區(qū)塊鏈吞吐率提升研究*

潘業(yè)達 ，陳恭亮 ，郭乃網

（1.上海交通大學，上海 200240；2.國網上海電科院，上海 200232）

0 引 言

隨著數(shù)字貨幣的火熱，區(qū)塊鏈技術逐步進入公眾的視野，并引起了廣泛的討論和研究。目前，雖然區(qū)塊鏈各個方面的研究火熱，但是距離真正投入使用、影響并改變人類現(xiàn)有的生活生產方式還很長的路需要探索。影響區(qū)塊鏈投入使用的一個重要原因在于目前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能無法滿足日常生產生活需求，其中最重要的瓶頸在于其低下的吞吐率。因此，本文分析限制區(qū)塊鏈吞吐率的因素，分別舉例說明如何突破這些瓶頸以提升區(qū)塊鏈吞吐率，以期區(qū)塊鏈更早投入生產。

1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈技術是中本聰[1]構建比特幣系統(tǒng)的底層技術，隨著密碼貨幣市場的火熱，逐漸被學術界所關注和研究。區(qū)塊鏈技術是集分布式系統(tǒng)、點對點網絡、密碼學于一體的新興技術，主要解決了在沒有引入可信第三方的基礎上，在相互不信任的節(jié)點之間達成共識的問題。突出貢獻在于，能夠在擁有大量參與者的情況下（比特幣十幾萬個節(jié)點），無準入且可以隨時退出的情況下達成共識。這相較于傳統(tǒng)的基于投票的BA類共識協(xié)議有了巨大的突破（在PBFT中，參與節(jié)點不能超過100個，且所有的節(jié)點需要引入可信第三方對節(jié)點身份進行認證，同時在協(xié)議開始運行后不能有新的節(jié)點加入）。

同時，區(qū)塊鏈通過使用Hash函數(shù)、Merkle Tree、數(shù)字簽名等密碼學方法，構造出了一條證據鏈，使得上鏈的數(shù)據在經過有限的時間等待后無法被篡改，在各個節(jié)點之間形成一個公共的賬本。區(qū)塊鏈技術通過其開創(chuàng)性的共識協(xié)議，為互不信任的節(jié)點提供了一種信任機制，即由對傳統(tǒng)意義上人、企業(yè)、政府等實體的信任，轉移到對點對點網絡、密碼學等技術的信任，可能帶來下一次的信息技術等革命。

2 區(qū)塊鏈擴展性限制

雖然區(qū)塊鏈技術的前景十分廣闊，但目前技術發(fā)展并不成熟，無法支撐現(xiàn)階段業(yè)務的正常運行，其中區(qū)塊鏈的低擴吞吐率是最大的瓶頸。相較于比特幣理論上的7 TPS和以太坊的15 TPS，日常系統(tǒng)可能每秒轉賬（交易）量需要上千上萬。如此低的吞吐率，在實際應用中杯水車薪。

如圖1所示，區(qū)塊鏈可以根據功能由低到高劃分為密碼基礎層、網絡層、共識層和應用層四個層次，分別對應于數(shù)字簽名、Merkle樹等密碼算法，點對點網絡，POW、POS、PBFT等共識協(xié)議，智能合約等上層應用。其中，密碼基礎層對于區(qū)塊鏈的性能等影響主要體現(xiàn)在簽名和驗簽過程，可以使用更加輕便的簽名算法如BLS短簽名；網絡層性能瓶頸主要在于點對點網絡的性能瓶頸，其突破需要點對點網絡的進一步發(fā)展；應用層是構建在底層區(qū)塊鏈網絡上的具體應用，因此暫時不予考慮其對吞吐率的影響；而相較于其他三層，共識層是目前吞吐率的短板，限制了區(qū)塊鏈性能的提升。因此，本文在主要討論共識層提高吞吐率的模型，并舉例分析如何實現(xiàn)吞吐率的提升。

圖1 區(qū)塊鏈層次結構

共識層中，限制區(qū)塊鏈吞吐率的主要因素是其鏈狀的結構，因為只有被記錄到區(qū)塊鏈上的交易才是有效交易。決定交易吞吐量的因素有三點——出塊速率、塊的大小以及是否可以通過并行提高系統(tǒng)的吞吐率。因此，如果想要提高區(qū)塊鏈的擴展性，要從這三個方面入手。但是，由于區(qū)塊鏈的安全性限制，如果過度提高出塊的速率或者區(qū)塊的大小，會導致安全性的下降。同時，由于區(qū)塊鏈的鏈式結構，通過并行來提高吞吐率十分困難。后續(xù)章節(jié)中，本文分析了限制上述三點的主要因素，提出了可能的解決辦法，并且通過例舉現(xiàn)存項目分析比較其優(yōu)缺點。

3 通過提高出塊速率提高吞吐率

由于區(qū)塊鏈的鏈式結構，如果出塊速率過快，會導致產生過多分叉，進而影響系統(tǒng)的安全性，如圖2所示。從直覺上看，如果兩個區(qū)塊之間的時間間隔短于整個網絡的網絡延遲，會出現(xiàn)這種情況。假設將所有的節(jié)點進行線性排列，當?shù)谝粋€節(jié)點在高度i發(fā)出一個區(qū)塊，然后逐個向后面的區(qū)塊進行傳遞。如果在到達所有節(jié)點前，最后一個節(jié)點在同一高度也產生了一個區(qū)塊，并且向前傳播。這樣前一部分節(jié)點在高度i的區(qū)塊為，剩余的節(jié)點在高度i的區(qū)塊為，區(qū)塊鏈產生了分叉。此外，隨著出塊速率的提高，分叉的可能性也在提高，其安全性呈指數(shù)下降，無法提供50%的安全性，攻擊者可以用更少的資源攻陷區(qū)塊鏈系統(tǒng)。如圖2所示，隨著出塊速率的增加，安全系數(shù)呈指數(shù)下降，這在文獻[2]中有具體說明。

如果想要提高出塊速率而不影響吞吐率，則需要解決分叉問題。這里主要提出兩種解決分叉的方法：一是通過改進傳統(tǒng)的拜占庭共識協(xié)議，二是通過改變區(qū)塊鏈的結構，從傳統(tǒng)的鏈式結構轉換為有向無環(huán)圖結構（DAG）[3]。

圖2 安全性與出快速率關系

3.1 改進的拜占庭共識

首先，區(qū)塊鏈產生分叉的原因在于，節(jié)點可以在區(qū)塊鏈的任意位置向后延伸，即在區(qū)塊鏈的同一高度可以產生多個區(qū)塊，而哪一個區(qū)塊被最終確認是概率性事件。如果在區(qū)塊鏈的相同高度只能產生一個區(qū)塊，那么就不會產生分叉。而傳統(tǒng)的共識協(xié)議對于一個事件的共識只有達成共識和不達成共識兩種狀態(tài)，因此如果使用基于傳統(tǒng)拜占庭共識協(xié)議，并不會因為出塊速率的提高而導致分叉的產生。但是，傳統(tǒng)的共識協(xié)議并不支持大規(guī)模共識。例如，PBFT[4]參與的節(jié)點數(shù)理論上不能超過100，這在公鏈系統(tǒng)要求全網參與的情況下杯水車薪。因此，基于拜占庭共識的協(xié)議通常做法是通過某種算法，均勻采樣產生一個委員會和一個備選區(qū)塊。在委員會中對備選區(qū)塊進行投票，如果投票成功產生區(qū)塊，如果投票失敗，這一輪不產生區(qū)塊。需要注意的是，為了委員會中好人占的比例大致同整個網絡中好人的比例相等，要求委員會的大小不能太小，需要遠大于100，這樣傳統(tǒng)的拜占庭共識協(xié)議無法滿足需求，需要對現(xiàn)有的拜占庭類協(xié)議進行改進，以支持更大的參與者。這類協(xié)議中較優(yōu)秀的是Micali教授提出的Algorand[5]算法，通過VRF[6]隨機產生備選區(qū)塊和委員會，并通過一個其稱為BA*的二元輸出的拜占庭共識產生一個一致的輸出。Algorand算法的公平性體現(xiàn)在每一輪都會產生一個新的委員會，以保證委員會的代表性。

Algorand在實驗環(huán)境下50 000個節(jié)點參與，區(qū)塊大小為2 MB的情況下，出塊的時間間隔約為12 s，吞吐率約為327 MB/h，相較于比特幣的6 MB/h提升了50倍以上。同時，實驗表明，區(qū)塊的大小在Algorand中對確認時間幾乎沒有影響，因此可以通過提高區(qū)塊的大小進一步提高吞吐率。例如，在區(qū)塊大小為10 MB的情況下，Algorand的吞吐率大約為750 MB/h，是比特幣吞吐率的125倍。

通過使用改進的拜占庭共識的問題在于，為了使委員會中的壞人比例大致等于全網中的壞人，委員會的大小需要得到保證。在Algorand實驗中，委員會的大小為5 000個節(jié)點，在委員會中需要進行多輪投票，導致網絡會產生大量的投票信息而出現(xiàn)網絡擁塞。

3.2 有向無環(huán)圖（DAG）

傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈中，同時有多個參與者在區(qū)塊鏈的不同位置向后擴展，但是最終只有一條鏈會被接受，即從全局來看，全網生成的是一棵樹狀的結構，但為了能夠為其中的區(qū)塊提供一個不可篡改的順序，即抽象出一個公共賬本，區(qū)塊鏈選擇只接受其中一條鏈，其余分支將被舍棄。因此，不管用何種方法選取這條鏈，都會不斷產生分叉。如果分叉的速率和數(shù)量太多，會影響系統(tǒng)的安全性。DAG（有向無環(huán)圖）的思想是，如果將網絡中的所有的區(qū)塊全部包含到最終的狀態(tài)圖中，那么將不存在分叉。此外，還可以從兩個方面提高系統(tǒng)的擴展性。第一，出塊的速率可以更高，因為系統(tǒng)存在分叉，出塊速率的加快不會帶來安全性的降低。第二，在鏈式結構中，部分產生的區(qū)塊被忽略了。在DAG結構中，所有的合法區(qū)塊最終都會被包含在最終的系統(tǒng)中，所有參與者對于打包交易的貢獻最終會體現(xiàn)在最后的系統(tǒng)狀態(tài)中，實現(xiàn)了某種意義上的并行。

有向無環(huán)圖同傳統(tǒng)鏈式結構的主要區(qū)別在于，每個區(qū)塊中不僅包含一個父區(qū)塊的Hash值。有向無環(huán)圖應當包含多個區(qū)塊的Hash值，從而構成一個有向無環(huán)圖的結構，且其包含的區(qū)塊的Hash值應為在其本地視圖下最新的沒有子區(qū)塊的區(qū)塊。DAG的結構如圖3所示。

圖3 DAG結構

如果使用DAG結構，其主要的挑戰(zhàn)在于如何在一個有向無環(huán)圖中提取出一個公共賬本，或者說如何比較任意兩個區(qū)塊之間的先后順序。目前，有兩種方式。一種方式是對任意兩個區(qū)塊，通過直接或者間接連接到或被其連接的區(qū)塊進行投票，獲得票數(shù)多的區(qū)塊被認為順序更靠前。這里，計票過程在各個節(jié)點根據本地的視圖中進行的。投票的原則在SPECTRE[7]中有具體描述，這里不再贅述。第二種方式是，在DAG中通過某種方法提取一條主鏈來為全視圖中所有的區(qū)塊給出一個唯一的序列號，進而構造出一個公共賬本。這種方式在文獻[3]中提出，假設有一個算法能夠在DAG的視圖中提取出一條主鏈，這條鏈需要滿足區(qū)塊鏈的安全屬性，即鏈的增長性，公共前綴和鏈的質量[8]。通過這條主鏈為全視圖中的所有區(qū)塊提供一個全視圖唯一的序列號。目前，較為可行的辦法是通過Ghost[9]方法進行主鏈的選擇Conflux[10]。Conflux在構造有向無環(huán)圖時，將連接前向區(qū)塊分為父節(jié)點和叔節(jié)點，連接父節(jié)點的邊為主邊，連接叔節(jié)點的邊為從邊，父節(jié)點的選擇是根據Ghost中的最重鏈原則進行選擇。首先，去掉所有的從邊，將視圖從一個圖退化成一棵樹，在這棵樹中使用GHOST算法，選擇出一條主鏈。在Conflux中，在網絡節(jié)點個數(shù)為20 000、區(qū)塊大小為4 MB、出塊速率為0.4個/s、網絡帶寬為40 Mb/s的情況下，吞吐率為6 400 TPS。

需要注意，目前DAG還處于基于POW階段，使用POS的協(xié)議多存在安全性隱患，失去了區(qū)塊鏈去中心化的意義。同時，由于POS的DAG不需要消耗資源，它可以在DAG的任何節(jié)點后產生區(qū)塊，并且最終都會被包含在所有參與者的視圖中，這樣DAG的視圖可能無法收斂。因此，目前DAG并不適合使用POS一類的不需要消耗資源的協(xié)議選取主鏈。同時，由于所有的合法區(qū)塊都會被包含，區(qū)塊中的數(shù)據有大量重復，造成了大量的數(shù)據冗余，其對擴展性的提高無法達到預期效果，且增大了存儲負載。

4 通過變相提高塊的大小提高吞吐率

一昧地擴大塊的大小會帶來兩種問題。一是隨著塊的增大，其廣播到全網中所有節(jié)點的時間（網絡延遲）會線性增長，如圖4所示。出塊速率是相對于網絡延遲而言的，在出塊速率不變的前提下，增加網絡延遲變相地提高了出塊速率，導致了更加頻繁的分叉，進而影響了系統(tǒng)的安全性。二是當區(qū)塊大小增大，則出塊的節(jié)點所擁有的權利（打包交易的數(shù)量）隨之增大，會導致某種意義上的中心化。可以想像，如果塊大小無限大，那么這就是一個中心化系統(tǒng)。單純提高區(qū)塊的大小，會導致網絡延遲的增加，因此可以將一個大區(qū)塊拆分成許多小區(qū)塊。小區(qū)塊的確認獨立于大區(qū)塊，即小區(qū)塊的接收可以隨時停止，且全網都會同步到相同的小區(qū)塊上。在現(xiàn)有的協(xié)議中，康奈爾大學博士后Ittay Eyal等人提出的bitcoin-ng[11]協(xié)議最具代表性。

圖4 區(qū)塊大小同網絡時延關系

圖5 bitcoin-ng結構

Bitcoin-ng將區(qū)塊分為主區(qū)塊和微區(qū)塊兩種角色。主區(qū)塊中包含工作量證明信息，微區(qū)塊中包含具體交易信息和產生主區(qū)塊的節(jié)點簽名。主區(qū)塊之間的時間間隔需足夠長，防止出現(xiàn)過多的分叉。從創(chuàng)世區(qū)塊開始，所有的節(jié)點基于創(chuàng)世區(qū)塊進行POW。成功算出POW的nonce值的節(jié)點首先產生一個主區(qū)塊，其中包含POW的驗證信息和自己的簽名，廣播到整個網絡中。收到這個主區(qū)塊的其他節(jié)點停止基于創(chuàng)世區(qū)塊的POW工作。產生主區(qū)塊的節(jié)點不斷打包網絡中的交易成為一個個微區(qū)塊，將微區(qū)塊廣播到網絡中去；其他的節(jié)點選擇基于某個微區(qū)塊進行下一輪的POW，產生新的主區(qū)塊，結構圖如圖5所示。

理論上，bitcoin-ng的吞吐率只受單個節(jié)點處理速度的限制，因為高的吞吐率不會產生分叉。雖然微區(qū)塊之間的時間間隔可以遠小于主區(qū)塊，但是其時間間隔不能夠無限小。微區(qū)塊的出塊速率非?？鞎r，會導致在主區(qū)塊出塊附近出現(xiàn)非常多的分叉，分散了算力，嚴重影響系統(tǒng)的安全性。

另一種拆分區(qū)塊的方法是首先選出一個領導者，領導者不斷打包交易直到產生新的領導者。這種協(xié)議中具有代表性的是康奈爾大學的Elaine教授提出的Thunderella[12]協(xié)議，主要過程為：

（1）選出一個加速節(jié)點；

（2）選出一個委員會；

（3）加速節(jié)點收集網絡中的交易信息，將交易的信息進行排序后簽名發(fā)送給委員會；

（4）委員會對交易進行投票，如果一條交易收到的票數(shù)超過了3/4，那么這筆交易就被確認；

（5）否則，交易進入底層的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，等待足夠長的時間，進行確認。

相較于bitcoin-ng在微區(qū)塊之間需要有一定的時間間隔，Thunderella中的領導者在兩個交易之間不需要等待，可以連續(xù)向委員會發(fā)送交易，這樣在領導者為誠實的且委員會中超過3/4是誠實的情況下，系統(tǒng)的性能瓶頸被限制在領導者的單節(jié)點處理速度和委員會投票的通信復雜度上。同Algorand一樣，這種使用投票的共識協(xié)議會大大增加網絡中路由交易信息的數(shù)量，造成網絡擁塞。

5 通過并行提高吞吐率

區(qū)塊鏈單條鏈的結構使得打包交易過程只能夠串行進行，串行的模式導致難以通過并行提升效率。在串行模式下，吞吐率的上界被單節(jié)點的網絡速度和處理性能從物理上被限制，且隨著網絡規(guī)模的增大，系統(tǒng)的性能不能同比上升，甚至會有所下降。為了使得區(qū)塊鏈能夠實現(xiàn)并行，可以有兩種方法。一是將區(qū)塊鏈系統(tǒng)分層，底層是區(qū)塊鏈網絡，只存儲關鍵信息，上層負責具體交易的處理，上層之間相互獨立，可以并行處理數(shù)據；二是借助分片技術，拆分系統(tǒng)中的資源，各個分片單獨處理各自的交易。

5.1 分層

區(qū)塊鏈的主要優(yōu)勢在于能夠在互不信任的網絡中提供一個較可信的環(huán)境，并且將所有的交互信息進行存儲。但是，在實際的生產生活中，交易完整的處理過程不需要都在可信環(huán)境下，所有的數(shù)據也無需無差別存貯。事實上，只要在交易的重要過程能夠提供一個安全環(huán)境，且對關鍵數(shù)據進行存儲，就可以滿足日常生產生活的需求。分層的思想是關鍵的交易和信息在底層的區(qū)塊鏈執(zhí)行和存儲，非關鍵交易的具體執(zhí)行和中間結果由參與方線下執(zhí)行，線下的交易可以并行處理。從全局來看，這大大提高了系統(tǒng)吞吐率。

在分層的解決方案中，較具代表性的是閃電網絡[13]。在閃電網絡中，需要進行交易的雙方需要向區(qū)塊鏈提交一個智能合約來創(chuàng)建交易通道，在智能合約中需要將一定量的代幣鎖定。在創(chuàng)建好支付通道后，交易雙方在線下進行交易，交易的安全性通過多方簽名來保證。交易結束后，將最后的狀態(tài)提交到主鏈上，并且釋放通道關閉交易。主要流程如圖6所示。

圖6 閃電網絡交易過程

雖然閃電網絡將多個交易簡化成了兩個交易，但是其使用范圍十分受限。在閃電網絡中，線下交易只能在已有直接或者間接通道的用戶之間進行，同時只有在交易頻率較高的情況下才能夠體現(xiàn)出其優(yōu)勢。但是，在網絡中存在大量的一次性交易，即A向B發(fā)送一筆交易后，后續(xù)長時間內A和B之間不會發(fā)送交易。在這種情況下，單筆交易會被擴展為兩筆交易，得不償失。

5.2 分片

分片技術是一種應用于數(shù)據庫分片的傳統(tǒng)擴容技術。它將數(shù)據庫分割成多個碎片，并將這些碎片放置在不同的服務器上。在區(qū)塊鏈情境中，網絡上的交易將被分成不同的碎片，由網絡上的不同節(jié)點單獨處理。每個節(jié)點只需處理一小部分傳入的交易，并且通過與網絡上的其他節(jié)點并行運算，可以同時完成對交易的驗證和處理。因此，隨著網絡規(guī)模的增長，區(qū)塊鏈同步提升將成為可能，這種屬性也稱為水平擴容。

在區(qū)塊鏈中，通過將參與者分片，每個分片單獨處理，存儲不同的交易信息。可以將每個分片想象成一個子鏈，所有的子鏈構成了完整的區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈中，分片的技術難點在于保證跨分片交易的原子性。一筆交易如果被接受，在所有的分片中都會被接受；如果不被接受，所有的分片都會拒絕這比交易。即狀態(tài)的改變是原子性的，全網中的狀態(tài)是相同的，如何實現(xiàn)在文獻[14-15]中有具體的描述。同時，在分布式系統(tǒng)中，分片由中心節(jié)點來決定。但是，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，沒有一個中心的系統(tǒng)來進行分片。要保證分片的隨機性，需要有一個隨機源來產生隨機數(shù)進行分片。慶幸的是，區(qū)塊鏈所要解決的問題是隨機選取一個節(jié)點來打包交易完成出塊，因此在現(xiàn)存的一些共識算法中可以提供這樣一個隨機源。例如，Algorand中通過VRF產生隨機數(shù)，或者通過POW產生的符合要求的nonce值（雖然這不是一個隨機數(shù)，但是也是一個不可預測的值）。

6 結 語

本文總結了限制區(qū)塊鏈吞吐率提升的主要因素，抽離出提升區(qū)塊鏈吞吐率的架構，并從三個方面描述了提高區(qū)塊鏈吞吐率的模型，舉例進行了具體分析。在同一協(xié)議中可能會使用其中一種或多種，表1中例舉比較了各個協(xié)議中提高吞吐率的情況。其中，Y表示該協(xié)議擁有該特性，N表示沒有。

表1 提升吞吐率協(xié)議對比

相信隨著技術的發(fā)展，當吞吐率不再是限制區(qū)塊鏈實用的主要影響因素時，區(qū)塊鏈作為可能的下一代信息革命的優(yōu)勢將真正展現(xiàn)出來。