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扩展性

性能，或者说是扩展性，是去中心化信任系统的必然代价，其根源在于去中心化的共识机制。

增大区块容量是一个简单直接的办法，但限制于网络容量和传播速度，这个方法效果有限。

另一个直接的方法是缩短出块间隔。

扩展性的主要问题：

  1. 交易吞吐量不足
  2. 链与链之间的资产难以交互

文献《On or Off the Blockchain? Insights on Off-Chaining Computation and Data》也有不错的综述。

下面介绍当前3类主流的、提升区块链交易吞吐量的方案。总体来说，通过修改共识算来提高扩展性不是实践中可以考虑的方法。 基于区块链的广域网模型，通过PoS/或者algrand类似的算法来提高出块速度，出块速度太快，不无法抵御广域网的传播延迟， 如果限制网络的规模，则又回到传统的集群模型，可以适用于联盟链的规模。所以我认为通过修改共识算法来提高扩展性在公链中是不可行的。

那么共识的发展，应该是从无用共识到有用共识，或者是基于PoS的有用共识。这个才是共识研究的方向。

而提高扩展性，可以在下面三个方向上继续深入。

bitcoin-NG （onchain）

Onchain的一个基本提高扩展性的方法是：将领导者选举（通过工作量证明随机且偶尔执行）与交易序列化(交易打包)解耦。

  • Bitcoin-NG：

文献《Bitcoin-NG:A Scalable Blockchain Protocol》提出了单个leader多个块的扩展模型。整个信任模型与比特币类似，但与比特币不同的是（比特币领导者节点只能提出一个区块来追加区块链），Bitcoin-NG将时间划分为epoch，领导者节点可以在其epoch期间单方面向区块链追加多笔交易，直到新领导者节点被选出。 Bitcoin-NG中有两种区块：关键区块和微区块。 关键区块包含一个难题答案，用于领导者选举。关键区块还包含一个公钥，用于签署由领导者节点生成的后续微区块。每个区块都包含对前一个微区块和关键区块的引用。费用会在当前领导者（40％）和下一个领导者（60％）之间分配。与比特币类似，通过增长（聚合所有关键区块的）最长分支来解决分叉问题。请注意，由于这些微块不包含工作量证明，所以微区块不会影响分支的长度。为了对微区块中创建分叉的领导者节点进行惩罚，后续的领导者节点可以在其关键块（包含被剪枝分叉中的第一个块的头部）之后插入特殊的有毒交易作为欺诈证据。这使恶意领导者节点的报酬无效，报酬的一小部分支付给告发领导者。当一位新领导者选出但前任领导者还没有收到，并继续产生微区块时，分叉也会出现。然而，一旦新领导者选举的宣布达到所有节点，这些分叉就会得到解决。

  • ByzCoin：

文献《Enhancing Bitcoin Security and Performance with Strong Consistency via Collective Signing》采用多个领导者共同快速决定是否应该将区块添加到区块链中。ByzCoin 通过扩展Bitcoin-NG（参见前面的章节）取代比特币的概率性交易一致性保证（具有强一致性），以实现高交易吞吐量。这有一个好处，即客户提交的交易将被添加到区块链中，区块链仍然是无分叉的，因为所有领导者都立即就区块有效性达成一致。 ByzCoin修改了Bitcoin-NG的关键区块生成机制：一组领导者，而不是单个领导者，产生一个关键区块，然后是微区块。领导者小组由近期时间窗口的矿工动态组成。每个矿工的投票能力与其在当前时间窗口的挖矿区块数量成正比，这是其哈希能力。当一位新矿工解决难题之后，它将成为现任领导小组的一员，更进一步，替换出最老的矿工。 ByzCoin使用与比特币相同的激励模式，但报酬由领导者小组成员按其比例分摊。

bitcoin-NG的关键在于：

  • The protocol divides time into epochs.
  • In each epoch, a single leader is in charge of serializing state machine transitions.
  • To facilitate state propagation, leaders generate blocks.
  • The protocol introduces two types of blocks: key blocks for leader election and microblocks that contain the ledger entries.
  • Each block has a header that contains, among other fields, the unique reference of its predecessor; namely, a cryptographic hash of the predecessor header.

bitcoin-NG的leader选举仍然采用原来的工作量证明算法。

sharding & DAG （onchain）

Onchain的第二个想法是：改变区块链线性增长链的方式。

  • 通过放弃“区块”和“链”的概念来并行化出块过程。

文献《Blockchain-Free Cryptocurrencies A Rational Framework for Truly Decentralised Fast Transactions》 提出的框架通过放弃“区块”和“链”的概念来并行化这个过程（支持交易的图式交叉验证，而不是线性，可以理解为“区块图”）。每笔交易确认两笔交易（其双亲）并包含一些有效负荷（例如，加密货币）和工作量证明。

Onchain的第三个想法：在一致性协议所需的消息与添加到区块链的最终区块的计算和广播之间解耦

文献《A Secure Sharding Protocol For Open Blockchains》将节点分成称为“委员会”的组，每个委员会管理交易的一个子集（分片）。在委员会内，节点运行拜占庭一致性协议（例如，PBFT）以协定交易区块。如果该区块已被足够的节点签名，委员会将其发送给最终委员会。最终委员会将从委员会收到的一系列交易整理到一个最终区块中，然后在其成员之间运行拜占庭一致协议以增长区块链，并将附加区块广播给其他委员会。系统按epoch运行：分配给委员会的节点仅在epoch期间内有效。在这个epoch结束时，这些节点解决当前最终委员会产生的随机字符串难题，并将求解答案发送给下一个最终委员会。因此，在每个epoch，一个节点与委员会中的不同节点搭档，管理一组不同的交易。委员会数量与系统中可用算力成线性比例关系，但一个委员会内的节点数量是固定的。因此，随着更多节点加入网络，交易吞吐量增加而延迟不会增加，因为这里有一个解耦：一致性协议所需的消息与添加到区块链的最终区块的计算和广播之间的解耦。

payment channel （offchain）

offchain 的支付通道通过将大量交易离线处理，同时将区块链作为仲裁平台，处理通道支付过程中的异常情况。双向通道支付过程可分为3个阶段：

  1. 初始阶段，用于双方建立通道
  2. 支付阶段，通道双方完成支付，即通道状态的更新
  3. 关闭通道阶段，双方关闭通道，赎回通道中自己的资金，在关闭通道的过程中，一旦某一方作恶，即利用之前的通道状态来牟利，将会触发提交阶段。在提交阶段中，双方提交证据（交易）使得外界（区块链）确定通道内的真是状态。

闪电网络：RSMC和HTLC。

文献：《Off-chaining Models and Approaches to Off-chain Computations》首次提出off-chain的概念模型分类。主要包括off-chain计算、off-chain存储、和混合off-chain模式。 文章重点讨论了off-chain计算及其分类：

  • categories Verifiable Computation
  • Secure Multiparty Computation
  • Enclave-based Computation
  • Incentive-driven Computation

收到《Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second》，辅助一些资料看一下：

https://raiden.network/101.html

参考文献

  • SHEHAR BANO 等 《The Road to Scalable Blockchain Designs》
  • 潘晨 等 《区块链可扩展性研究：问题与方法》
  • 喻辉 等 《比特币区块链扩容技术研究》
  • Chenxing Li等 《Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second》

to read

Blockchain Meets Database: Design and Implementation of a Blockchain Relational Database

Monoxide: Scale Out Blockchain with Asynchronous Consensus Zones
Monoxide PPT
bloXroute: A Scalable Trustless Blockchain Distribution Network
Towards Massive On-Chain Scaling: Presenting Our Block Propagation Results With Xthin Information Propagation in the Bitcoin Network Data Propagation Net Neutrality: Unexpected Solution to Blockchain Scaling

BTC Relay http://bitcoinfibre.org/ Bitcoin Relay Network FIBRE Fast Internet Bitcoin Relay Engine

当前主要的区块链扩容方案主要分为两个层次，即链上扩容（Layer 1扩容）和链下扩容（Layer 2扩容）。

lighting network technical summary 翻译

闪电网络是一种协议，它支持高容量、低延迟的数字化小额微支付，而不需要可信的中介。 闪电参与者使用比特币创新的多签名交易和脚本，不将资金单边托管给第三方，大大降低了交易成本和交易双方风险。 以前的小额支付解决方案是通过可信的托管人持有资金，而闪电网络则通过智能合约实现即时小额支付。 通过一个多签名交易网络，闪电网络上的任何参与者都可以向网络中的任何其他参与者支付资金。

闪电网络的基本技术是本地两方的共识，称为支付通道。 双方将初始额度的资金发送到多签名交易中，并就双方之间当前余额分配达成当地共识。 只有在双方合作的情况下，才能对当前余额分配进行更新。使用一个新交易把多签名交易中的资金分配给双方。

一个基于区块链的交易将资金存入一个多签名输出。 在进行此交易之前，将创建一个退还交易，该交易将向双方退还原始资金。 交易在链上广播之后，支付通道就打开了，可以进行"传输"了。 当一方希望用新的余额更新余额时，双方必须同意新余额并从交易中产生新的支出。 实际上，他们已经从链上交易中创造了大量的“双花”，但是他们选择，在任何一方想要赎回他们的资金之前，不公布这些花费。

这些多签名交易是真正的比特币交易。 任何一方都可以在任何时候向全局区块链广播最新的交易，即当前本地共识状态，以赎回其当前的资金余额。 由于任何一方都可以在任何时候单方面从该通道赎回资金，而不需要其他任何人的合作，因此最近的交易实际上是他们在该通道的当前余额。 它们可以在不与全局区块链交互的情况下继续使用更新的状态更新通道，直到希望关闭通道为止。 换句话说，更新局部共识状态对全局共识状态是可操作的。

通过相互撤销旧状态，可以强制更新本地交易状态。 当余额在通道中更新时，先前的状态将通过惩罚系统失效。 只有最近的余额状态才应该广播，余额来自链上的多签名输出。 如果任何一方错误地广播了一个旧的交易状态，对方可能会收取频道中的所有资金作为罚款。 因此，双方都有直接的经济动机，只播报最新的交易状态。 这是通过设置一个链上争端调解窗口来实现的（在资金分散之前）。 全局共识状态，即比特币区块链，成为链下本地共识状态的的一个争端调解系统。 与绝大多数法律合同无需诉诸法庭就能得到遵守的方式类似，该通道中的余额在链下本地共识状态中达成一致，也可以选择链上强制执行。

闪电网络的创新之处在于，它使用了时间锁定的交易和加密的nonces，允许多个两方支付通道组成一个连接的网络， 在这个网络中，支付可以通过多个通道发送，而不需要信任中间节点。 这种拓扑结构类似于internet这样的IP网络：数据包在许多物理链路上路由，只要数据到达目的地，通信的终端节点就不用担心路由问题。 这是通过一个递减的时间锁来实现的，该时间锁允许路由路径上的每个中间节点接受资金，前提是它们必须将资金转发给下一个参与者，并公开加密哈希的原像。 在闪电网络中，节点如果没有转发支付或拒绝执行任何操作，也无法截获通过其通道传输的资金。 一个节点在没有第三方资金托管的情况下运行，这是由一个有时间限制的密码脚本强制执行的。 这一切都是在假定链下的参会各方都是合作的，如果一方不合作，则在链上强制执行。

通过这个相互连接的支付通网络，闪电网络在比特币区块链的基础上提供了一个可伸缩、分散的小额支付解决方案。

首先，今年行业内围绕着存储盒子（存储矿工，路由器存储等各种形态）开始起势，主打加密分散存储和低价格，但我认为这个是重复上个十年电驴，bt的故事。即便filecion，dxchain这样公链的上线，也是存储贵族，矿池的天下，小盒子得不到什么。

其次，filecoin是典型的有使用价值物品的交易所模型，相比于淘宝，天猫这样的中心化交易所，品类太单一。可能最适合对标的还是阿里云。云厂商可以很快调转枪头对准区块链存储，或者阿里云，亚马逊本身就成为最大的矿工。

还有，如你所说，如果公链和ICO监管不成熟的情况下，不可能出现大众品类的公链，来对抗过去的金融交易所（股市）和物品交易所（阿里）。

另外，数据的分散化加密存储，很多数据不一定存储在本国领土内，就像货币外流监管一样，国家也会做数据外流监管。

1，你认为当前区块链有哪些误区？ A：基建不完善，不接地气。可能监管不足也是一个问题。

2，发展截止到2019年，区块链新的共识和技术的发展有哪些创新和突破？ layer 1 在提高TPS方面的进展一个是Bitcoin _NG，一个是DAG分片，但在工程上还没有真正受到检验。共识算法方面，基于有用共识和POS的结合，像Filecoin，是不错的进展。layer2的 链下提高TPS的一些技术非常实用，在一段时间内会解决一些问题，伴随基建设施的完善，这些技术也会持续发挥作用。发展会是这样：bitcoin->ethereum->filecoin。filecoin融合了layer1和layer2的新技术进展。

3，区块链在开源领域的现状？ 原创不多，都是基于已有的几家开源软件修修改改。但不像Linux这样的开源软件，bitcoin和ethereum不能很快和产业结合。

4，区块链在金融领域的应用现状？ 这一块我不擅长，长期看好。金融服务实体，还要看区块链如何和实体产业结合。

https://bloxroute.com 的创新也不是太多，类似互联网时代的CDN。我认为他们的背景和思路不错，创始人在Akamai做过CDN，现在用类似的思路解决区块链的问题，这个产品的主要客户将会是矿池和大的公链。

可验证网络 是一个方向。作为基础设施，适合公链，私链，联盟链，也能和CDN，IOT对接类比一下： 1，bitcoin和ethereum矿池 基于区块链的泡沫 抢的是已有云计算的蛋糕

2，Filecoin矿池 基于filecoin市场网络 抢的是已有云存储的蛋糕

3，可验证网络 基于网络，服务公链和用户，抢的是CDN的蛋糕 但可以扩展到计算和存储，抢的是已有基础设施，包括云计算和云存储的蛋糕，可验证 是核心属性。