引言

比特币、以太坊的扩容争议长期以来一直都受到广泛关注，社区内也不断提出各种解决方案来解决这一问题。主流方案有区块扩容、隔离见证+闪电网络、分片等，除此之外，多链架构的Cosmos，提出一种新的扩容思路。本文简单介绍了Cosmos，并和主流的几种的扩容方案做了对比分析。

Cosmos简介

官网的定义是分布式账本的网络。

A Network of Distributed Ledgers

白皮书一开始提到了比特币、以太坊、DApp、闪电网络等等，巴拉巴拉一通它们的成绩，然后总结这些技术不行（白皮书指出的问题主要是可扩展性方面，Cosmos开发者不看好现有的垂直分片技术），Cosmos能解决所有问题。

Here we present Cosmos, a novel blockchain network architecture that addresses all of these problems.

核心概念有Hub、Zone及IBC：

Hub

Cosmos网络里第一条链是Hub，从名字和功能上都可以把它理解为Cosmos的中心链或者管理员链，所有其它区块链的交易都会在Hub记录，一条区块链上的token可以通过Hub转移到另一条区块链。Hub是Cosmos网络的核心，和其余的Zone是不平等的，从严格意义上讲Cosmos网络不是真正的分布式系统，如果Hub发生了单点故障（当然Hub本身是分布式的，发生问题的机率很小），Cosmos网络的很多特性会不可用。
关于这点，白皮书中语焉不详，大致就是Hub必须得到严格保护。

While each zone may be a Tendermint blockchain that is secured by as few as 4 (or even less if BFT consensus is not needed), the Hub must be secured by a globally decentralized set of validators that can withstand the most severe attack scenarios, such as a continental network partition or a nation-state sponsored attack.

Zone

Cosmos网络里其余的链称为Zone，你有什么想法，自己做条链（Zone），你的地盘你做主。Cosmos为Zone提供了一个参考实现。基本上Cosmos开发者的想法是他们来维护Hub，开发者去做Zone，建立一个生态系统。
Zone 的设计思路是隔离应用，推荐一Zone一应用，一个Zone多个应用当然也是可以的。各个Zone自己玩，玩崩了也是自己崩，不会像以太坊一个爆款应用就能拖垮整个网络。只有Zone和Hub交互才会对网络的中心节点造成压力，跨Zone交换token正常情况下频率较低，退一步说，即便Hub堵塞了，也不会影响各个Zone内部的正常运行，可以认为Cosmos网络是高可用的。

IBC

IBC是Zone和Hub间交互的协议，Hub不限制Zone的实现，只要是通过IBC协议和Hub交互就是一个合法的Zone。因为有IBC这个机制，除了按照Cosmos的规范实现一个Zone，现有的区块链也可以通过适配器的方式接入Hub，只要背后的技术团队愿意，比特币、以太坊等等都可以接进来。

性能

性能方面，Cosmos宣称能在64个验证人（分布在五大洲的七个数据中心）的情况下达到每秒数千笔的交易。

Cosmos性能测试结果

Cosmos上线的第一年，验证人数量最多将设置为100，之后十年的增长率将在13%，最终达到300位验证人。验证人数量增加，通信会更复杂，性能相应地会降低，白皮书的应对措施是通过增加内存、带宽、处理能力保证性能。

扩容方案对比

区块扩容

区块扩容要从比特币的区块设计讲起，大家都知道比特币的交易上限大约为每秒7笔，这个每秒7笔是怎么算出来的呢。
首先，比特币区块结构如下图所示，可以看出其中大部分容量用于存储交易信息。

比特币区块示意图

所有的交易信息都存储在区块中且必须存储在区块中，否则不会被承认。目前比特币系统内定义每一个区块的大小是1M，每10分钟产生一个这样的区块，一个基本的比特币交易大小约为250Byte，通过计算即可得出平均每秒大约可以处理7笔交易（实际交易平均大小约为500Byte，每秒可以处理2-3笔交易）。
好比一列火车，只有四千两百个座位，火车的运力大约是每秒运送7个人。当前的火车坐满了，只能等10分钟后的下一趟车。想提高运力，火车头后面多挂车厢呗。从技术人员的角度出发，如果将比特币类比为业务系统中的数据库，随着系统流量不断增长，数据库成为系统的瓶颈，这时怎么办呢，最简单的做法就是升级数据库主机。
对应的扩容方案就是增大比特币区块的容量，但就像火车头不可能无限制加挂车厢、数据库主机不可能无限制提升性能一样，区块容量也不可能无限制增大。
做一个估算，按照VISA在2015年的记录，全年平均每秒2920笔交易，峰值每秒1.4万笔交易，按平均值去设计区块容量，单个区块为900M，一年数据量是47TB，无论是单个块的处理能力、区块的传输带宽、还是全区块的存储容量，都不是普通人的电脑可以支撑的，违背了比特币去中心化的初衷。
比特现金（BCH）是现实中的区块扩容的例子，它Fork了比特币的代码，去掉了对隔离见证的支持，将区块的最大体积提升到了8M，可以简单理解为比特现金的系统容量相对比特币提升了8倍。

区块扩容的优点

• 方案简单，技术风险小
• 实施周期短（目前技术方案中唯一在生产环境中上线）

区块扩容的缺点

• 扩容效果不明显
• 未来系统容量上升空间较低，几乎不可能达到商用支付系统的规模
• 无限制的区块扩容会损害比特币的去中心性

隔离见证+闪电网络

比特币另外一个扩容方案是隔离见证+闪电网络。所谓隔离见证，让我们回到之前的比特币区块结构，比特币区块里含有两种重要信息，一个是交易信息，另一个是见证信息或者叫签名。交易信息和见证信息放在一起会有安全隐患，所以就有研究人员提出把脚本签名信息从基本结构里拿出来，放在一个新的数据结构当中。做验证工作的节点和矿工也会验证这个新的数据结构里的脚本签名，以确保交易是有效的。隔离见证也要求增大比特币的区块容量，相应地增加了比特币的处理能力，虽然其出发点是为了安全性而不是扩容，扩容只是附加效果。
这个改动可以比作给火车加挂行李车厢，原来车厢里的行李全部放到行李车厢里，行李架空出来也可以躺人，一趟列车可以运送多一些的人。
隔离见证虽然没有显著提升比特币的处理能力，但它所做的工作简化了闪电网络的设计，闪电网络对比特币交易性能的提升是颠覆性的。之前我们所提到比特币每秒最多处理7笔交易，并不是说假设全网只有你一个人发起比特币交易，这笔交易会在一秒内处理，理论上最快也要等待10分钟才能处理完成（6 个块的可信更会导致确认1个小时的最终确认时间）。就像平均来看火车的运力是一秒运送了7个人到达目的地，但实际上是一列火车上的4200人中的每一个人都要花费10分钟才能到达目的地。而闪电网络可以将处理延迟缩短到几分之一秒，每秒处理数万笔，更有研究结果宣称能达到毫秒级延迟，每秒处理能力上亿笔，这种用户体验完全可以秒杀现有的任何金融支付系统。
闪电网络的设计思路就是把交易放到链外处理，避开耗时耗力的交易确认过程，简单来说其实现要求参与交易的双方之间存在一个支付通道（资金池）。双方都预存一部分比特币到支付通道里，之后每次交易，就对交易后的资金分配方案共同进行确认，同时签字作废旧的版本。当需要提现时，将最终交易结果写到区块链网络中，最终确认。可以看到，只有在预存和提现时候才需要通过区块链，交易时不会发生拥堵。预存的比特币在n方间的流动通过一种限时哈希密钥的方式，就像大家互相能传递限定有效时间的钥匙，这把钥匙可以拿走自己在支付通道里的比特币，现有计算机的处理能力对哈希密钥的验证完全可以做到毫秒级。
拿业务系统中的数据库做类比，就像把数据库中一部分高频读写的数据，放到内存数据库或者CPU二级缓存里运算，直到有必要时才真正写入数据库，业务处理能力得到指数级提升，同时数据库的压力大大降低。
另外闪电网络还解决了小额比特币交易手续费的问题，比特币交易的手续费是固定金额制，随着全网比特币算力的提升和比特币价值的提高，交易的手续费越来越高，买一杯咖啡需要的比特币远远小于这笔交易所需的手续费。闪电网络仅在预存和提现时才需要缴纳固定手续费，交易时按百分比收费。
当然闪电网络也不是全是优点，闪电网络需要部署智能合约到中介节点，这些中介节点可能会失效或者下线，这时交易的确认可能需要几小时、几天甚至更久，所以闪电网络对交易的金额上限有限制，首个版本的闪电网络协议将支付上限设到了0.04294967296 BTC。

隔离见证+闪电网络的优点

• 降低了小额交易的手续费
• 闪电网络交易处理能力可以达到商用支付系统级别
• 闪电网络内的交易速度极快，甚至超过商用系统

隔离见证+闪电网络的缺点

• 只适用于小额交易
• 没有真正解决比特币自身的容量问题，比特币链上交易容量仍然受限
• 闪电交易的交易不上链，有丢失资产的风险
• 闪电网络的可靠性有待验证

分片

分片（Sharding）方案由以太坊创始人Vitalik提出，用以解决以太坊拥堵的现状。
首先，与比特币不同，因为智能合约的运行需要消耗算力资源亦即gas，限制以太坊链上处理能力的不是区块大小，而是 gas 值上限。目前以太坊每个区块 gas 值的限制约为 670 万，根据每区块大约容纳 200 笔交易、平均出块时间为 15 秒来计算，以太坊的理论交易处理速度可达 13 笔/秒。单纯的提高gas值上限，会增加以太坊网络被DoS攻击的风险，曾经为了提高攻击者作恶的成本，gas值上限一度降低到150万。
分片的思路是以太坊网络以后会有主链和分片链，分片链上的交易处于自己独立的空间中，分片验证人只需要验证他们所关注的分片，各分片链的交易彼此独立，不会相互影响。为了将分片链加入到主链中，在主链上需要有一个叫做验证人管理员合约（VMC）的特殊合约。VMC将分片链的当前块的哈希作为种子，采样出合格的校验块 （Collation），若干个分片链上的校验块最终组成一个在主链上的区块，本质上和现有协议中的区块没有区别，不需要主链做硬分叉；分片链并行运行，提升了整个系统的处理能力；分片链的共识结果仍然需要在主链获得更高层的公识，确保了安全性。
这种设计还有利于未来的继续扩展，整个扩展分为4个阶段，目前处于第一阶段，计划划分100个分片链，相应的交易容量就大约扩大了100倍，分片的数据在这个阶段不能跨分片传输。Vitalik预计需要用2-5年的时间实施以太坊分片方案。
还是用火车来理解，现在一列火车不够用了，我们就修100条完全并行的轨道，100列火车同时发车、同时达到，运力增加至100倍。但是目前有点限制，不管这100列火车是空的、坐了一半人、坐满了人，都必须同时发车，而且不同火车上的人现在不允许串门。
从数据库调优的角度看，分片类似于对数据库进行垂直分库，将业务彼此无关的表放在单独的数据库中，分库后不同库中的表无法进行联合查询等操作，但是可以平摊压力。

分片的优点

• 无需提高gas值上限
• 能逐步扩展到商用支付系统的处理能力
• 安全性高，所有交易都会记录在主链上

分片的缺点

• 系统复杂度高，技术风险大
• 跨分片的通信暂时还未实现
• 实施周期长，2-5年的部署时间可能会让以太坊错失发展良机

多链并行的Cosmos

Cosmos认为未来的世界不可能由一个区块链主导，一定是多链并存，多币并行的世界。把多链和多币整合成一个生态系统，就是Cosmos的理想。Cosmos的理念还有个独特的地方，它认为币和链应该是分离的，在Cosmos的实现里有个技术使得代币可以跨区块链进行转移。
与以太坊的分片不同，Cosmos里的Zone（区块链）是完全独立的，它们不需要采样自己的交易提交给主链以完成更高层的共识（Cosmos里也不存在主链的概念），共识在Zone内完成即可。每个Zone就像一个独立的世界，所有的规则由Zone创建者制定。Hub仅负责记录每个Zone的代币总数；完成代币从一个Zone到另一个Zone的流动。Hub更像一个中介者而不是管理员，它下放了共识的权力，换来了更好的扩展性。

Cosmos的Hub和Zone

Cosmos的区块链网络就像一个火车网络，大家自己修轨道，只要能通往Hub火车站就加入了Cosmos联运网络，其中有高铁、磁悬浮列车，也有普通火车。各种火车在自己的轨道里自由运行，不受其他火车影响，有的运力高，有的运力低，一条轨道堵塞了完全不影响其他轨道，通过Hub这个中心火车站乘客就能自由换乘其他列车，稍微遗憾的是现在只有Hub这一个火车站。
从技术角度看，这种设计思路好比数据库的水平分片（也叫水平分库），将整体存储在单个数据库中的数据，分摊到多个表结构与其相同的数据库中，这样每个数据库中的数据量就会相对减少很多，并且可以部署在不同物理服务器上，理论上能够实现数据库的无限横向拓展。然后Cosmos还提供了一个中间件供数据库间交换数据。

多链并行的优点

• 设计优雅，架构简单
• 理论上可扩展性最强
• 较好地平衡了区块链的安全性、可扩展性及性能

多链并行的缺点

• 极度依赖中心Hub，跨链交互有中心化的趋势
• 尚未上线，实际性能能否达到白皮书水平尚是未知数

后记

本文写作期间，Telegram的创始人Nikolai Durov发布了Telegram Open Network（TON）的白皮书。TON也采用了多链架构，一链一应用，声称最多支持 2 的 32 次方 种的区块链，也支持区块链上代币的流动，考虑到Telegram背后的技术团队及1.6亿既存用户，多链并行架构未来可期。