中選取主節(jié)點的共識算法、保證高概率正確性的的異步共識算法、基于特定安全性前提并減少網(wǎng)絡(luò)廣播的共識算法、基于可信硬件的共識算法等，也是未來區(qū)塊鏈共識算法的研究熱點。

隨著區(qū)塊鏈中賬本數(shù)據(jù)的增加和業(yè)務(wù)量的提升，可擴展性也是區(qū)塊鏈系統(tǒng)迫切需要解決的問題，同時對共識算法也提出了新的挑戰(zhàn)。以太坊項目正在研發(fā)中的分片（shard）方案也是實現(xiàn)可擴展性的另一種方案，受到廣泛關(guān)注。

本文以迅雷鏈為例的實踐，相信能給業(yè)界提供一個區(qū)塊鏈應(yīng)用落地的優(yōu)秀案例：在設(shè)計和實現(xiàn)同構(gòu)多鏈的架構(gòu)的同時，盡可能地保證系統(tǒng)的可擴展性；采用有完善理論證明的PBFT算法保證強一致性和共識性能，滿足了強一致性和高可擴展性的業(yè)務(wù)需求；在海量的玩客云節(jié)點上，改進了DPoS的公平性，進一步提升了共識效率和可用性。