破解“不可能三角”：区块链扩容方案都有哪些？（Layer 1部分）

2021-11-25, 08:53

【TL; DR】

1. 区块链难以同时实现扩展性（Scalability）、去中心化（Decentralization）、安全（Security），往往三者只能得其二。

2. 扩块可以说是提高比特币TPS的最直观方案，但是效果有限。过度依靠扩块会降低系统的安全性和去中心化程度。

3. 隔离见证通过把脚本签名从交易信息中分离出来，增加了区块中所能包含的交易数目，从而提高了TPS。

4. DPoS通过选举少量高性能的超级节点进行记账，在牺牲去中心化程度的条件下实现了较高性能。

5. PoH机制通过将区块链上的时间与区块链自身的状态“解耦”，提供全局可用的网络时钟获得较高性能。

在前文《区块链入门必读：什么是Layer 0、Layer 1和Layer 2》中，我们介绍了区块链系统的六层架构，紧接着又介绍了区块链扩容问题中所经常提及的Layer 0/1/2。自2013年扩容问题得到公开讨论以来，开发者已经提出了诸多区块链扩容方案，这些方案有的早已被业界舍弃，有的仍在发光发热。在本文中，我们将首先对几种较为重要的Layer 1扩容方案进行简单梳理。

在讨论诸多Layer 1扩容方案之前，我们首先要了解什么叫做区块链领域的”不可能三角“。在传统金融领域，一国无法同时实现货币政策的独立性、汇率稳定性和资本自由流动性，这被称为”蒙代尔不可能三角“。而对于区块链来说，诸多实践经验同样表明，扩展性（Scalability）、去中心化（Decentralization）、安全（Security），三者只能得其二。按下葫芦浮起瓢，一旦把重点放在了解决某两个问题上，另一个问题便会接踵而至。比如比特币，具有理论上无限的去中心化程度，也具有极好的安全性，但比特币却在可拓展性上却表现不佳，TPS仅在10左右。”不可能三角“的概念，会在我们接下来的讨论中反复提及。

拿比特币来说，TPS（每秒交易量）= 每区块包含交易数 / 出块时间

每区块包含交易数 = 区块大小 / 每笔交易所占空间。

整个比特币网络大概10分钟出块1次，每个区块空间为1Mb。拿交易的平均大小为0.25kb计算，一个区块约包含4000条交易信息，这样计算比特币的TPS约为7=1024kb/(600s*0.25kb)。根据公式 TPS = 区块大小 / (出块时间 * 每笔交易所占空间) ，提高区块大小，减少出块时间，压缩交易所占空间就都是提高比特币TPS的直接思路。但受到物理世界信息传输速度的限制，减少出块时间将会大大降低系统的安全性，我们主要考虑另外两种思路。

01/ 扩块

扩块可以说是提高比特币TPS的最直观方案，但针对扩块却使得比特币发生了两次重大的分叉。2017年8月，部分支持扩块升级的矿工集结算力，对比特币进行了分叉，产生了BCH（Bitcoin Cash），并将比特币区块大小提升到了8Mb。到了2018年11月，BCH社群中的激进成员又分叉出BCHSV，支持所谓”超大区块“乃至”无上限区块“扩容方案。

但最为扩容方案来说，简单加大区块容量存在诸多问题。随着单一区块大小的增加，单一节点的硬件负担也会显著提升，许多无力负担相关硬件的节点将会逐渐退出网络。此外，区块大小增加而节点间数据传输速度、节点数据处理难以增加，这将使得比特币系统的安全性、稳定性遭到威胁。因此，大区块的扩容方案实际上是以去中心化和安全性为代价的。

02/隔离见证

在比特币设计之初，中本聪将包含交易的区块大小限制在了1Mb，其中交易数据既包含相关交易基本信息，还包含交易参与者的签名信息。而隔离见证技术，则是通过把脚本签名从交易信息中分离出来，集中存放在区块头中，在不违背区块审核规定的情况下，变相将区块中所能包含的交易数目增加了约40%。

反映在比特币地址上，以3或bc等字符开头的是支持Segwit的钱包地址，以数字1开头的地址则是老地址。在Blockchain.com上查询近期的比特币出块信息，可以发现大多数区块都使用了Segwit技术。也由于此，这些区块的实际大小超过了1Mb。

近期，比特币还在隔离见证基础上，进一步推动了Taproot升级，具体参见博客文章：
影响将来五年比特币生态？深入解读比特币Taproot升级

03/新型共识机制

Layer 1对应六层模型中的数据层、网络层、共识层、激励层，前文所提及的扩块和隔离见证主要设计数据层，而共识层的改进也是提高区块链可拓展性的一种方案。以比特币所使用的PoW机制为例，该机制使得比特币网络的攻击者需要付出极大代价，既需要控制超过51%的算力，又需要花费足够长的时间。但由于系统中每个节点都参与记账权争夺，交易的确认速度往往十分缓慢。

而2017年的EOS一上线便有超过3000的TPS，这得益于他们基于PoS机制创新的DPoS机制。在DPoS（Delegated Proof of Stake）机制中，只有21个性能强大的超级节点具有出块权限，因此系统的验证速度极快。超级节点的选举模仿现实世界的代议民主制，以一币一票的链上投票方式选举而来。但这种机制对于超级节点的性能具有近乎苛刻的要求，同时无疑牺牲了系统的去中心化程度和安全性。

DPoS机制还启发了诸如波卡所采用的NPoS（提名权益证明）机制在内的多种新型共识机制，这些新型机制的原理也与DPoS类似。

04/其他链上创新

除了上述扩容方案外，还有一些项目在区块链协议的其他方面进行了优化，从而获得了巨大的扩展性。其中最典型的例子便是今年异军突起的新一代公链Solana，该链每秒可以处理 60,000+笔交易（TPS）。Solana设计上的巧妙之处在于，通过独创的PoH（历史证明机制）将区块链状态与区块链上的时间进行了分离。PoH并非是一种证明机制，而是一个区块链全局可用的网络时钟。PoH将区块链上的时间与区块链自身的状态“解耦”，区块链上的各个节点不需要等待全局状态的更新，而可以自行生成本地时间戳。但Solana也有一些问题，如本身不支持以太坊虚拟机，生态建设较为缓慢。

关于Solana PoH机制的具体分析，参见我们的博客文章：
SOL暴涨五倍背后：解读Solana创新要素及其生态

结语

归根结底，Layer 1扩容方案只是在一条主链上做文章，发挥空间有限。尤其是对于以太坊这样已经生长出巨型生态系统的公链来说，采用Layer 1扩容方案更是面临更多问题。
在10月26日的第七届全球区块链峰会上，Vitalik作了题为《通往以Layer2为中心的以太坊之路》的演讲，称Layer 2为以太坊扩展的未来。那么Layer 2扩容方案有哪些，侧链、Rollup这些技术名词又指什么呢？我们将在之后的文章中为您介绍。

作者：Gate.io 研究员 Ashley.H
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