大规模区块链应用实践的必然选择之一：扩张

本文作者李玉荣，现任中国信息与通信研究院工业互联网与物联网研究所技术研究室。研究领域包括工业互联网标识分析、物联网、未来网络、区块链等方面的研究工作。

随着区块链技术的快速发展和实际应用，数据存储成本高、性能低、网络延迟高等问题逐渐Convex显。因此，作为一种可信的数据管理机制，区块链迫切需要解决可扩展性和性能问题，包括主要的区块链社区如火币和火币网，开发团队已经开始了区块链扩展方案的研究。

1、 为什么要扩张——区块链扩张需求分析

区块链的容量是一个自然的问题。随着节点和事务量的增加，这种情况越来越严重。中本发明火币后，火币的节点数量激增，链上交易量大幅增加。火币网络中的事务需要由矿工打包成块并广播到其他节点。由于火币块的大小限制为1米，单个块只能容纳有限的交易。据统计，单块实际交易量约1700笔，每10分钟打包确认一次，因此火币的交易速度约为每秒3笔。市场上常用的支付手段，如VISA，每秒处理5000到8000笔交易，支付宝处理交易的高峰可达每秒近10万笔。HT2的慢事务导致网络中需要确认的事务越来越多，导致网络拥塞。

区块链扩张需求广泛，各行各业都在研究区块链扩张方案。为了加快交易速度，火币区块链网络中的用户必须提高交易的手续费，以便矿工有优先权处理交易。大量的交易费用和严重的交易延迟限制了火币的发展，这也是整个区块链技术发展面临的问题。火币网的创始人Vitalik Butlin在火币网的解释性文件中提到，区块链系统在“去中心化”、“可扩展性”和“安全性”三个方面，即“去中心化”和“安全性”，只能完美解决两点。然而，随着网络规模的不断扩大，区块链系统必须考虑解决“可扩展性”问题。火币的核心开发团队提出了多种扩展计划，如bip101、隔离见证等；火币通过HT4的新矿池部署了比特币无限扩展计划，得到澳大利亚计算机科学家莱特的支持；中科院袁勇团队研究并提出了并行扩展方案；康奈尔大学提出了火币比特币ng、扩展方案、国际金融密码与数据安全学术会议讨论的火币扩展方案，火币网还提出了碎片化、状态化等扩展方案通道和等离子体。

区块链扩展方案的实现是一个复杂的相关问题。在互联网时代，应用软件通过更新和迭代的方式进行升级，以满足越来越多的用户和服务升级需求。对于应用软件来说，软件升级相对容易。系统升级可以通过更新升级服务器来实现其目的。低性能可以通过添加服务器来支持大事务，但在区块链场景中进行扩展和升级非常复杂。区块链基于一个分布式架构，有许多节点，每个节点部署服务并存储数据。区块链升级需要每个节点升级本地系统，完成整个区块链的升级。要升级区块链，需要修改底层源代码。新旧版本的存在将使区块链中打包的区块存在于两个不同的版本中。每个节点和挖矿池也会选择支持的版本，这将导致硬分支到两个甚至更多的链，这违反了去中心化共识的最初想法。

2、 如何扩容——区块链扩容的技术方案

目前，区块链扩展方案主要包括链内扩展技术和链外扩展技术，也称为第一层扩展技术和Layer2扩展技术。

图1区块链扩容技术方案

一。链内延伸技术

链内扩展技术主要是基于区块链自身的改进，主要包括块扩展和隔离见证。

（1） 块扩展：它是扩展容量的最直接的方式，即增加块大小。例如，如果火币的当前块大小从1MB扩展到2MB，则块大小的扩展可以增加每秒的事务处理。理论上，块容量越大，事务处理速度越快。但是，在实际生产中，如果矿块容量过大，采煤机的打包速度就会变慢。在网络传输过程中，由于网络无法快速传输大文件，会出现新的问题，因此直接扩展块大小的方案受到限制。2017年8月，火币的硬叉是火币（HT4）和火币现金（BCC）。BCC实现了块大小从1MB扩展到8MB。

（2） 孤立证人：从字面上讲，证人的内容是孤立的。事务数据存储在块中。隔离见证可以使每个块包含更多的事务，通过减小事务数据的大小来达到扩展的目的。HT2交易由发起人通过签署UTXO（无成本交易输出，类似于支票）并填写接收人地址来建立。这个过程叫做“证人”为了保证事务的唯一性，HT2对每个事务数据进行哈希运算得到事务ID，事务中的关键数据包括签名、接收者和事务量，其中签名占用了大量的存储空间，而签名信息的功能是挖矿者见证交易数据源的合法性，普通节点不验证签名信息，因此签名数据部分可以隔离存储在其他区域，节省了块的存储空间，实现了隔离见证。2017年5月，litecoin通过用户激活软分叉方案，绕过矿工和挖矿池的支持，完成了隔离见证。

（3） 分片技术：将网络中的节点划分为不同的部分，每个分片处理不同的事务数据，每个区域共同处理相同的事务事件。在网络中，事务可以并行处理，大大提高了网络的并发性。为了实现节点的随机分配和区域验证器的分配，需要建立一个独立的区块链（HT32.0中称为信标链），负责维护整个网络所需的操作。这样，通过双层网络设计增加了交易量。具体地说，火币网网络上的节点被分成100个部分。碎片系统由主链上发布的验证管理合同（VMC）维护。当存在事务时，每个区域独立存在，只选择其中一个区域进行处理。如果网络中有m个事务需要处理，那么现在每个节点只需要处理m/100个事务。然后这些打包子块的数据在主链上形成一个块，相当于主链的块扩容100倍。目前，HT3 2.0信标链尚未正式推出。此外，HT1采用的dpos一致性机制中只有部分节点参与构建块，不存在挖矿竞争。它更注重可扩展性，类似于HT3的分割技术。

2。链外延伸技术

由于区块链自身在链上扩展技术的改进存在诸多局限性，因此逐步引入了利用技术手段扩大链外容量的方案。离线扩展技术主要包括侧链技术、闪电网络和多链扩展。

（1） 侧链技术：在区块链主链外引入侧链，在侧链上完成数据（价值）分流。侧链协议可以实现多个区块链之间的交易和价值传递。侧链相对于主链，能够实现价值转移的多个区块链可以是彼此的侧链。实现区块链扩张的侧链技术是采用双向锚定的思想，冻结主链上具有一定价值的资产，由矿主确认侧链上冻结资产的等值，并在交换后使用侧链上的等值资产。实现侧链有两种方式，一种是单一托管，即将主链上的资产送到单一托管机构进行控制和冻结，然后在侧链上激活。这种实现方式是中心化式的，存在安全风险；另一种是多重签名，主链上的冻结资产由多重签名地址控制，资产交易报文需要经过多方签名，签名有效合法，大大提高了安全性。侧链技术可以实现完全不同的体系结构、技术和共识的区块链交易，是区块链扩张的理想解决方案。

（2） 闪电网：它是一个点对点的网络，完全去中心化的数字货币小额支付系统。闪电网在区块链外开辟了以买卖双方为基础的独立双向支付渠道。在渠道创建的初始阶段，记录一个原始的资金分配方案，以节省双方的初始资金。交易记录由双方在资产配置方案中签字并更新。一个或多个交易可以发生在链下的支付渠道中。这些交易仅在支付通道关闭前更新到闪电网的资产配置方案中，在交易完成后将最终余额分配结果更新到链上的一致意见后，才会在链上达成一致。链下频繁记录的交易大大减少了主链上的交易数量，可以显著提高容量、可扩展性、交易吞吐量，而且几乎所有的小额支付都通过闪电网络通道无法追踪，从而保证了交易的匿名性和安全性。然而，闪电网是一种基于智能合约的双向支付渠道，需要智能合约的支持。火币区块链的实现比较复杂，在实现闪电网络的过程中，需要打开和关闭支付渠道。信道的频繁运行会加剧网络拥塞。HT3采用了类似的思想，将雷电网络惩罚机制升级为链外扩展技术。

（3） 多链互联：是一种多链架构概念，利用跨链连接器连接多个区块链，实现不同业务链的价值互动。交叉链连接器类似于“中间件”，它负责为链之间的交互定义数据交换的标准规范。在多链结构中，每个链是一个独立的系统，可以在链内独立协商、记账、查询和验证。跨链交易和价值转换是通过跨链连接器在链之间进行的。根据业务功能需求，构建并实现了整个多链体系结构。整个系统能够实现多链业务协同和链间数据隔离，大大提高了价值网络的并行算力，保证了良好的可扩展性和可用性。

3、 摘要

2019年10月24日主持**中央政治局第十八次集体学习的***总书记指出，“要把区块链作为核心技术和自主创新的重要突破”为落实实习总书记的工作要求，充分发挥区块链在技术创新和产业发展中的作用，产能扩张问题已成为区块链新基础设施和产业实践中必须关注的关键问题。在此背景下，产业各方推动区块链技术的发展，商业规模应用的实施，区块链扩张问题的解决方案遍地开花。

分析各方案的优缺点。通过对每个扩展方案的比较分析，块扩展和隔离见证方案都有很大的局限性，会造成硬分支和中心化问题，影响整个区块链网络的平衡。侧链技术可以很好的帮助主链做分流，但是作为一个独立的链，侧链没有足够的算力来保证交易和区块链的安全。攻击者可以用很小的代价对侧链发起51%的攻击。闪电网主要采用渠道技术，由于需要先投入一部分资金建立支付渠道，适用于可支配资金较多、交易频繁的节点，因此支付渠道交易一般是一个挖矿池，而挖矿池链下的连续交易会导致“中心化”问题，支付渠道交易的匿名性违反了区块链中“交易可追溯性”的概念。

扩张计划的发展趋势。目前，切片技术和多链互连技术是研究的热点，但在实际应用中，仅仅采用一定的技术方案是不够的。目前，国内各大区块链平台系统主要采用链下扩容技术，并将侧链等跨链技术、国内共识算法升级优化等多种方案整合到系统中，提升硬件性能等手段共同提升区块链底层平台性能。碎片化技术也是未来大部分区块链平台的关键发展方向。这项技术逻辑简单，但难以实现。如何合理计算区块链网络碎片化的规模和数量，从而得到**解，是各方需要研究的问题。

根据应用程序平衡选择扩展。区块链作为一个分布式系统，占用了大量的硬件和服务资源，盲目扩张将付出巨大的资源代价。从应用场景的角度来看，在实际应用场景中，需要根据业务需求扩展区块链的性能，平衡服务器资源和链上收益。从区块链系统的“去中心化性、安全性和可扩展性”三个特点出发，还需要根据实际应用平衡三者的关系。例如，在大规模数字支付场景中，对性能的要求很高，但在一些低频率、大价值的企业联盟链交易中，性能并不是首要问题，因此更应重视安全性。