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塊鏈帶來很大的麻煩。區塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區塊鏈的狀態劃分為多條區塊鏈狀態。我們的宗旨是通過以分片為代表的水平擴容技術，建立一個人人可用的區塊鏈底層公鏈。
目前，公鏈極低的交易處理能力（TPS）為人們便捷的使用區塊鏈帶來很大的麻煩。例如：比特幣網絡只支持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。對比可以發現，區塊鏈世界中的TPS能力不足，極大地限制了其更廣泛的應用。
盡管現在中心化系統已經能提供很高的TPS，但互聯網發展過程中，由于用戶不斷增加的需求，可擴展性一直是中心化網絡經常遇到的關鍵問題。為了滿足所有互聯網用戶的需求，來自谷歌、臉譜網（Facebook）為代表的一線互聯網公司、開源軟件社區的工程師和學術界相關領域的科學家在提高網絡的性能，提高可擴展性方面花費了巨大的努力和大量的資源，開發出了多種擴容方法。其中涌現出一批著名的項目，比如：谷歌文件系統、BigTable、Hadoop、Cassandra。
需要注意的是，在這些中心化系統中采用的擴容技術很多都不適合去中心化的網絡。為了保護好區塊鏈網絡的去中心化和安全性的核心價值，開發者必須仔細選擇最適合的擴容技術，并將這些技術集成起來，不斷調整，使其能滿足去中心的網絡。
首先讓我們簡要回顧一下中心化系統的擴容歷史。
1.中心化世界的擴容簡史在互聯網時代到來之前（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性能。垂直擴容的基本思想是通過增加更先進，通常也是更昂貴的硬件設備來改進單個節點性能，比如：
解決計算瓶頸問題采用更快的CPU；
為解決內存/緩存不足的問題添加更多內存；
為解決存儲不足的問題添加更多或使用更大容量的硬盤。
在這個時代涌現出了一批在垂直擴容領域的專家和著名公司，比如：以數據庫著稱的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性能不足時只要對單個節點投入更多的資源，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入口級設備比普通的商用個人電腦昂貴得多。
當性能達到一定水平時，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ark.intel.com網站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1723美元（總計的32 GHz，每GHz的價格為53美元）。
隨著互聯網應用的爆發性增長，用戶數量隨著時間的推移呈指數增長，繼續通過垂直擴容的方案來為所有用戶提供服務將變得非常昂貴和困難。為了滿足全球網絡用戶的使用需求，谷歌和臉譜網等互聯網公司采取水平擴容的方案，通過使用普通的個人電腦來構建大規模分布式系統來解決這個問題。水平擴容方案有著幾個重要的優勢：
降低前期成本。一個新的項目在早期只需要少量的節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點，實現系統性能的線性增加。這意味著隨著用戶數量的增長，系統容量可以通過不斷的增加節點有計劃的按需擴容。
目前世界上已經有一些著名的系統是按照這一思路設計的，他們提供了巨大的處理能力，同時維持優秀的可擴展性。比如：
谷歌文件系統（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鍵技術是分片（sharding），通過將整個系統狀態劃分為多個相對獨立的子狀態（shards），并構建多個節點組成的集群來并行的處理每個子狀態。根據分片方案的思想，人們可以通過在集群中加入更多的節點，以及增加片（shard）來線性的提升系統性能。
2.去中心化網絡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做出的大量嘗試，這些案例為我們在去中心化的區塊鏈網絡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，大多數現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網絡傳播速度的限制，進一步減少出塊間隔或增加塊大小將為會增加孤塊產生的概率，孤塊的產生會浪費哈希算力。
為了進一步提高單根鏈的性能，最新的區塊鏈項目正在嘗試使用新的共識算法，如：權益證明（POS）和委托權益證明（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改進和EOS的DPOS共識，其中EOS的DPOS共識只允許21個節點來產生塊，損害了網絡的去中心化程度。
由于P2P網絡和單個節點本身的物理約束，我們認為區塊鏈垂直擴容方案將會遇到與中心化系統垂直擴容類似的挑戰。而水平擴容方案已經在中心化系統中取得了巨大的成功，相信這一技術也能搭建出能夠滿足全球商業需求的高性能公鏈。區塊鏈水平擴容的基本思想是將單根區塊鏈的狀態劃分為多條區塊鏈狀態（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。通過增加網絡中片的數量，整個區塊鏈網絡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展的年輕人建立的QuarkChain團隊。QuarkChain旨在通過使用上述技術來解決區塊鏈世界中的TPS不足的問題，使其能滿足各種商業場景的需求。因為去中心化的網絡中擴容沒有太多的先例可尋，QuarkChain團隊必須從頭開始設計并構建基礎設施以滿足區塊鏈應用的需求，這將是非常困難的。幸運的是我們的團隊是由來自谷歌、臉譜網和優步的高級軟件工程師組成的，有著多年設計、搭建、測試、維護和優化大型可擴展系統的豐富經驗。這些寶貴的經驗使我們能夠以非常快的速度開發QuarkChain網絡，并在項目開發的早期避開在中心化系統中已經出現過的許多陷阱。我們的宗旨是通過以分片為代表的水平擴容技術，建立一個人人可用的區塊鏈底層公鏈。
注：本文為QuarkChain CEO周期發布在Medium上文章的中文譯文，原文鏈接。
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