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一文读懂区块链链上扩容和链下扩容

摘要

区块链优异的技术特性使其成为全球研究热点,但尚存在商用壁垒,尤其是系统性能不能满足当下高频数据交互的实际需求。为此,学术界及产业界积极开展区块链扩容技术研究,提出链下扩容、链上扩容和第0层扩容3类区块链扩容方案。本文通过梳理区块链扩容技术,对比分析各方案优劣,提出区块链扩容方案可能的实现方式。

01引言

区块链以去中心化存储、去中介化信任的技术特点将深刻改变当前社会组织形式,尤其在数字经济时代,数据已经成为新的生产要素,区块链也将重新定义生产关系,奠定数字经济的信息基础设施。

但是在大规模的应用中,尤其在数据高频交互的场景中,还面临着可扩展性不足,存在系统性能瓶颈等问题。因此,区块链性能扩展成为制约区块链深化应用的掣肘,有必要开展区块链扩容技术研究,提升区块链系统效率,使区块链技术真正服务于社会民生。

本文首先介绍了区块链技术分布式共识运行机制;其次,介绍了限制区块链性能提升的内生原因,指出区块链技术在数据高频交互场景下存在的性能不足的问题;随后,对比分析了当前区块链扩容技术方案以及各方案的优缺点;最后,提出区块链扩容方案研究展望。

02现状 

拥堵的区块链

区块链技术使得任何用户可以在不需要第三方信任机构的情况下建立信任关系,这样的信任关系源于用户对整个系统的信任,而无需信任单个节点,这样的技术特性将对组织间协作关系、各领域商业模式带来极大变革,然而当前的区块链系统普遍存在严重的性能可扩展性瓶颈:交易吞吐量不足。

区块链的性能限制

传统分布式系统中一直存在CAP理论:系统最多只能满足数据一致性、可用性和网络分区容忍三个特性中的两个。区块链继承了分布式系统架构,同样存在类似的三元悖论,即性能扩展、非中心化和安全性这三个特性不能同时得到满足,现有区块链系统就是选择牺牲性能,以保证交易记录的多方可信与安全存储。

因此,对区块链系统进行性能扩展时,需要综合考量非中心化和安全性,而传统分布式系统通过增加节点数量来提升系统吞吐量的方法不但不能提高区块链系统处理数据交互的速度,反而会降低共识效率,导致系统性能进一步下降。所以,需要开展针对区块链系统的性能提升研究,即区块链扩容技术。

03方案

根据区块链的6层架构模型,其扩容方案分为链下(第2层,layer 2)扩容、链上(第1层,layer 1)扩容和第0层(layer0)扩容。

区块链链下(off-chain)扩容,是对区块链合约层和应用层进行调整,将合约与复杂计算放到链下,减少链上工作量以提升区块链系统性能,链下扩容不改变区块链基本协议;链上(on-chain)扩容,是从区块链数据层、网络层、共识层和激励层进行区块链基本结构、模型、算法的优化和改进,即是对区块链自身体系结构进行优化完善,进而提升区块链性能;第0层扩容,是对互联网体系架构OSI模型的网络层与传输层协议进行数据传输协议优化,不改变区块链的体系架构与生态规则,因此适用范围有限。区块链3层扩容技术逻辑架构对应关系具体如下图1所示。

链上扩容与链下扩容相比,链上扩容短期效果明显,但是随着时间的增加,系统中心化的风险也会提升;链下扩容对于区块链系统性能的提升更大,但是实施周期过长,也将带来一定的安全风险。总之,各种扩容方案的优劣对比情况详见下表1。

当前区块链研究方向已经逐渐形成两层(layer 1和layer 2)技术体系,第1层为基础协议层,只需提供必要的支撑功能,保持足够简单,第2层为应用扩展层,能够提供更多的功能满足业务应用。从长远来看,两层同时进行扩容技术研究虽是必要之举,但在当前区块链急需突破无法实现产业级商业场景落地的情况下,从技术可行性考虑,第2层扩容方案更适合当前技术应用需要,第1层和第0层扩容技术涉及更多已经相对成熟的底层协议,短期内不易取得突破。因此,在未来几年内,区块链扩容技术有望在第2层首先取得突破性进展。

04展望

本文对区块链扩容技术方案进行了链下扩容、链上扩容和第 0 层扩容的分层对比研究和分析,值得说明的是,这 3 层扩容方案并不是独立互斥的,应用实践可以同时采用链上、链下和第 0 层扩容方案,甚至可以同时采用多种链上/下扩容方案。

目前,各种扩容技术尚处在概念阶段或验证阶段,同时部署多种扩容方案也会带来更多的潜在风险和不可预测的隐患,具体哪种方案更安全高效、哪些方案组合更容易落地,需要经历时间的检验。

引文信息

李洋, 门进宝, 余晗, 等. 区块链扩容技术研究综述[J].电力信息与通信技术, 2020, 18(6): 1-9.

LI Yang, MEN Jinbao, YU Han, et al.  Overview of Blockchain Capacity ExpansionTechnology[J]. Electric Power Information and Communication Technology, 2020,18(6): 1-9.

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