目前區(qū)塊鏈平臺(tái)最大的問(wèn)題，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的類比來(lái)說(shuō)明：二十一世紀(jì)初，互聯(lián)網(wǎng)的速度非常緩慢。當(dāng)時(shí)如果你有一個(gè)博客，用戶要訪問(wèn)它既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。人們注意到這個(gè)問(wèn)題，但同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了互聯(lián)網(wǎng)的用處。為了解決此問(wèn)題，很多人努力改進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，人們還構(gòu)建了更強(qiáng)大的硬件來(lái)運(yùn)行這些互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施。

由于這些改進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)變得更快，訪問(wèn)成本變得更低。以前，開(kāi)發(fā)人員們只能創(chuàng)建單個(gè)網(wǎng)頁(yè)。但現(xiàn)在，開(kāi)發(fā)者可以在改進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施上建立像臉譜網(wǎng)、谷歌和Twitter這樣的網(wǎng)站。所有這些都是可能的，因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)的速度和容量得到了極大提升。

區(qū)塊鏈技術(shù)也面臨著類似的問(wèn)題——緩慢而昂貴。

許多區(qū)塊鏈公司都致力于構(gòu)建可擴(kuò)容的基礎(chǔ)設(shè)施，從而使區(qū)塊鏈平臺(tái)在未來(lái)成為主流。一旦那一天到來(lái)，人們不僅可以使用區(qū)塊鏈進(jìn)行支付，還可以在其之上構(gòu)建類似于谷歌和臉書(shū)的應(yīng)用程序。

01區(qū)塊鏈和擴(kuò)容能力問(wèn)題

在解釋擴(kuò)容問(wèn)題之前，必須要先解釋吞吐量的概念。假設(shè)你在火車站等車，每趟火車間隔一小時(shí)，只能做10個(gè)人。一旦火車滿載，第十一名乘客只能等待下一趟。與這個(gè)做類比，乘客代表交易，比特幣或以太坊這樣常見(jiàn)的區(qū)塊鏈平臺(tái)每秒平均可以處理大約10次交易。

相比之下，像VISA這樣的支付公司目前平均每秒處理5000到8000次交易。任務(wù)處理的速率稱為吞吐量。與Visa等支付平臺(tái)相比，區(qū)塊鏈平臺(tái)目前的吞吐量非常低。

現(xiàn)在假設(shè)你在同一個(gè)火車站，但這次還有另外一百人個(gè)想坐這列火車。火車來(lái)了，售票員看了看人群，說(shuō)：“付錢最多的10個(gè)人可以上火車。”你因?yàn)橼s時(shí)間，所以你就付了一大筆錢買票上火車。

由于區(qū)塊鏈平臺(tái)的吞吐量低，交易費(fèi)用不斷上升。例如，一筆10美元的交易在擁擠的區(qū)塊鏈平臺(tái)上很可能需要支付2美元的交易費(fèi)用。因此，緩慢和高成本是互聯(lián)網(wǎng)上的主流交易往區(qū)塊鏈平臺(tái)上遷移的巨大障礙。

02提升擴(kuò)容能力

為了提升區(qū)塊鏈平臺(tái)的主流接受度，這些平臺(tái)需要進(jìn)行擴(kuò)容。區(qū)塊鏈公司們?yōu)榇颂岢隽藥追N解決方案。

2.1增加區(qū)塊大小

第一種最直接的方法是增加區(qū)塊大小。回到火車類比，這意味著將火車的容量從10人增加到20人。這樣，火車就可以在特定時(shí)間內(nèi)運(yùn)送更多的乘客，減少車站的擁擠。

比特幣當(dāng)前的區(qū)塊大小1MB，提高到2MB可以使其每秒處理量增加一倍。區(qū)塊越大，每秒處理量就越高。

但這在實(shí)踐中是有問(wèn)題的，假設(shè)你將塊大小從1MB增加到1GB，當(dāng)你創(chuàng)建塊時(shí)，必須將其傳送給網(wǎng)絡(luò)中的其他人，而網(wǎng)絡(luò)無(wú)法快速處理龐大的文件。就像你使用電子郵件，當(dāng)你上傳一個(gè)大文件時(shí)，郵箱會(huì)不接受。這就是增加區(qū)塊大小的毛病，不能超越某個(gè)臨界點(diǎn)，所以這種解決方案的能力是有限的。

2.2鏈下解決方案

第二種可能性是鏈下解決方案，比如比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)，以太坊的雷電網(wǎng)絡(luò)，和Neo的本體網(wǎng)絡(luò)。

在當(dāng)前的情況下，每次交易處理，都必須得到網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證。（節(jié)點(diǎn)是運(yùn)行算法并處理交易的計(jì)算機(jī)。

例如，你想在一個(gè)月時(shí)間里每天從一個(gè)特定的咖啡店買一杯咖啡，咖啡的價(jià)格是1美元，但在網(wǎng)絡(luò)上每天交易1美元是非常昂貴的，你不想為1美元的交易而擁擠整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此你和咖啡館老板簽了一個(gè)合同。合同規(guī)定，你每天都要付象征1美元的通證作為咖啡費(fèi)。你向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一筆交易來(lái)標(biāo)記合同的開(kāi)始，30天后再發(fā)送一筆交易來(lái)標(biāo)志該合同的結(jié)束，合同結(jié)束后，咖啡館老板可以在網(wǎng)絡(luò)上把這30個(gè)通證交換為30美元。

因?yàn)檫@些是在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之外發(fā)生的私人協(xié)議，所以它們被稱為鏈下解決方案。這種交易系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，整個(gè)過(guò)程都集中在托管這些鏈下交易的服務(wù)器上，這些鏈下網(wǎng)絡(luò)也是黑箱，其透明性和安全性是值得懷疑的。

2.3代理共識(shí)協(xié)議

目前區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的處理速度是非常慢的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須參與處理。如果網(wǎng)絡(luò)中有一千個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么一千個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須參與處理網(wǎng)絡(luò)中的每筆交易。

如果一個(gè)社區(qū)里有1000個(gè)人，每個(gè)人都必須達(dá)成一致，過(guò)程不僅漫長(zhǎng)，而且會(huì)非?；靵y。相反，如果你從社區(qū)中選出10名代表，任命他們?yōu)樯鐓^(qū)的管理員，讓這10個(gè)人投票，達(dá)成共識(shí)會(huì)更快和更容易。

類似的，您可以委托一組節(jié)點(diǎn)來(lái)運(yùn)行協(xié)議并在事務(wù)上達(dá)成一致，代理節(jié)點(diǎn)的共識(shí)將代表社區(qū)的共識(shí)。

大多數(shù)可擴(kuò)容的區(qū)塊鏈項(xiàng)目都采用這種協(xié)議。為了進(jìn)入治理聯(lián)盟，社區(qū)成員必須登記興趣并通過(guò)測(cè)試（稱為權(quán)益證明或權(quán)威證明）。如果他們成功通過(guò)，將被授予加入治理聯(lián)盟的權(quán)證并運(yùn)行共識(shí)協(xié)議。

2.4分片技術(shù)

分片技術(shù)是一種把網(wǎng)絡(luò)分割成碎片的鏈上擴(kuò)容方案，但分片不是數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中的新概念。分片技術(shù)將大型數(shù)據(jù)庫(kù)分成更小、更快、更易于管理的部分，稱為數(shù)據(jù)碎片。

為了展示它的工作原理，現(xiàn)在假設(shè)你有一個(gè)包含五個(gè)步驟的問(wèn)題。

想象你在一個(gè)班級(jí)里有10個(gè)學(xué)生可以幫你這個(gè)問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題可以分成5個(gè)并行的步驟。于是你把班級(jí)分成5組，每組兩人，每組解決一個(gè)子任務(wù)。

一旦有小組完成了它的子任務(wù)，就會(huì)把信息傳遞給老師了，老師就會(huì)匯總五個(gè)組的所有答案，并將完整的答案?jìng)鬟f給所有的組。這樣，即使各個(gè)小組專注于他們的子任務(wù)時(shí)，并不知道其它組在做什么，但最終所有的參與者都會(huì)得到答案。

在這個(gè)例子中，學(xué)生是網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)。班級(jí)就是網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)，而小組則是分片。老師則代表了目錄服務(wù)委員會(huì)（DS），而它本身就是一個(gè)分片。

如果把比特幣網(wǎng)絡(luò)比作一個(gè)教室，學(xué)生們必須自己解決每一步的問(wèn)題，這要花費(fèi)長(zhǎng)得多的時(shí)間，而且每個(gè)參與者的負(fù)擔(dān)也要大得多。

但是使用網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)，如果你有10000個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)工作量證明過(guò)程，它們將被隨機(jī)分為10組，每個(gè)組被稱為一個(gè)分片。每個(gè)分片處理一組不同的數(shù)據(jù)，并得出小組內(nèi)一致同意的答案。然后，各分片將這些數(shù)據(jù)的摘要報(bào)告提交給一個(gè)名為目錄服務(wù)委員會(huì)的分片，由它來(lái)統(tǒng)籌不同分片的數(shù)據(jù)摘要，并將它們組合起來(lái)形成一個(gè)更大的數(shù)據(jù)集，稱為最終區(qū)塊，最終區(qū)塊的數(shù)據(jù)又會(huì)被返回所有分片。

從上面的分析可以看到，分片技術(shù)是一種去中心化的、安全的鏈上擴(kuò)容方案，具有線性的擴(kuò)容能力——也就是說(shuō)，節(jié)點(diǎn)越多，得到的吞吐量就越大。

分片技術(shù)有兩種類型：網(wǎng)絡(luò)分片和狀態(tài)分片，以太坊正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)是狀態(tài)分片。兩種技術(shù)的不同之處在于，在網(wǎng)絡(luò)分片中，不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須處理每條信息，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中其它分片的信息；如果使用狀態(tài)分片，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只存儲(chǔ)它們自己處理過(guò)的信息子集，雖然這減少了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，但分片之間的互通會(huì)變得復(fù)雜。

03分片技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和部署的復(fù)雜性

部署一個(gè)簡(jiǎn)單版本的分片很容易，但是要正確且安全地運(yùn)行很難，這就是為什么現(xiàn)在很少的團(tuán)隊(duì)研究它。與最簡(jiǎn)單的解決方案相比較，增加區(qū)塊容量只需調(diào)整一個(gè)參數(shù)——區(qū)塊大小，然后吞吐量就增加了。但是當(dāng)引入分片技術(shù)時(shí)，需要考慮的事情就非常多。

如何合理地劃分小組成員？如何分配任務(wù)？所有這些都給系統(tǒng)帶來(lái)了復(fù)雜性。但如果做得正確，系統(tǒng)將是分布式的、安全的，并且有線性的擴(kuò)容能力。

04寬帶和存儲(chǔ)容量是所有擴(kuò)容方案的通病

對(duì)于比特幣和以太坊這些的區(qū)塊鏈平臺(tái)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題還不嚴(yán)重，因?yàn)樗鼈兊耐掏铝亢艿?。比特幣和以太坊每秒處?0筆交易，按目前的速度，一年內(nèi)的所有交易數(shù)據(jù)將達(dá)到幾GB。

但是，當(dāng)我們每天處理數(shù)億筆交易時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)爆棚。為了存儲(chǔ)所有這些數(shù)據(jù)，我們必須找到更好的存儲(chǔ)解決方案，這不是網(wǎng)絡(luò)分片可以直接解決的。