區(qū)塊鏈憑借安全可信、分布式、難篡改等特點被廣泛關注，隨著區(qū)塊鏈技術的快速發(fā)展和實踐應用，其數(shù)據(jù)存儲代價大、性能低、網(wǎng)絡延遲高等問題逐步凸顯。因此區(qū)塊鏈作為一種可信數(shù)據(jù)管理機制，亟需解決可擴展和性能問題，包括比特幣、以太坊等主要區(qū)塊鏈社區(qū)、開發(fā)團隊等紛紛開始區(qū)塊鏈擴容方案的研究。

一、為什么擴容——區(qū)塊鏈擴容的需求分析

區(qū)塊鏈容量問題天然存在，隨著節(jié)點和交易量增多日益加劇。自中本聰發(fā)明比特幣以來，比特幣節(jié)點數(shù)量暴漲，鏈上的交易量劇增。比特幣網(wǎng)絡中的交易需經(jīng)礦工打包成區(qū)塊后廣播給其他節(jié)點，由于比特幣區(qū)塊大小1M的限制，單個區(qū)塊只能容納有限的交易事務，據(jù)統(tǒng)計，單個區(qū)塊實際容納的交易數(shù)約為1700多，區(qū)塊每隔10分鐘打包確認，因此比特幣交易速度約為每秒3筆。而市場上常用的支付手段如VISA平均每秒處理5000到8000次交易，支付寶處理交易的峰值可達每秒近10萬筆交易。比特幣緩慢的交易導致網(wǎng)絡中待確認的交易越來越多，造成網(wǎng)絡堵塞。

區(qū)塊鏈擴容需求廣泛存在，各界都在研究區(qū)塊鏈擴容方案。比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中用戶為加快交易速度，必須增加交易的手續(xù)費使礦工優(yōu)先處理交易。大量的交易手續(xù)費和嚴重的交易延遲限制比特幣的發(fā)展，這也是整個區(qū)塊鏈技術發(fā)展面臨的問題。以太坊創(chuàng)始人維塔利克·布特林在以太坊說明文件中提到區(qū)塊鏈系統(tǒng)在“去中心化”、“可擴展性”和“安全”三方面中只能完美解決兩點，即“去中心化”和“安全”。但隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴展，區(qū)塊鏈系統(tǒng)必須考慮“可擴展性”問題的解決方案。比特幣核心開發(fā)團隊提出如BIP101、隔離見證等多種擴容方案；比特幣新礦池ViaBTC部署B(yǎng)itcoin Unlimited擴容方案，并得到澳大利亞計算機科學家萊特支持；中科院袁勇團隊研究并提出平行擴容方案；康奈爾大學提出比特幣擴容方案Bitcoin-NG；金融密碼與數(shù)據(jù)安全國際學術會議上討論比特幣擴容方案；以太坊也提出分片、狀態(tài)通道、Plasma等擴容方案。

區(qū)塊鏈擴容方案實現(xiàn)復雜，是一個復雜的關聯(lián)性問題。在互聯(lián)網(wǎng)時代，應用軟件都是通過更新迭代的方式升級，來滿足用戶量日益增多和服務升級的需求。對應用軟件來說，軟件升級相對容易，系統(tǒng)升級通過更新升級服務器就能達到目的，性能低下通過增加服務器來支撐龐大的交易，但在區(qū)塊鏈場景中擴展升級十分復雜。區(qū)塊鏈基于分布式的架構，具有眾多節(jié)點，每個節(jié)點都部署服務和存儲數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈升級需要每個節(jié)點都升級本地系統(tǒng)才能完成整個區(qū)塊鏈的升級。區(qū)塊鏈升級需修改底層源代碼，新舊版本的存在會使得區(qū)塊鏈中打包出來的區(qū)塊存在兩個不同版本，各節(jié)點和礦池也會選擇所支持的版本，進而導致硬分叉為兩條鏈甚至多條鏈，違背原本去中心化共識的思想。

 二、如何擴容——區(qū)塊鏈擴容的技術方案

目前區(qū)塊鏈擴容方案主要有包括鏈內(nèi)擴展技術和鏈外擴展技術，也稱作第一層擴容技術和第二層擴容技術。

圖1  區(qū)塊鏈擴容技術方案

1. 鏈內(nèi)擴展技術

鏈內(nèi)擴展技術主要是基于對區(qū)塊鏈自身進行改進，主要包括區(qū)塊擴容和隔離見證。

（1）區(qū)塊擴容：是一種最直接的擴容方式，即增加區(qū)塊大小，如將比特幣當前區(qū)塊大小從1MB擴展到2MB，區(qū)塊大小的擴展可以使每秒交易處理增加。理論上，區(qū)塊容量越大，交易處理速度就越快，但在實踐中，若塊容量太大，礦工打包塊的速度會變慢，區(qū)塊在網(wǎng)絡傳輸過程中因網(wǎng)絡無法對大文件進行快速傳輸，又會出現(xiàn)新的問題，因此直接對區(qū)塊大小進行擴容的方案是有限度的。2017年8月，比特幣硬分叉為比特幣（BTC）和比特幣現(xiàn)金（BCC），BCC實現(xiàn)區(qū)塊大小從1MB到8MB的擴容。

（2）隔離見證：字面意思就是將見證的內(nèi)容隔離開來。區(qū)塊中存儲的是交易數(shù)據(jù)，隔離見證通過縮小交易數(shù)據(jù)的尺寸，使每個區(qū)塊可容納更多的交易來達到擴容的目的。比特幣交易是發(fā)起者通過簽署UTXO（未花費交易輸出，類似于支票）并填寫接受者地址而建立的，這個過程就是“見證”。為保證交易事務唯一性，比特幣對每條交易事務數(shù)據(jù)進行哈希計算得到交易事務ID。交易事務中的關鍵數(shù)據(jù)包括簽名、接收方和交易金額，其中簽名占據(jù)了大量存儲空間，而該簽名信息的作用是由礦工見證交易數(shù)據(jù)來源的合法性，普通節(jié)點并不驗證簽名信息，因此簽名數(shù)據(jù)部分就可被隔離存儲到其他區(qū)域，節(jié)省了區(qū)塊的存儲空間，也就實現(xiàn)了隔離見證。2017年5月萊特幣通過用戶激活軟分叉方案，繞過礦工和礦池的支持，完成了隔離見證。

（3）分片技術：是將網(wǎng)絡中的節(jié)點分成不同碎片，各分片處理不同交易數(shù)據(jù)，每個片區(qū)內(nèi)部共同處理同一交易事件，網(wǎng)絡中可并行處理交易大大提高網(wǎng)絡并發(fā)量。為了實現(xiàn)節(jié)點隨機分配和片區(qū)驗證者分配，需再建立一條單獨的區(qū)塊鏈（以太坊2.0中稱為信標鏈），負責執(zhí)行維護整個網(wǎng)絡所需的操作。這種方式即為二次方分片，是通過網(wǎng)絡雙層設計增加交易量。具體地，將以太坊網(wǎng)絡上的節(jié)點分成100片，分片系統(tǒng)由主鏈上發(fā)布的校驗器管理合約（VMC）進行維護，每個片區(qū)都是獨立存在的，當以太坊中有交易時，只選擇其中一個分片處理，如果網(wǎng)絡內(nèi)有M件事務待處理，現(xiàn)在每個節(jié)點只需要處理M/100件即可，之后這些打包的子區(qū)塊的數(shù)據(jù)組成一個主鏈上的區(qū)塊，相當于主鏈區(qū)塊容量擴大了100倍。目前以太坊2.0信標鏈還未正式上線發(fā)布。另外EOS采用的DPOS共識機制中只有部分節(jié)點參與造塊，而且沒有挖礦競爭，更注重擴展性，和以太坊的分片技術異曲同工。

2. 鏈外擴展技術

改進區(qū)塊鏈本身的鏈上擴展技術有很多局限性，因此在鏈外使用技術手段進行擴容的方案逐步出臺，鏈外擴展技術主要包括側(cè)鏈技術、閃電網(wǎng)絡和多鏈擴展。

（1）側(cè)鏈技術：是在區(qū)塊鏈的主鏈之外引入側(cè)鏈，在側(cè)鏈上完成數(shù)據(jù)（價值）分流。側(cè)鏈協(xié)議可以實現(xiàn)多個區(qū)塊鏈之間的交易和價值轉(zhuǎn)移，側(cè)鏈是相對于主鏈而言的，多個可以實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)移的區(qū)塊鏈之間可以互為側(cè)鏈。側(cè)鏈技術實現(xiàn)區(qū)塊鏈擴展是采用雙向錨定的思想，在主鏈上凍結一定價值的資產(chǎn)，由礦工確認凍結的資產(chǎn)在側(cè)鏈上的對等價值，兌換后用戶在側(cè)鏈上使用對等價值的資產(chǎn)。側(cè)鏈有兩種實現(xiàn)方式，一種是單一托管，即將主鏈上的資產(chǎn)發(fā)送到一個單一托管的機構控制并凍結資產(chǎn)，然后在側(cè)鏈上激活，這種實現(xiàn)方式是中心化的，存在安全風險；另一種是多重簽名，主鏈上凍結的資產(chǎn)通過多重簽名的地址控制，資產(chǎn)交易消息需要經(jīng)過多方的簽名才有效合法，大大提高了安全性。側(cè)鏈技術可以實現(xiàn)完全不同架構、技術和共識的區(qū)塊鏈間交易，是一種解決區(qū)塊鏈擴容的較理想方案。

（2）閃電網(wǎng)絡：是一個點對點的對等網(wǎng)絡，完全去中心化的數(shù)字貨幣微支付系統(tǒng)。閃電網(wǎng)絡在區(qū)塊鏈外開辟一個基于買賣雙方的獨立雙向支付通道，通道創(chuàng)建初期記錄一個原始資金分配方案保存雙方的初始資金，交易記錄經(jīng)雙方簽名更新在資產(chǎn)分配方案中。在鏈下的支付通道中可以發(fā)生一次或多次交易，這些交易在支付通道關閉之前都只在閃電網(wǎng)絡的資產(chǎn)分配方案中更新，不會在鏈上共識，直到交易結束后將最終余額分配結果更新到鏈上共識。頻繁交易記錄在鏈下進行大大減少了主鏈上交易次數(shù)，可以顯著提高容量、可擴張性、交易吞吐量，且通過閃電網(wǎng)絡通道進行的所有微支付幾乎都無法被追蹤，保障交易更加匿名安全。但閃電網(wǎng)絡是基于智能合約建立的雙向支付通道，需要智能合約的支持，對于比特幣區(qū)塊鏈的實現(xiàn)較為復雜，且在實現(xiàn)閃電網(wǎng)絡過程中需要打開和關閉支付通道，頻繁操作通道可能會加劇網(wǎng)絡擁堵。以太坊使用類似思想并升級懲罰機制的雷電網(wǎng)絡作為一種鏈外擴展技術。

（3）多鏈互聯(lián)：是利用跨鏈連接器連接多條區(qū)塊鏈，實現(xiàn)不同業(yè)務鏈價值交互的多鏈架構理念?？珂溸B接器類似于“中間件”，負責定義各鏈之間進行交互的數(shù)據(jù)交換標準規(guī)范，多鏈結構中每條鏈都是一個單獨的體系，鏈內(nèi)可以自主共識、記賬、查詢、校驗，鏈間通過跨鏈連接器進行跨鏈交易、價值轉(zhuǎn)換。整個多鏈架構根據(jù)業(yè)務功能需求搭建并實現(xiàn)，整個體系可以實現(xiàn)多鏈業(yè)務協(xié)同，鏈間數(shù)據(jù)隔離，極大提高價值網(wǎng)絡并行計算能力，保證良好的可擴展性和可利用性。

三、總結

習近平總書記在2019年10月24日主持中共中央政治局第十八次集體學習時指出“要把區(qū)塊鏈作為核心技術自主創(chuàng)新重要突破口”。為貫徹落實習總書記工作要求，發(fā)揮區(qū)塊鏈在技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的作用，擴容問題就成為區(qū)塊鏈新型基礎設施、助力產(chǎn)業(yè)實踐必須重視的關鍵問題。在此背景下，產(chǎn)業(yè)各方推動區(qū)塊鏈技術發(fā)展，商業(yè)規(guī)模化應用落地，區(qū)塊鏈擴容問題解決方案呈現(xiàn)遍地開花的局面。

各方案優(yōu)劣勢分析。對比分析各擴容方案，區(qū)塊擴容和隔離見證方案局限性較大，會造成硬分叉和中心化問題，影響到整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的平衡。側(cè)鏈技術可以很好地幫主鏈做分流，但側(cè)鏈作為一條獨立運行的鏈，沒有足夠算力保證交易和區(qū)塊鏈的安全，攻擊者可以使用較小的代價對側(cè)鏈展開51％攻擊。閃電網(wǎng)絡主要采用通道技術，因建立支付通道需要先投入一部分資金，適合于可支配的資金較富余且交易頻繁的節(jié)點，因此支付通道交易也一般是礦池，礦池持續(xù)性鏈下交易會導致“中心化”問題，且支付通道交易的匿名性違背區(qū)塊鏈“交易可追蹤”的理念。

擴容方案發(fā)展趨勢。目前分片技術和多鏈互聯(lián)是研究的熱點方向，但在實際應用中，單純地使用某一種技術方案是不夠的。目前，國內(nèi)各大區(qū)塊鏈平臺系統(tǒng)主要采用鏈下擴容技術，并將多種方案融合在系統(tǒng)中使用，如采用側(cè)鏈等跨鏈技術、升級優(yōu)化國內(nèi)共識算法、提高硬件性能等多種手段共同提升區(qū)塊鏈底層平臺性能。分片技術也是多數(shù)區(qū)塊鏈平臺未來的重點發(fā)展方向，該技術在邏輯上簡單但技術實現(xiàn)難度大，如何合理的計算分片規(guī)模、分片數(shù)量得到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡分片最優(yōu)解還需各方研究。

根據(jù)應用平衡選擇擴容。區(qū)塊鏈作為分布式系統(tǒng)，占有硬件和服務資源量較大，盲目擴展會付出巨大的資源代價。從應用場景的角度來看，實際應用場景中應根據(jù)業(yè)務需求對區(qū)塊鏈性能進行必要的擴展，做好服務器資源和鏈上的效益平衡。且從區(qū)塊鏈系統(tǒng) “去中心化、安全性、可擴展”三大特性來看，也需根據(jù)實際應用平衡三者關系。如在規(guī)?；瘮?shù)字支付場景對性能要求較高，但在一些企業(yè)聯(lián)盟鏈低頻次大額交易中，性能并非首要問題，應更加注重安全性。