在提供吞吐量的擴容技術方面,又分為第一層技術和第二層技術。
其中第一層技術主要是修改共識算法以提升區塊鏈上共識數據的吞吐量,第二層技術則是通過對共識分層的方式在無需改變每條鏈的共識吞吐量的情況下提升整個系統的吞吐量。
第一層擴容方案里最簡單的改動方式就是直接修改參數,比如縮短出塊間隔(萊特幣等)或者增大區塊尺寸(BCH 和 BSV 等),以求在同樣的時間內對更多筆交易達成共識。
例如比特幣現在所使用的隔離見證技術實際上也是在變相地擴大區塊尺寸,只不過因為擴大得非常有限,所以只能把比特幣的吞吐量提高到每秒 7 筆左右。這樣簡單粗暴地改參數的直接副作用就是會降低系統的安全性,而這是我們非常不愿意看到的。
為此,代理加速網絡和致密區塊(compact block)等提高區塊廣播速度的技術被開發出來用以平衡修改參數對系統安全性造成的負面影響。但是畢竟廣播速度的上限嚴重依賴于網絡基礎設施的發展水平,所以通過改參數的方式能提高的吞吐量是非常有限的(在保證安全性的前提下)。
另一種常見的第一層擴容方式是采用新的共識協議,以突破中本聰最初的設計的性能瓶頸。該方向吸引了很多學術界的大牛進行研究,例如以太坊的共識算法就采用了由以色列希伯來大學的 Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar 提出的GHOST (Greedy Heaviest Observed SubTree)協議而非中本聰的最長鏈規則,因此可以把出塊間隔從 10 分鐘縮短到 15 秒左右,吞吐量也提高到每秒 30 筆交易。
GHOST協議的主鏈選擇路徑
其他比較知名的下一代共識協議還有圖靈獎得主 Silvio Micali 和姚期智先生分別主導開發的 Algorand 和 Conflux:前者采用了 PoS 共識機制來避免分叉,可以達到大約 300 tps;后者以樹圖結構而非鏈式結構組織區塊,實現了超過 3千 tps。目前 Algorand 和 Conflux 以及其他許許多多新的共識協議絕大部分仍處于理論論證和實驗階段,是區塊鏈技術非常重要的發展方向。
第二層擴容方案是對分片、側鏈、多鏈等技術的統稱。這類技術的核心思想是把共識參與者(礦工或 PoS 系統中的驗證者)進行分組,每組分別處理不同的交易,通過分工合作的方式提高整個系統的吞吐量。
目前,第二層擴容方案中的最具影響力的無疑是比特幣的閃電網絡,其他比較具代表性的包括以太坊的狀態通道、 Sharding 和 Plasma 等提案。
第二層擴容方案的主要缺點在于一定程度上犧牲了安全性,因為參與第二層共識的算力或權益份額都要顯著少于第一層主鏈,這是由「分工合作」的設計思想所決定的。
第二層方案的設計中非常重要的一點就是在發現問題時如何安全快速地退回第一層共識,例如在比特幣閃電網絡中單方面關閉交易通道。因此,第二層擴容方案通常是作為對第一層區塊鏈的一種功能上的補充出現的,更適合處理小額資產(例如閃電網絡)和實驗性功能(例如比特幣現金的蟲洞)等特殊場景。
此外,未來第二層方案發展的另一個重要方向是利用智能合約的可編程性,在第一層區塊鏈之上實現和運行為具體業務場景定制的第二層側鏈,以獲得更高的性能、更低的成本、以及其他更多樣化定制化的功能。
例如今年 2 月斯坦福大學的 Benedikt Bünz 等在 ePrint 預印本網站上公開的 Zether 即是以通用的智能合約的形式實現類似 ZCash 的機密交易的功能的第二層方案。
2)更快的確認速度
比特幣每筆交易通常需要等待六個區塊才能確認,按照平均十分鐘產生一個區塊計算這大約需要一小時時間,這還沒有計算因為吞吐量過低帶來的排隊等待時間。
實際上,如果轉賬的金額足夠高/區塊獎勵相對很少的時候,確保一筆交易安全所需等待的時間和區塊數還會進一步增加。這樣的交易速度無疑會造成很差的用戶體驗,因此提高確認速度也是區塊鏈技術的一個核心發展方向。
提高確認速度的區塊鏈技術往往同時也會提高吞吐量,因為單獨提高確認速度的意義有限,吞吐量過低時排隊的時間將成為實際確認延遲的主要部分。
例如前面說的加快區塊廣播速度和縮短出塊間隔就是典型的同時提高確認速度和吞吐量的技術,而 GHOST、Algorand、Conflux 等共識協議的主要目標之一就是保證系統在快速出塊的同時仍具有足夠的安全性。
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