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区块链的去中心化与高性能TPS是否真的可以兼具?

作者 | 陈浩
文章出自 | 极客时间「深入浅出区块链」专栏

比特币和以太坊的 TPS 一直被技术领域的人所诟病,或许这与工程师“高性能高并发”的情节有关。

那么说,去中心化与高性能 TPS 是否真的可以做到鱼和熊掌的兼具呢?区块链业界又采取了哪些方案进行改善呢?围绕这两个主题,我们开始聊聊今天的话题。

再谈去中心化

说到区块链的最大标签,莫过于“去中心化”,在任何讨论区块链的场合,这个词几乎都会被提起。

今年 3 月份,全球顶级数字资产交易平台 OKEX 的负责人徐明星曾经发文,他表示业界应该避免使用“去中心化”这样的词汇,而改用“点对点”,“点对点”一词后来甚至被直接冠到了比特币白皮书的标题上。

去中心化与点对点有区别吗?我认为是有的,去中心化是包含了一定政治主观色彩的词汇,点对点只是一个中性词汇,更适合用来描述系统的性质。

去中心化这种说法树立了一个无形的靶子,这个靶子可大可小,大到政府机关,小到小商小贩。

正如我们说的是 P2P 网络,而不是去中心化网络。所以在技术领域使用点对点,而不是去中心化,可以避免这种概念被过度消费,

说到了“过度消费”,我认为“去中心化”已经演变成了区块链行业对外宣传的消费概念,这是一种情怀消费,它消费了人们对强权者的不满,例如店大欺客的商家、死皮赖脸的中间商、缺乏诚信的供应商。

这些内容,你或多或少都在生活中经历过,当“去中心化”的口号响起的时候,人们终于找到了一个发泄口,强烈的共鸣放大了区块链的光环,造成了区块链能掀起一场大革新的错觉。

革新肯定是有的,但去中心化只是表象,如果我们加深层次去理解,就可以发现数字货币和数字资产带来更多的是交易效率的成倍提升。

人类的现代文明是建立在交易的基础上的,没有交易就意味着直接回到了农耕社会。所以交易效率的提升才是区块链的根本所在,那么说,区块链本来是这样看似低效的 TPS,为什么说它提高了交易效率呢?

我们先回到传统的交易模式来看一看。

交易首先是基于中心化平台的,当我们进入某个中心化平台,在这个平台内部,交易效率是提升了,但是我们回顾整个交易的生命周期,就会发现这个平台可能只是交易的一环,平台和平台之间的协作似乎并不是那么顺畅。

跨境支付便是典型的例子,市值长居 Top3 的区块链项目 Ripple 就是为了解决跨境支付的难题而产生的。

我们再来看区块链点对点的交易模式,它的 TPS 看似低效,但是它提供了全局无缝衔接的资产流转过程,这减少了整个交易生命周期的步骤,这也是区块链提升交易效率的关键所在。

所以说,虽然中心化系统能提供优秀的高性能服务,但是慢在人工审核、平台之间衔接、内部审计,平台之间的协作业务推进,想必你一定也深有体会。

技术上的去中心化

我在「深入浅出区块链」专栏提到聊 DPOS 共识机制的时候,提到过一个 TPS 的计算公式,

TPS =  (block_size*network_bandwidth*witness_performance)  /(block_time * witness_count)

其中 witness_count 记账节点的数目与准入门槛在业界的争议比较大,如果完全去中心化的话,首先就意味着记账节点没有准入门槛,记账的节点可以无限多,当然这只是一个理想环境,工程实施的可行性几乎为零。

比特币全球的全节点 1.2 万个,大大小小的挖矿节点只有几十个,常出块的只有 5 大矿池,但是比特币依然没有限制记账节点的准入门槛,以太坊也是如此。而在 EOS 中,既规定了记账节点的数目,又规定了门槛。

可以这么说,控制了记账节点的数量和准入门槛,就等于决定了区块链 TPS 的大小。

为了帮助你深层次地理解去中心化与 TPS 的关系,这时候我们再次回到之前一直提到的 CAP 定理中。

CAP 定理中,C为最终一致性,决定了出块时间的长短。A 是可用性,这个是必选的,必须要保证区块链 7*24*365 全部可用。

P 是网络分区容忍性,P 的含义在区块链上有两层,第一层是必须保证分区可容忍,也就是一旦出现因为网络分区而导致区块链分叉,必须有一种机制可以合并区块链;第二层含义是如果我们尽量避免出现网络分区,那么就可以避免 P 的出现,从而提升 C 的性能。

C 和 P 是可以相互调整的,有两种情况。

  • 情况 1,如果我们选则调整 C,也就是拉长了最终一致性的确认时间,那么对 P 的要求就会减弱,也就是网络产生分区不要紧,反正区块链有足够的时间恢复最终一致性。

  • 情况 2,如果我们选则调整 P,也就是限制较少的记账节点的数量,并且对记账节点之间的带宽提出要求,降低出现网络分区的可能性,那么对 C 的要求就会减弱,就可以降低出块时间。

情况 1 就是比特币和以太坊的典型思路,情况 2 就是 EOS 的典型思路。

区块链属于分布式系统,通过简单分析我们可以知道,区块链交易 TPS 与去中心化的具有不可调和性,任何一个号称 TPS 过万的区块链项目肯定是极其中心化的(至少技术上是的)。 所以,那些试图兼具高性能与去中心化的工作大多都是徒劳的。

各个区块链的 TPS 指标

我们接下来看看一些区块链项目的 TPS 指标。

图中 TPS 都在千笔以上的区块链项目,通过控制了记账节点的数量,牺牲了去中心化特性提升了 TPS,比如石墨烯系列的 DPOS,Ripple 的共识。

如果我们把 CAP 做一个可视化处理,就构建出来一个三角形分布,我们可以得到下图:

从图中我们可以看出,PoW、PoS 型公链偏好 AP 特性,于是 TPS 有限。联盟链以及 DPoS 型共识偏好比较均匀,可以达到可观的 TPS;传统数据中心往往不考虑 P 在第二层语义上的问题,更不考虑拜占庭容错问题,所以他们拥有更好的 TPS,但是在网络分区和出现拜占庭错误的时候,表现得不尽如人意。 这些共识机制在不同场景中可以有不同的选择,不存在适用所有场景的的共识机制。

业界的可选方案之一:Sharding 分片

好了,我们在上文讨论了 CAP 定理对区块链的影响,那么业界也还是使出了浑身解数来尽可能地提升 TPS。

目前一共有两种正在讨论的方案,分别是 Sharding 分片技术和闪电网络。闪电网络旨在解决比特币微小额支付的实时性问题,其中的算法是比特币 TPS 扩展的一种方案,这部分的详细内容我们留到比特币专题再进行讲解。

这两种方案不涉及修改共识机制。如果我们修改为 DPoS 共识机制、DAG 共识算法,也可以提升 TPS,不过不在本篇的讨论范围。DAG 共识机制我们在后续文章进行深入讨论。

分片技术是一种安装传统数据库分片的扩展,主要思路是将数据库分成多个分区(碎片)并将分区放置在不同的服务器上。

在区块链场景下,全网的节点相当于于分布式数据库中的不同服务器,这时候我们可以将交易分成不同的部分,然后每个记账节点只需要验证交易的一部分即可,而不必验证完整的交易性。

这带来的好处是就是并行化处理,记账节点之间相当于是协作关系,而不再是单纯的独立关系。

随着网络的增长,这种协作关系也可以随之扩展,这种扩展也叫做水平扩容。

分片技术有以下优势:首先是 TPS 可以从十几笔提升至少两个数量级,也就是千笔每秒,这不但对应用友好,也提升了用户体验;其次 TPS 的提升可以带来更多应用,这些应用在共识的激励下可以水平扩展区块链的性能,形成一种良性循环。

下面我介绍一下分片的两种方案:状态分片、网络分片。

第一种方案是网络分片,网络分片是我们按照网络进行分区,区域内的交易归集在一起并在区域内进行验证,这样区域内的用户可以享受低延迟高吞吐的 TPS,但是会带来跨区域分片的复杂性。我们也可以将网络分片比喻成数据库集群分区。

其次是状态分片,状态分片是在以太坊上提出的方案,状态分片目前没有确切的技术方案,尚在研究讨论阶段。我们可以简单类比数据库的分表。我们将同一张表的数据塞到不同的节点,这些节点分布在全世界各地并且没有可信的网络环境。所以状态分片是非常复杂的技术,实践的最终结果我们需要看以太坊后续的动作。

作者推荐

现在很多开发人员,面对区块链技术的感受都是:“代码都能看懂,一连起来就完全不懂。”

其实这是因为区块链虽然在技术上复杂度不算太高,但是与其他学科之间有极大的交叉,面对网上那些已经过时,甚至很容易带来误解的教程,便会一头雾水。

我作为中国首批开始接触区块链技术的人,希望接触极客时间的这个平台,提供一个可以让更多人系统性了解和学习区块链知识的专栏。

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