区块链扩展技术现状与展望

近年来, 区块链技术引起广泛关注, 其作为一种分布式账本技术, 由于具备开放性、透明性和不可篡改性, 已经被应用到诸多领域. 但随着用户数量和访问需求的大幅增加, 现有区块链体系结构可扩展性不足导致的性能 瓶颈, 制约了区块链技术的应用和推广, 如何解决可扩展性问题已成为学术界和工业界关注的热点. 对已有的区块 链扩展方案进行分析和总结. 首先, 介绍区块链基本概念和可扩展性问题的由来, 定义可扩展性问题并提出衡量可 扩展性的指标. 其次, 给出分类框架, 将现有方案按网络扩展、链上扩展、链下扩展 3 大类进行介绍, 通过对不同 的区块链可扩展性方案进行分析, 比较各自的技术特点并归纳优缺点. 最后, 对亟待解决的开放性问题进行讨论, 展望区块链技术未来趋势.

区块链技术起源于 2008 年中本聪提出的比特币[1] , 是一种不需要依赖任何可信第三方的分布式账本. 区块链 技术自诞生以来发展十分迅速, 由于具有公开透明、非中心化、不可篡改等特性, 区块链已经被广泛应用到各行各业, 包括医疗健康[2]、金融行业[1,3]、政府部门[4]、人工智能[5]以及物联网[6,7]等. 即使区块链拥有很多优秀的特 性, 但是当用户数量和访问需求大幅增加时, 当前的区块链系统难以达到和传统中心化系统一样的效率. 目前主流 的公有链如比特币[1]产生一个区块的平均间隔为 10 min, 理论上每秒最多只能处理 7 笔交易, 以太坊支持大约每 秒 25 笔交易[8] . 主流的联盟链 HyperLedger Fabric[9]每秒最多可处理约 1 500 笔交易. 已有区块链系统的性能和 Visa 卡几万的吞吐量以及支付宝几十万的吞吐量相差甚远. 区块链系统的性能难以满足许多业务场景的实际应用 需求, 尤其是需要高频交易的场景. 例如现实生活中双十一网络购物这种高频交易场景, 大型云服务器数据在区块 链上安全存储, 区块链需要有能力存储庞大数据流等场景都要求对区块链进行扩展. 其本质上是区块链可扩展性 不足而导致的性能瓶颈问题. 如何增强区块链的可扩展性是提高区块链性能的关键, 也是当前区块链领域最为重 要的研究方向之一. 虽然, 当前部分文献对区块链的性能提升方案进行了综述, 但是按照区块链的 6 层结构来看, 已有工作对可扩 展性的分析都不够全面. 文献 [10] 进行了大量的调研, 但多集中于合约层和应用层, 主要关注侧链技术. 文献 [11] 比较了大量链上和链下扩容方案, 文献 [12] 则关注共识层的相关协议的比较以及网络传输效率相关的方案. 文献 [13] 的分析涉及数据层和共识层等, 对比特币、以太坊和有向无环图结构的方案进行性能比较, 但是其调研的文献数 量较少, 文献 [14] 梳理当下主流区块链扩容技术, 对扩容技术方案进行了详细清晰的分类, 该工作侧重于整体层 面研究, 对每一类共识机制的介绍过于简单. 区块链可扩展性涉及体系结构设计, 仅对部分层的分析显然是不够 的. 由于仅关注于某一类问题, 已有的综述对可扩展性的定义不完备, 无法给出通用的分类方法. 并且, 已有工作没 有统一的衡量标准来对多个层次的可扩展性方案进行比较. 本文从区块链的体系结构出发, 全面调研了可以提升区块链可扩展性的多种方案, 旨在通过分析各种技术方 向的优缺点以进一步剖析区块链的可扩展性问题. 本文基于体系结构, 从网络层、链上层、链下层这 3 个层面更 广泛地定义区块链可扩展性问题, 并将已有方案分为网络层方案、链上层方案、链下层方案这 3 种类型. 在这 3 种类型内又进一步细化归纳, 分析比较各个方案的特点. 此外, 本文展开了开放性问题, 宏观讨论现有工作的不足 以及未来的研究方向. 本文的主要贡献如下.

● 从网络层、链上层、链下层这 3 个方面更充分地定义可扩展性, 提出可以衡量可扩展性的通用指标. ● 提出对可扩展性方案通用的分类框架, 将现有方案分为提升底层区块链网络性能网络扩展, 优化区块链自 身属性的链上扩展, 扩充区块链功能的链下扩展这 3 大类型. ● 总结各类可扩展性解决方案的特点, 并进行分析对比. 并对区块链可扩展性的未来研究方向进行开放性讨论. 本文第 1 节解释区块链的一些基本概念和术语. 第 2 节定义可扩展性问题并提取通用的衡量指标. 第 3 节给 出可扩展性通用分类框架, 并对每一类技术方案进行分析对比. 第 4 节汇总比较可扩展性技术, 并进行更宏观的开 放性问题讨论.