區塊鏈的擴展性:當前的挑戰、解決方案、共識機制

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區塊鍊和分散技術相關領域在這個完美的時機點出現,為人類提供了巨大的機會去做出改變。原先我們寄託信任的機構變得越來越強大,權力的無限膨脹下,使得他們要不知不覺得利用普通人成了一件相當容易的事情,如 Facebook 前陣子爆出的監視,更不用說中共政府那明目張膽的監控機制。

幸運的是,區塊鏈、密碼學、分佈式系統的出現,使得我們擁有了抵消這種極端的權力整合。它們是一種防禦技術,使多數人能夠抵抗少數掌權者。且加密貨幣和分散的應用程序幾乎不可能關閉,一旦上鏈就儲存於區塊之中而不受到竄改,且智能合約是開始運作就會無止盡的跑下去,如果發生錯誤,只能重新設計一個新的來做代替。

當前挑戰

從根本上說起,區塊鏈是一種與時間掛鉤的「分佈式分類賬」。網絡中的每個礦工也就是所謂的節點都保留了分類帳的副本,從而降低了網絡中任何個人或組織的損壞風險。

而分佈式帳本這個機制的折衷條件是,由於每個節點都必須保留分類帳的副本,因此這對系統的「吞吐量」造成了巨大的限制。前面提到了區塊鏈的特性,基本上系統只能像任何一台計算機一樣,遵循程序快速地處理事務。因此,這造成了擴展性的問題,簡單來說,每個節點所管理的帳本儲存空間不夠了。

以比特幣來做舉例,從 2017 年開始這個問題就漸漸浮出水面,原先設定好的 1 MB 已經不堪使用,這也導致了交易速度的緩慢,根據統計一秒只能完成七筆交易,這個速度明顯不符合比特幣的理念—成為全球人人互相使用交易的貨幣。

我可以看到下圖的交易速度比較,比特幣被排到了最後,而以太坊是倒數第二。VISA 則是快了好幾倍的速度在交易著。

來源:HowMuch.net

爭論的產生

這個瓶頸引發了一些關於擴展的爭論,而社區則分成了兩個不同的觀點:

  • 一個陣營希望將重點放在擴展鏈上,這意味著他們希望增加塊大小的限制。這將可以在短期內緩解手續費用壓力,但只能提供線性改善,不足以實現全球全面採用,因為增加區塊大小會牽涉到所有節點對整個網路的安全性議題,牽扯的範圍之廣十分複雜。
  • 另一個陣營則希望通過在更高層上構建附加協議來專注於指數的縮放。每個分層協議都將受益於比特幣區塊鏈的安全性,同時在「鏈外」添加功能。以現有的機制作為參考,這種分層方法就是我們當前的互聯網的構建方式。

解決方案

而比特幣社區明顯是將重心放在「多層解決方案」上,而不是擴展原有的區塊大小。目前主要脫鏈擴展解決方案是 Lightning Network,它可以提供比特幣大幅增加吞吐量所需,縮短交易時間並做到流通量的增加。但如果閃電網路真的成功並在主鏈上使用,這代表著許多連結比特幣的側鏈都必須做出修改,如 Schnorr signaturesLiquid sidechains…等等。

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另一種是隔離見證 SegWit,並不是在原先的鏈上做擴容,而是在額外新的數據結構中讓礦工們驗證這個新的數據結構里的腳本 (scriptsig) 簽名,以確保交易是有效的,如此便能將容量擴容到 2MB。隔離見證的介紹將會在之後的新手幣看出現,敬請期待!

代替的共識算法

儘管看似比特幣的問題有了解決方法,但這並不意味著我們應該放棄對更具可擴展性的區塊鏈架構的研究。這個產業還太年輕,我們應該假設更多的問題會產生。

目前現有的工作證明相當不錯,但我們仍然需要替代品,比特幣使用工作量證明 ( PoW )在網絡中形成共識。事實證明這對比特幣來說非常安全,但它也非常耗費資源。我們應該專注於開發具有不同權衡的其他共識機制,以支持不同的用例,例如投票、社交、機器對機器經濟和供應鏈來源,而不是創建更多的 PoW 區塊鏈。

一種可行的共識機制是委託股權證明( delegated proof-of-stake ),簡稱 DPoS ,這是由Daniel Larimer 所發明的基於「存款的股權證明」,並使用基於實時投票和社會系統的一致性算法

另一種是拜占庭容錯 ( Byzantine fault tolerance ),簡稱 pBFT,是由 Barbara Liskov 和 Miguel Castro 在 1999 年開發,這個共識機制能在惡意節點試圖將錯誤數據傳播給其他同行中,還是能夠明白無誤地達成共識。

問題疑慮

第一個 DPoS,用戶在其中對少數維護分類賬的代表進行投票。您可以將其視為代議制民主。活動節點的減少意味著網絡可以增加其吞吐量。每個節點都通過通貨膨脹獲得報酬,並且可以證明運行大型數據中心以支持網絡是正確的。

但這同時是缺點,網路將變得更加的集中,這限制了區塊鏈具有審查能力,開放性和無邊界性的能力。DPoS 特別容易被寡頭集團收購。惡意寡頭集團可以購買投票以確保其保持權力並可能改變網絡規則。拿 EOS 來舉例,目前 EOS 區塊鏈集中在少數代幣持有者的手中,聲稱採用11個所謂的「Block Producer」來控制大多數 EOS 網絡。

第二個 pBFT 系統中的節點輪流以循環格式驗證狀態。雖然 pBFT 在技術上並不算是區塊鏈,但它執行許多相同的功能。與 PoW 區塊鏈相比,這可以實現更高的吞吐量和更低的資源消耗。但 pBFT 相當容易受到攻擊,因為在網絡上創建新節點是相對容易的。惡意行為者可以創建足夠的節點來達到網絡的33%,在這種情況下,他們可以成功攻擊鏈。

相對來說,PoW 的 50% 機制更來的安全許多。

結論

每套共識機制都有自己的一套權衡取捨,且每個技術項目所要解決的問題也不同,為了完美的分散所有內容,我們需要更多新穎的方法來保護這些分散的網絡。

目前待進步的空間還相當大,要真正的改變這個社會也還有一段距離,但有一件事是肯定的:區塊鏈為我們帶來了急需的透明度。公共分類賬能夠照亮我們社會的黑暗角落。希望這將會導致權力的分散,並為所有人建立一個更健全的社會。

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