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第17讲 | 去中心化与区块链交易性能

第17讲 | 去中心化与区块链交易性能-极客时间

第17讲 | 去中心化与区块链交易性能

2018-05-02 陈浩 来自北京
《深入浅出区块链》
课程介绍

讲述：黄洲君

时长09:53大小4.53M

通过前面的文章我们了解了一些区块链的基本技术细节，今天这篇文章我将带你一起看看区块链争议的最大内容——去中心化与区块链交易性能。
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

我们在聊 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 X 24 X 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，如果我们选择调整 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，如果我们选择调整 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。
图中是 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。

总结

好了，今天我们再次讨论了去中心与高性能区块链的问题，因为有了前面文章的储备，这次我们更深入地讨论了去中心化的深层次逻辑，并从技术理论上重新剖析了去中心化的涵义。
接着我们还比较了各个区块链的性能指标，最后我们提到了一个提升 TPS 的备选方案。希望读完本篇可以让你对区块链去中心化和性能有更深层次的认识。
本期的问题是，还存在哪些提升 TPS 的方案呢？各有什么样的优劣？你可以给我留言，我们一起讨论。
感谢你的收听，我们下期再见。
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 写留言

精选留言(12)

  • solar
    2018-05-15
    Pow +dag 一定程度可以提交tps，代表币种：xdag.

    作者回复: 谢谢补充。

    共 2 条评论
    3
  • 宋文傑
    2019-01-11
    老师 后续没有看到你介绍DAG的 可以具体介绍一下吗

    作者回复: 好的 我后续在专栏追加一篇。已经标记

    2
  • Clancey
    2018-05-14
    1、通过增加区块的大小提高tps不能满足要求吗？ 2、未来可不可以通过提高带宽和其它物理性能来满足tps的要求？ 3、除了当今的区块链，历史上还有没有其他的技术或运动来实现去中心化的目的？结果如何？

    作者回复: 1. 区块增长过快的问题 2. 可以 3. 有，P2P网络工具。

    2
  • 徐威
    2018-05-04
    为什么说可用性上dpos和联盟链是一样的。类似bts也是稳定运行了5年啊。

    作者回复: 并没有稳定运行五年啊，刚开始都运行不了。我是说DPoS算法更接近联盟链的思路，但它提供了开放的选举，通过选举来看，它又是公链。

    2
  • 张坚
    2018-05-03
    如果dpos的节点本身就是DAC，分布自治社区，那dpos得去中心化效果是不是会更好点。eos的其中一个节点eosdac就是这样的。

    作者回复: 链上治理是一个还不太成熟的命题，后面会有讨论，谢谢关注哈。

    1
  • bailang
    2018-05-02
    是的，去中心化 不是个好词。
    1
  • A君
    2021-02-20
    在区块链里，CAP的核心是C和P，提升C的性能，减少一致性所需的时间，也就是减少出块时间，分区容忍性P就会降低，这就需要像dpos这类的共识机制通过减少挖矿节点才能实现。反之，虽然降低C的性能会让出块速度减慢，但这会带来更强的分区容忍性，即使局部网络有分区的出现也会自动同步到全网主链上。
  • 红透天边
    2020-02-25
    老师，请问从测试的角度怎么测试区块链平台的性能呢
  • 杨家荣
    2020-01-20
    极客时间第二期 21天打卡行动 15/21 <<深入浅出区块链17>>去中心化与区块链交易性能 回答老师问题: 还存在哪些提升 TPS 的方案呢？各有什么样的优劣？ off-chain 大致方案就是交易双方锁定准备金，把海量的交易打包以后上链，链上只保存交易的最终结果。通过智能合约和线下的多重签名机制，作弊方将会被罚没准备金。 闪电网络中锁定的比特币只能用在闪电网络中，只有交易通道关闭的时候才能真正成为链上承认的货币，这在理论上会出现类似银行挤兑的情况。如果大家对闪电网络失去信心，集中关闭通道，会拖垮比特币网络。但，这个似乎也不是很大的问题，只要闪电网络没有爆出什么漏洞，比如说签名算法被攻破之类的。 2.交易是在链外执行，链上无法验证提交的交易是否最新版本，虽然脚本保证了提交旧版本交易的攻击者有被罚没准备金的风险，但前提是要防御者监控网络并提交更新版本交易的证据。也就是说从原来比特币的被动防御（私钥不丢失就能保证资金安全）转变成主动防御。从这个角度看也算是降低了Security吧。这个主动防御的操作交给用户也不太现实，最终必然会衍生出一些服务公司，代替用户保存链外交易凭证，并防止作弊。某种意义上面又从“去中介化的信任”转变为需要信任中介了。这个角度看，似乎也是牺牲了Decentralization。 3.闪电网络中只有保存最终的资金状态保存，中间的交易细节全部被忽略，支持者认为是保护了用户的隐私，反对者认为是损失了交易数据。 4.因为通道需要准备金维持，不可能任意两个用户间都存在交易通道，用户之间转账可以通过中转的方法，最终很可能会有大资金形成中心化的中转节点。 [出自链接：https://www.jianshu.com/p/48faf520c42b] 今日所学: 1,TPS = (block_size * network_bandwidth * witness_performance) / (block_time * witness_count) 2,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 X 24 X 365 全部可用。 3,Sharding 分片 4,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。 5,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; 6,状态分片是在以太坊上提出的方案。
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  • 辣么大
    2019-12-12
    目前闪电网络应用如何了？请问sharding分片和闪电网络哪个胜出？
  • 小老鼠
    2019-12-10
    若我刚加入比特币，我下载整个比特币区块需要多久，若区块上产生一个新块，我同步这个块又要多久？(假设100M带宽网络)
  • 星文友
    2018-07-17
    感觉p 分区容错是必选的啊 控制记账节点数量 是提升了p吗