資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：目前，公鏈極低的交易處理能力為人們便捷的使用區(qū)塊鏈帶來很大的麻煩。區(qū)塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區(qū)塊鏈的狀態(tài)劃分為多條區(qū)塊鏈狀態(tài)。我們的宗旨是通過以分片為代表的水平擴容技術(shù)，建立一個人人可用的區(qū)塊鏈底層公鏈。
目前，公鏈極低的交易處理能力（TPS）為人們便捷的使用區(qū)塊鏈帶來很大的麻煩。例如：比特幣網(wǎng)絡(luò)只支持6到7個TPS，而以太坊目前只能處理大約15 TPS，而中心化支付系統(tǒng)的代表：支付寶，在2017年11月11日可以提供200000 TPS以上的處理能力。對比可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缰械腡PS能力不足，極大地限制了其更廣泛的應(yīng)用。
盡管現(xiàn)在中心化系統(tǒng)已經(jīng)能提供很高的TPS，但互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，由于用戶不斷增加的需求，可擴展性一直是中心化網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常遇到的關(guān)鍵問題。為了滿足所有互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求，來自谷歌、臉譜網(wǎng)（Facebook）為代表的一線互聯(lián)網(wǎng)公司、開源軟件社區(qū)的工程師和學(xué)術(shù)界相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家在提高網(wǎng)絡(luò)的性能，提高可擴展性方面花費了巨大的努力和大量的資源，開發(fā)出了多種擴容方法。其中涌現(xiàn)出一批著名的項目，比如：谷歌文件系統(tǒng)、BigTable、Hadoop、Cassandra。
需要注意的是，在這些中心化系統(tǒng)中采用的擴容技術(shù)很多都不適合去中心化的網(wǎng)絡(luò)。為了保護好區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化和安全性的核心價值，開發(fā)者必須仔細(xì)選擇最適合的擴容技術(shù)，并將這些技術(shù)集成起來，不斷調(diào)整，使其能滿足去中心的網(wǎng)絡(luò)。
首先讓我們簡要回顧一下中心化系統(tǒng)的擴容歷史。
1.中心化世界的擴容簡史在互聯(lián)網(wǎng)時代到來之前（2000年之前），為了滿足不斷增長的需求，人們主要采用垂直擴容的方案提升系統(tǒng)性能。垂直擴容的基本思想是通過增加更先進(jìn)，通常也是更昂貴的硬件設(shè)備來改進(jìn)單個節(jié)點性能，比如：
解決計算瓶頸問題采用更快的CPU；
為解決內(nèi)存/緩存不足的問題添加更多內(nèi)存；
為解決存儲不足的問題添加更多或使用更大容量的硬盤。
在這個時代涌現(xiàn)出了一批在垂直擴容領(lǐng)域的專家和著名公司，比如：以數(shù)據(jù)庫著稱的Oracle；以工作站著稱的SUN；以高性能存儲聞名的EMC。
垂直擴容的主要好處是當(dāng)性能不足時只要對單個節(jié)點投入更多的資源，管理相對簡單。然而，這個方案有兩個主要缺點：
前期投入成本很高。例如，EMC入口級設(shè)備比普通的商用個人電腦昂貴得多。
當(dāng)性能達(dá)到一定水平時，通過垂直擴容方案提升性能可能是代價不菲的。由于硬件資源的物理限制，垂直擴容方案中提升兩倍的性能所花費的代價通常大于兩倍。例如，根據(jù)ark.intel.com網(wǎng)站2018年6月11日的報價，英特爾Xeon E5 - 1620 V4處理器具有4個核，其中每個核的頻率為3.80 GHz，總價約為300美元（總計15.2GHz，每GHz 的價格為19.7美元），而英特爾Xeon E5-1680 V4具有8個核和每核的頻率為4 GHz，價格高達(dá)1723美元（總計的32 GHz，每GHz的價格為53美元）。
隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的爆發(fā)性增長，用戶數(shù)量隨著時間的推移呈指數(shù)增長，繼續(xù)通過垂直擴容的方案來為所有用戶提供服務(wù)將變得非常昂貴和困難。為了滿足全球網(wǎng)絡(luò)用戶的使用需求，谷歌和臉譜網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)公司采取水平擴容的方案，通過使用普通的個人電腦來構(gòu)建大規(guī)模分布式系統(tǒng)來解決這個問題。水平擴容方案有著幾個重要的優(yōu)勢：
降低前期成本。一個新的項目在早期只需要少量的節(jié)點就可以滿足其初始用戶的需求。
線性擴容。可以通過增加更多的節(jié)點，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的線性增加。這意味著隨著用戶數(shù)量的增長，系統(tǒng)容量可以通過不斷的增加節(jié)點有計劃的按需擴容。
目前世界上已經(jīng)有一些著名的系統(tǒng)是按照這一思路設(shè)計的，他們提供了巨大的處理能力，同時維持優(yōu)秀的可擴展性。比如：
谷歌文件系統(tǒng)（存儲）
谷歌的BigTable （key-value存儲）
谷歌的MapReduce（計算）
Hadoop以及谷歌的一些開源項目，包括：HDFS、HBase、MapReduce
Cassandra （key-value存儲）
水平擴容中所使用的一個關(guān)鍵技術(shù)是分片（sharding），通過將整個系統(tǒng)狀態(tài)劃分為多個相對獨立的子狀態(tài)（shards），并構(gòu)建多個節(jié)點組成的集群來并行的處理每個子狀態(tài)。根據(jù)分片方案的思想，人們可以通過在集群中加入更多的節(jié)點，以及增加片（shard）來線性的提升系統(tǒng)性能。
2.去中心化網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題前文可以看到，為了提升性能人們在中心化世界中已經(jīng)做出的大量嘗試，這些案例為我們在去中心化的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中提升性能提供非常好的參考樣品（注意，我們這里只討論鏈上擴容方案）：
目前，大多數(shù)現(xiàn)有的鏈上擴容方案是增加單條鏈的性能為主，我們稱之為區(qū)塊鏈垂直擴容方案。例如，比特幣（BTC）的出塊間隔為600秒，每一個塊的大小為1M。為了加快交易處理速度，萊特幣（LTC）通過將BTC的出塊間隔從600秒減少到150s；比特幣現(xiàn)金（BCH）則通過將BTC的1M大小限制增加到8M來容納更多的交易。然而這兩種方案都是不能無限的使用下去的，由于全球P2P網(wǎng)絡(luò)傳播速度的限制，進(jìn)一步減少出塊間隔或增加塊大小將為會增加孤塊產(chǎn)生的概率，孤塊的產(chǎn)生會浪費哈希算力。
為了進(jìn)一步提高單根鏈的性能，最新的區(qū)塊鏈項目正在嘗試使用新的共識算法，如：權(quán)益證明（POS）和委托權(quán)益證明（DPOS），這也是垂直擴容的方案之一。兩個有代表性的例子是以太坊的GHOST改進(jìn)和EOS的DPOS共識，其中EOS的DPOS共識只允許21個節(jié)點來產(chǎn)生塊，損害了網(wǎng)絡(luò)的去中心化程度。
由于P2P網(wǎng)絡(luò)和單個節(jié)點本身的物理約束，我們認(rèn)為區(qū)塊鏈垂直擴容方案將會遇到與中心化系統(tǒng)垂直擴容類似的挑戰(zhàn)。而水平擴容方案已經(jīng)在中心化系統(tǒng)中取得了巨大的成功，相信這一技術(shù)也能搭建出能夠滿足全球商業(yè)需求的高性能公鏈。區(qū)塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區(qū)塊鏈的狀態(tài)劃分為多條區(qū)塊鏈狀態(tài)（shards）。每個片可以相對獨立地處理交易，而且可以無縫地與另一個片交互。通過增加網(wǎng)絡(luò)中片的數(shù)量，整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將會線性增加。
最后提一下，我們是一群在美國硅谷發(fā)展的年輕人建立的QuarkChain團隊。QuarkChain旨在通過使用上述技術(shù)來解決區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缰械腡PS不足的問題，使其能滿足各種商業(yè)場景的需求。因為去中心化的網(wǎng)絡(luò)中擴容沒有太多的先例可尋，QuarkChain團隊必須從頭開始設(shè)計并構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施以滿足區(qū)塊鏈應(yīng)用的需求，這將是非常困難的。幸運的是我們的團隊是由來自谷歌、臉譜網(wǎng)和優(yōu)步的高級軟件工程師組成的，有著多年設(shè)計、搭建、測試、維護和優(yōu)化大型可擴展系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗。這些寶貴的經(jīng)驗使我們能夠以非?？斓乃俣乳_發(fā)QuarkChain網(wǎng)絡(luò)，并在項目開發(fā)的早期避開在中心化系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)過的許多陷阱。我們的宗旨是通過以分片為代表的水平擴容技術(shù)，建立一個人人可用的區(qū)塊鏈底層公鏈。
注：本文為QuarkChain CEO周期發(fā)布在Medium上文章的中文譯文，原文鏈接。
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摘要：區(qū)塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區(qū)塊鏈的狀態(tài)劃分為多條區(qū)塊鏈狀態(tài)。通過增加網(wǎng)絡(luò)中片的數(shù)量，整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將會線性增加。的宗旨是通過以分片為代表的水平擴容技術(shù)，建立一個人人可用的區(qū)塊鏈底層公鏈。 目前，公鏈極低的交易處理能力（TPS）為人們便捷的使用區(qū)塊鏈帶來很大的麻煩。例如：比特幣網(wǎng)絡(luò)只支持6到7個TPS，而以太坊目前只能處理大約15 TPS，而中心化支付系統(tǒng)的代表：支付寶，在...
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