區(qū)塊鏈長期存在的一個重要問題是缺乏可伸縮性

從跨境金融交易到供應(yīng)鏈管理，區(qū)塊鏈在越來越多的試點項目中得到推廣，但一個長期存在的問題是： 缺乏可伸縮性。

隨著越來越多的計算機加入對等網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)的效率通常會下降。可伸縮性已經(jīng)被認(rèn)為是比特幣和以太幣等加密貨幣的一個重大問題。如果分布式分類賬技術(shù)要被金融技術(shù)公司采用，并以數(shù)百倍的速度與支付網(wǎng)絡(luò)競爭，那么它必須找到一種方法來提高可伸縮性和吞吐量，并解決延遲問題。

進(jìn)入“分片”。

分片是開發(fā)人員正在研究的幾種提高事務(wù)吞吐量的流行方法之一。簡單地說，分片是一種將計算和存儲工作負(fù)載分散到對等網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)方式，這樣每個節(jié)點就不必負(fù)責(zé)處理整個網(wǎng)絡(luò)的事務(wù)負(fù)載。相反，每個節(jié)點只維護(hù)與其分區(qū)或分片相關(guān)的信息。

分片中包含的信息仍然可以在其他節(jié)點之間共享，這使得分類帳分散和安全，因為每個人仍然可以看到所有分類帳條目;它們只是不處理和存儲所有的信息。

共識的難題

公共區(qū)塊鏈最持久的問題之一是圍繞著共識協(xié)議——如何從用戶那里獲得協(xié)議，以確定擬議的交易是否真實，是否應(yīng)該被添加到分布式分類賬中;共識協(xié)議中如最流行的工作量證明（PoW）機制，可以說是高度計算密集型的。

在基于POW的區(qū)塊鏈中，每個身份驗證計算機或節(jié)點都記錄鏈上的所有數(shù)據(jù)，這是協(xié)商共識過程的一部分。在比特幣等大型區(qū)塊鏈中，大多數(shù)參與交易的節(jié)點必須對新交易進(jìn)行身份驗證，并記錄這些信息，才能將其添加到分類賬中;這使得完成每個事務(wù)變得緩慢而艱巨。正因為如此，基于POW的比特幣每秒只能處理3.3到7筆交易，而一筆交易完成需要10分鐘。以太坊是另一種流行的區(qū)塊鏈分類賬和加密貨幣，每秒只能處理12到30筆交易。

而Visa的VisaNet平均每秒處理1700筆交易。

將每個節(jié)點記錄的新信息添加到區(qū)塊鏈的優(yōu)點是無可爭議的，不可更改的?；赑OW的區(qū)塊鏈?zhǔn)菍懸淮?，附加許多應(yīng)用;因此，它們是不可變的。

以太坊和Hyperledger是全球領(lǐng)先的區(qū)塊鏈平臺，也是無數(shù)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，從以太坊的以太幣等加密貨幣，到“智能”或自動執(zhí)行的在線合約。以太坊正在探索分片，而Hyperledger則沒有。

分片是一個起源于水平數(shù)據(jù)庫分區(qū)的概念，以太坊正在采用它。因此，不是每個節(jié)點都必須處理所有事務(wù)，從而提高了可伸縮性，”Gartner副總裁、著名分析師阿維娃·利坦（Avivah Litan）說。

去年，在區(qū)塊鏈分類賬和加密貨幣達(dá)到每天100多萬筆交易之后，以太坊開始探索提高性能的方法。

以太坊解決了兩個提議的解決方案。一種是“第二層”機制——在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中處理鏈外事務(wù)，只在分類賬上記錄永久性條目;另一個解決方案是分片，允許同時并行處理更多事務(wù)。

第二層協(xié)議將大多數(shù)事務(wù)發(fā)送到鏈外，僅與底層區(qū)塊鏈交互，以便進(jìn)入和退出第2層系統(tǒng)。第2層協(xié)議在LAN或相鄰WAN中的節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)，減輕了P2P區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

在分片被激活之后，區(qū)塊鏈的“狀態(tài)”被分割成分片或分區(qū)。Litan解釋說，每個獨特的用戶帳戶相當(dāng)于一個分片，帳戶只能與同一分片中的其他帳戶進(jìn)行交易。她說：“這使得許多并行事務(wù)可以同時發(fā)生。”“由以太坊選擇的單獨協(xié)議允許跨分片通信。”

分片安全嗎？

以太坊的創(chuàng)建者維塔利克·布特林（Vitalik Buterin）當(dāng)時在一篇博客文章中寫道，除了解決可伸縮性問題，一些人認(rèn)為分片還能維護(hù)區(qū)塊鏈的本機安全性，因為它保留了“區(qū)塊鏈所需的大部分分散式和安全特性”。

從理論上講，事務(wù)吞吐量的增加與分片的數(shù)量成線性關(guān)系。Linux基金會的Hyperledger區(qū)塊鏈項目的安全專家David Huseby說：

為了維護(hù)區(qū)塊鏈的安全性，必須防止分片收購。根據(jù)康奈爾大學(xué)（Cornell University）發(fā)表的一篇研究論文，破壞給定分片中的節(jié)點將導(dǎo)致相應(yīng)數(shù)據(jù)部分的永久丟失。

例如，在以太坊網(wǎng)絡(luò)模型中，節(jié)點必須隨機分配給一個分片，并在隨機時間里重新分配給另一個分片。

這個想法是為了讓攻擊者很難預(yù)測或強制他們的（惡意）節(jié)點被分配到哪個分片。這使得拜占庭式地接管任何一個分片都變得更加困難。

Huseby解釋說，用Hyperledger區(qū)塊鏈進(jìn)行分片并非如此簡單?！拔覀兊膮^(qū)塊鏈通常不像加密貨幣那樣處理‘地址’。

Hyperledger區(qū)塊鏈專注于維護(hù)一個全局狀態(tài)（想想數(shù)據(jù)庫），共識機制調(diào)節(jié)狀態(tài)的更新，而區(qū)塊鏈安全地存儲狀態(tài)更新，”Huseby說。

Hyperledger網(wǎng)絡(luò)可以像以太坊那樣垂直切分，但由于它不分割地址空間，因此可以嘗試不同的分片技術(shù)。

Huseby表示：“如果我必須對Hyperledger網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切分，我會首先利用交易驗證和區(qū)塊構(gòu)造之間的區(qū)別?！薄笆聞?wù)驗證比塊構(gòu)造要慢得多，所以我的第一個步驟是大幅增加事務(wù)驗證器節(jié)點的數(shù)量?！?/p>

第二個挑戰(zhàn)是處理“瘦”客戶端（也稱為SPV（簡化支付驗證）錢包），以確保這些節(jié)點在分片時擁有區(qū)塊鏈狀態(tài)的全貌。為了解決與分片相關(guān)的可見性問題，瘦客戶機通過單獨的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并為每個分片維護(hù)本地狀態(tài)副本。

最后，分片間通信提出了一個挑戰(zhàn)，因為每個分片都作為一個單獨的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)。

解決通信問題

本月早些時候，初創(chuàng)公司Devvio宣布，它已經(jīng)創(chuàng)建了一種基于分片、第2層協(xié)議和有效協(xié)商機制的高效分布式賬本協(xié)議，可以解決區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)面臨的所有主要問題。Devvio表示，它的協(xié)議每秒可執(zhí)行多達(dá)800萬筆交易，這將擴大全球金融業(yè)務(wù)的規(guī)模。

在Devvio的“Devv”協(xié)議中，每個分片代表一個單獨的區(qū)塊鏈分類賬;該公司聲稱，隨著時間的推移，可以將數(shù)千個分片添加到全球公共區(qū)塊鏈中，最終每秒處理數(shù)千萬次交易。例如，每個分片都是Devv分散式分類賬上的獨立區(qū)塊鏈節(jié)點，可以處理多達(dá)3000個事務(wù)。Devvio首席執(zhí)行官湯姆·安德森表示，添加另一個節(jié)點將使能夠處理的事務(wù)數(shù)量增加一倍。

每個分片（也是一個加密貨幣錢包）成為一個更大網(wǎng)絡(luò)上的輸入，Devvio將其稱為T1網(wǎng)絡(luò);單個分片可以通過稱為T2的獨立事務(wù)網(wǎng)絡(luò)與其他分片通信。

Forrester Research的首席分析師瑪莎?班尼特（Martha Bennett）指出，目前使用或計劃使用分片的區(qū)塊鏈框架，其功能幾乎都不一樣。

在安全性、存儲效率和計算效率方面實現(xiàn)最佳保證。關(guān)鍵的直覺是節(jié)點不應(yīng)該存儲復(fù)制的數(shù)據(jù);相反，它們應(yīng)該存儲編碼的數(shù)據(jù)線性組合。

例如，在瑞士非盈利組織分布式技術(shù)研究基金會（DTR）的支持下，7所大學(xué)剛剛宣布他們正在開發(fā)一個數(shù)字貨幣網(wǎng)絡(luò)，通過分片來解決區(qū)塊鏈的可伸縮性和性能問題。

DTR基金會理事會成員喬伊?克魯格（Joey Krug）表示：“缺乏可伸縮性阻礙了加密貨幣的采用，（我們的）開創(chuàng)性研究正在解決這個問題?！薄伴_發(fā)人員正在將這項研究轉(zhuǎn)化為真正的可伸縮性能，這將使大量分散的金融應(yīng)用程序受益?！?/p>

Unit-e正在使用“全新的分片方式”，稱為“PolyShard”，這是一種存儲和計算解決方案，在不犧牲安全性的前提下，隨著用戶的增加而變得更高效。關(guān)鍵是，PolyShard協(xié)議將來自不同用戶和事務(wù)的數(shù)據(jù)混合在一起，仍然允許精確的數(shù)據(jù)恢復(fù)，類似于服務(wù)器和存儲系統(tǒng)上的虛擬化。

然而，到目前為止，分片機制仍然處于開發(fā)和測試階段（從某種意義上講是理論階段），并且創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)化方法不僅解決了可伸縮性問題，而且解決了安全性問題。在考慮分片解決方案之前，必須解決這個挑戰(zhàn)。

Husebuy說：“對于可伸縮性來說，分片并不是一個簡單的解決方案?！薄坝泻芏嗉?xì)節(jié)需要考慮，我們需要一些實證實驗來支持這個理論，然后我們才能稱之為安全?！睂崿F(xiàn)必須小心假設(shè)，這樣攻擊者就不會有漏洞可鉆。