区块链扩容研究报告.pdf

2018 年 8 月1区块链扩容研究报告2019 年 1 月目录1. 行业综述 - 31.1 行业背景 - 31.1.1 BTC 拥堵问题 - 31.1.2 ETH 拥堵问题 - 51.2 扩容之争 - 71.2.1 扩容的争议 - 71.2.2 BTC&BCH - 81.2.3 BCH&BSV - 92. 比特币的扩容方案 - 112.1 链上扩容 - 122.1.1 扩展区块大小 - 132.1.2 小世界网络 - 142.1.3 隔离见证-Segwit - 142.2 链下扩容 - 192.2.1 闪电网络-Lighting Network - 202.2.2 根链-Rootstock - 222.2.3 Liquid Network - 253. 以太坊的扩容方案 - 283.1 分片-Sharding - 303.2 Plasma - 333.3 侧链-POA Network - 363.4 Casper - 363.5 跨链-Cosmos - 412区块链扩容研究报告2019 年 1 月3.6 状态通道-Raiden Network - 433.7 其他 - 444. 其他链的扩容方案 - 454.1 创新共识机制 - 454.2 DAG - 464.3 第 0 层扩容 - 485. 区块链可扩展性的思考 - 496. 参考文献- 507. 风险提示 - 513区块链扩容研究报告2019 年 1 月1. 行业综述可扩展性是传统分布式系统的基本特性，它是指系统、网络或进程处理越来越多的工作的能力，或者适应增长而扩展的潜力。最直观的体现在其可吞吐性从而支持大规模交易而不至于拥堵，但由于需要满足去中心化的要求以及日益增长的交易需求，区块链可扩展性的构建面临着挑战。1.1 行业背景2008 年中本聪发布白皮书比特币：一种点对点的电子现金系统开启了加密数字货币行业，那时加密货币的特点是点对点的电子现金，任何人都可以无阻碍的将一笔数字资产发送到世界的任何一个地方。2014 年，Vitalik Buterin 创造了以太坊，开启了数字货币 2.0 的时代。以太坊是一个去中心化的具有图灵完备智能合约的区块链平台，能够提供场所允许人们去搭建去中心化应用 DAPP，但是目前这两大公链的扩展性上都出现了一些问题。1.1.1 BTC 拥堵问题在比特币诞生之初，中本聪并没有刻意限制区块大小，它们在其自身数据结构的控制下最大可以达到 32MB。在当时，平均被打包的区块大小为 1-2KB，有人认为区块链上限过高容易造成计算资源的浪费，还容易发生 DDOS 攻击。因此，为了保证比特币系统的安全和稳定，中本聪决定临时将区块大小限制在 1MB。4区块链扩容研究报告2019 年 1 月1MB 的大小维持了很长一段时间，在比特币用户还没有扩张到一定程度的时候，并没有发生网络拥堵，直到 2013 年后半年，比特币价格直线飙升，用户体量越来越大，比特币网络拥堵交易及费用上升的问题才逐渐涌现出来。从比特币内存池未确认交易的历史数据来看，从 16 年比特币区块就开始产生了拥堵，至 2017 年 12 月拥堵状况达到了顶峰，内存池累计未确认交易体积达到 3亿 bytes，区块打包交易需要几天的时间，链上交易手续费有时也需要花费上千元。拥堵的区块直接影响到了用户的体验，从而导致去年比特币现金的分叉以及莱特币等竞争币的崛起。5区块链扩容研究报告2019 年 1 月即便是目前币圈进入熊市，比特币链上交易量与活跃地址大量减少的情况下，仍时不时的出现拥堵状况，就最新截取的数据来看仍然有 16000 多笔未确认交易，链上转账所需要的手续费也达到 5 元多人民币的成本。1.1.2 ETH 拥堵问题无独有偶，作为第二大公链的以太坊也从去年出现了拥堵的状况。由于其图灵完备的智能合约功能，在 2017 年带动了一波 ICO 热潮，各种基于 ETH 的代币和Dapp 如雨后春笋般被创造出来，加密猫的上线直接弄堵了以太坊网络。现在以太坊网络的未确认交易依然有 6 万多笔，在拥堵严重的时候常常会发生打包失败以及支付高额矿工费的现象，因此很多改进了可扩展性能的以 EOS 为代表的公链 3.0 也纷纷问世。6区块链扩容研究报告2019 年 1 月综上所述，如果区块链的可扩展性无法得到良好解决，那会直接影响用户的使用体验，进而导致用户流失以及竞争币的崛起。因此，致力于可扩展性的提升是很多公链技术团队的探索方向之一。7区块链扩容研究报告2019 年 1 月1.2 扩容之争当公链的发展遇到了问题，自然社区中也会产生争议。扩容与不扩容的声音自2015 年产生，直到 2017 年 8 月 1 日 BCH 分叉成功后宣告终止。在这期间，多个比特币的开发者提出了各种关于扩容的方案，包括 32M、2M、8M 以及动态调整等区块大小，直到 UASF（用户激活软分叉）方案的出台，隔离见证的激活迫使扩容派在比特大陆以及 Bitcoin ABC 开发团队的主导下分叉出了 8M 版本的比特币（现金）。1.2.1 扩容的争议如果说，当区块的打包能力无法满足不断上升的交易量的需求的时候，通过扩大区块的方式去提升区块链的承载能力是理所应当的，但 Core 开发团队还是放弃了直接主链扩容的方案。这主要是因为区块链的安全性、去中心化、可扩展性上存在着一个“不可能三角”的悖论。8区块链扩容研究报告2019 年 1 月如果一味的扩展区块大小，会提升全节点的搭建成本，从而导致节点数量减少降低去中心化的程度。而大区块的支持者则认为以现在的硬件和带宽水平，即便将区块大小扩展到能够满足交易需求的程度也不会影响用户搭建全节点的成本，而且会使比特币变得更加方便易用。1.2.2 BTC&BCH同大多数所谓的“分叉币”不同，BCH 的诞生源自于社区共识的分裂。在此以后很多原比特币的大区块支持者加入了 BCH 社区。社区分裂后，BTC 保留了 1M区块大小，通过隔离见证软分叉达到轻度的扩容效果，并且依赖闪电网络在链下进行扩容。9区块链扩容研究报告2019 年 1 月而 BCH 则是采用了 8M 区块大小的版本，并且支持 0 确认交易，能够打包更多交易的同时拥有更好的支付体验。随后在 2018 年 5 月份的硬分叉升级中，BCH区块大小升级为 32M。BTC BCH当然，BTC 与 BCH 的差别并不仅仅是区块大小，本质上来看是发展的理念。BTC致力于做价值存储的数字黄金，为了保证足够多的全节点账本，需要牺牲一部分可扩展性。而 BCH 的理念则是为了满足更多人使用的需求，做全球化的点对点数字现金。为此，它需要在满足交易的需求同时也要兼顾内存和带宽的限制。尽管 BCH 扩展了区块大小的上限，但由于 BTC 仍然是币圈最大的共识，BCH 的发展也只有一年有余，其真实区块使用大小却远未能塞满 1M。且现在处于熊市，BTC 的使用量有所下降，加上隔离见证部署率的提高一定程度上缓解了拥堵的压力，目前还没有出现去年牛市那种拥堵情况。1.2.3 BCH&BSV如果说 BCH 分叉的原因来自于区块的拥堵已经影响到了用户的使用，扩容派无