區塊鏈憑借安全可信、分布式、難篡改等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注，隨著(zhù)區塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展和實(shí)踐應用，其數據存儲代價(jià)大、性能低、網(wǎng)絡(luò )延遲高等問(wèn)題逐步凸顯。因此區塊鏈作為一種可信數據管理機制，亟需解決可擴展和性能問(wèn)題，包括比特幣、以太坊等主要區塊鏈社區、開(kāi)發(fā)團隊等紛紛開(kāi)始區塊鏈擴容方案的研究。

區塊鏈容量問(wèn)題天然存在，隨著(zhù)節點(diǎn)和交易量增多日益加劇。自中本聰發(fā)明比特幣以來(lái)，比特幣節點(diǎn)數量暴漲，鏈上的交易量劇增。比特幣網(wǎng)絡(luò )中的交易需經(jīng)礦工打包成區塊后廣播給其他節點(diǎn)，由于比特幣區塊大小1M的限制，單個(gè)區塊只能容納有限的交易事務(wù)，據統計，單個(gè)區塊實(shí)際容納的交易數約為1700多，區塊每隔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(chǎng)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(wàn)筆交易。比特幣緩慢的交易導致網(wǎng)絡(luò )中待確認的交易越來(lái)越多，造成網(wǎng)絡(luò )堵塞。

區塊鏈擴容需求廣泛存在，各界都在研究區塊鏈擴容方案。比特幣區塊鏈網(wǎng)絡(luò )中用戶(hù)為加快交易速度，必須增加交易的手續費使礦工優(yōu)先處理交易。大量的交易手續費和嚴重的交易延遲限制比特幣的發(fā)展，這也是整個(gè)區塊鏈技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題。以太坊創(chuàng )始人維塔利克·布特林在以太坊說(shuō)明文件中提到區塊鏈系統在“去中心化”、“可擴展性”和“安全”三方面中只能完美解決兩點(diǎn)，即“去中心化”和“安全”。但隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴展，區塊鏈系統必須考慮“可擴展性”問(wèn)題的解決方案。比特幣核心開(kāi)發(fā)團隊提出如BIP101、隔離見(jiàn)證等多種擴容方案；比特幣新礦池ViaBTC部署Bitcoin Unlimited擴容方案，并得到澳大利亞計算機科學(xué)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(xué)提出比特幣擴容方案Bitcoin-NG；金融密碼與數據安全國際學(xué)術(shù)會(huì )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。

區塊鏈擴容方案實(shí)現復雜，是一個(gè)復雜的關(guān)聯(lián)性問(wèn)題。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，應用軟件都是通過(guò)更新迭代的方式升級，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)量日益增多和服務(wù)升級的需求。對應用軟件來(lái)說(shuō)，軟件升級相對容易，系統升級通過(guò)更新升級服務(wù)器就能達到目的，性能低下通過(guò)增加服務(wù)器來(lái)支撐龐大的交易，但在區塊鏈場(chǎng)景中擴展升級十分復雜。區塊鏈基于分布式的架構，具有眾多節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)都部署服務(wù)和存儲數據，區塊鏈升級需要每個(gè)節點(diǎn)都升級本地系統才能完成整個(gè)區塊鏈的升級。區塊鏈升級需修改底層源代碼，新舊版本的存在會(huì )使得區塊鏈中打包出來(lái)的區塊存在兩個(gè)不同版本，各節點(diǎn)和礦池也會(huì )選擇所支持的版本，進(jìn)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。

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

鏈內擴展技術(shù)主要是基于對區塊鏈自身進(jìn)行改進(jìn)，主要包括區塊擴容和隔離見(jiàn)證。

（1）區塊擴容：是一種最直接的擴容方式，即增加區塊大小，如將比特幣當前區塊大小從1MB擴展到2MB，區塊大小的擴展可以使每秒交易處理增加。理論上，區塊容量越大，交易處理速度就越快，但在實(shí)踐中，若塊容量太大，礦工打包塊的速度會(huì )變慢，區塊在網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中因網(wǎng)絡(luò )無(wú)法對大文件進(jìn)行快速傳輸，又會(huì )出現新的問(wèn)題，因此直接對區塊大小進(jìn)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）和比特幣現金（BCC），BCC實(shí)現區塊大小從1MB到8MB的擴容。

（2）隔離見(jiàn)證：字面意思就是將見(jiàn)證的內容隔離開(kāi)來(lái)。區塊中存儲的是交易數據，隔離見(jiàn)證通過(guò)縮小交易數據的尺寸，使每個(gè)區塊可容納更多的交易來(lái)達到擴容的目的。比特幣交易是發(fā)起者通過(guò)簽署UTXO（未花費交易輸出，類(lèi)似于支票）并填寫(xiě)接受者地址而建立的，這個(gè)過(guò)程就是“見(jiàn)證”。為保證交易事務(wù)唯一性，比特幣對每條交易事務(wù)數據進(jìn)行哈希計算得到交易事務(wù)ID。交易事務(wù)中的關(guān)鍵數據包括簽名、接收方和交易金額，其中簽名占據了大量存儲空間，而該簽名信息的作用是由礦工見(jiàn)證交易數據來(lái)源的合法性，普通節點(diǎn)并不驗證簽名信息，因此簽名數據部分就可被隔離存儲到其他區域，節省了區塊的存儲空間，也就實(shí)現了隔離見(jiàn)證。2017年5月萊特幣通過(guò)用戶(hù)激活軟分叉方案，繞過(guò)礦工和礦池的支持，完成了隔離見(jiàn)證。

（3）分片技術(shù)：是將網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)分成不同碎片，各分片處理不同交易數據，每個(gè)片區內部共同處理同一交易事件，網(wǎng)絡(luò )中可并行處理交易大大提高網(wǎng)絡(luò )并發(fā)量。為了實(shí)現節點(diǎn)隨機分配和片區驗證者分配，需再建立一條單獨的區塊鏈（以太坊2.0中稱(chēng)為信標鏈），負責執行維護整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所需的操作。這種方式即為二次方分片，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )雙層設計增加交易量。具體地，將以太坊網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)分成100片，分片系統由主鏈上發(fā)布的校驗器管理合約（VMC）進(jìn)行維護，每個(gè)片區都是獨立存在的，當以太坊中有交易時(shí)，只選擇其中一個(gè)分片處理，如果網(wǎng)絡(luò )內有M件事務(wù)待處理，現在每個(gè)節點(diǎn)只需要處理M/100件即可，之后這些打包的子區塊的數據組成一個(gè)主鏈上的區塊，相當于主鏈區塊容量擴大了100倍。目前以太坊2.0信標鏈還未正式上線(xiàn)發(fā)布。另外EOS采用的DPOS共識機制中只有部分節點(diǎn)參與造塊，而且沒(méi)有挖礦競爭，更注重擴展性，和以太坊的分片技術(shù)異曲同工。

改進(jìn)區塊鏈本身的鏈上擴展技術(shù)有很多局限性，因此在鏈外使用技術(shù)手段進(jìn)行擴容的方案逐步出臺，鏈外擴展技術(shù)主要包括側鏈技術(shù)、閃電網(wǎng)絡(luò )和多鏈擴展。

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

（2）閃電網(wǎng)絡(luò )：是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)的對等網(wǎng)絡(luò )，完全去中心化的數字貨幣微支付系統。閃電網(wǎng)絡(luò )在區塊鏈外開(kāi)辟一個(gè)基于買(mǎi)賣(mài)雙方的獨立雙向支付通道，通道創(chuàng )建初期記錄一個(gè)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(guān)閉之前都只在閃電網(wǎng)絡(luò )的資產(chǎn)分配方案中更新，不會(huì )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(jìn)行大大減少了主鏈上交易次數，可以顯著(zhù)提高容量、可擴張性、交易吞吐量，且通過(guò)閃電網(wǎng)絡(luò )通道進(jìn)行的所有微支付幾乎都無(wú)法被追蹤，保障交易更加匿名安全。但閃電網(wǎng)絡(luò )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，對于比特幣區塊鏈的實(shí)現較為復雜，且在實(shí)現閃電網(wǎng)絡(luò )過(guò)程中需要打開(kāi)和關(guān)閉支付通道，頻繁操作通道可能會(huì )加劇網(wǎng)絡(luò )擁堵。以太坊使用類(lèi)似思想并升級懲罰機制的雷電網(wǎng)絡(luò )作為一種鏈外擴展技術(shù)。

（3）多鏈互聯(lián)：是利用跨鏈連接器連接多條區塊鏈，實(shí)現不同業(yè)務(wù)鏈價(jià)值交互的多鏈架構理念?？珂溸B接器類(lèi)似于“中間件”，負責定義各鏈之間進(jìn)行交互的數據交換標準規范，多鏈結構中每條鏈都是一個(gè)單獨的體系，鏈內可以自主共識、記賬、查詢(xún)、校驗，鏈間通過(guò)跨鏈連接器進(jìn)行跨鏈交易、價(jià)值轉換。整個(gè)多鏈架構根據業(yè)務(wù)功能需求搭建并實(shí)現，整個(gè)體系可以實(shí)現多鏈業(yè)務(wù)協(xié)同，鏈間數據隔離，極大提高價(jià)值網(wǎng)絡(luò )并行計算能力，保證良好的可擴展性和可利用性。

習近平總書(shū)記在2019年10月24日主持中共中央政治局第十八次集體學(xué)習時(shí)指出“要把區塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng )新重要突破口”。為貫徹落實(shí)習總書(shū)記工作要求，發(fā)揮區塊鏈在技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的作用，擴容問(wèn)題就成為區塊鏈新型基礎設施、助力產(chǎn)業(yè)實(shí)踐必須重視的關(guān)鍵問(wèn)題。在此背景下，產(chǎn)業(yè)各方推動(dòng)區塊鏈技術(shù)發(fā)展，商業(yè)規?；瘧寐涞?，區塊鏈擴容問(wèn)題解決方案呈現遍地開(kāi)花的局面。

各方案優(yōu)劣勢分析。對比分析各擴容方案，區塊擴容和隔離見(jiàn)證方案局限性較大，會(huì )造成硬分叉和中心化問(wèn)題，影響到整個(gè)區塊鏈網(wǎng)絡(luò )的平衡。側鏈技術(shù)可以很好的幫主鏈做分流，但側鏈作為一條獨立運行的鏈，沒(méi)有足夠算力保證交易和區塊鏈的安全，攻擊者可以使用較小的代價(jià)對側鏈展開(kāi)51％攻擊。閃電網(wǎng)絡(luò )主要采用通道技術(shù)，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點(diǎn)，因此支付通道交易也一般是礦池，礦池持續性鏈下交易會(huì )導致“中心化”問(wèn)題，且支付通道交易的匿名性違背區塊鏈“交易可追蹤”的理念。

擴容方案發(fā)展趨勢。目前分片技術(shù)和多鏈互聯(lián)是研究的熱點(diǎn)方向，但在實(shí)際應用中，單純的使用某一種技術(shù)方案是不夠的。目前國內各大區塊鏈平臺系統主要采用鏈下擴容技術(shù)，并將多種方案融合在系統中使用，如采用側鏈等跨鏈技術(shù)、升級優(yōu)化國內共識算法、提高硬件性能等多種手段共同提升區塊鏈底層平臺性能。分片技術(shù)也是多數區塊鏈平臺未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向，該技術(shù)在邏輯上簡(jiǎn)單但技術(shù)實(shí)現難度大，如何合理的計算分片規模、分片數量得到區塊鏈網(wǎng)絡(luò )分片最優(yōu)解還需各方研究。

根據應用平衡選擇擴容。區塊鏈作為分布式系統，占有硬件和服務(wù)資源量較大，盲目擴展會(huì )付出巨大的資源代價(jià)。從應用場(chǎng)景的角度來(lái)看，實(shí)際應用場(chǎng)景中應根據業(yè)務(wù)需求對區塊鏈性能進(jìn)行必要的擴展，做好服務(wù)器資源和鏈上的效益平衡。且從區塊鏈系統 “去中心化、安全性、可擴展”三大特性來(lái)看，也需根據實(shí)際應用平衡三者關(guān)系。如在規?；瘮底种Ц秷?chǎng)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(wèn)題，應更加注重安全性。

來(lái)源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識智庫