摘要：區(qū)塊鏈水平擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展性方面花費(fèi)了巨大的努力和大量的資源，開發(fā)出了多種擴(kuò)容方法。其中涌現(xiàn)出一批著名的項(xiàng)目，比如：谷歌文件系統(tǒng)、BigTable、Hadoop、Cassandra。

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。需要注意的是，在這些中心化系統(tǒng)中采用的擴(kuò)容技術(shù)很多都不適合去中心化的網(wǎng)絡(luò)。為了保護(hù)好區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化和安全性的核心價(jià)值，開發(fā)者必須仔細(xì)選擇最適合的擴(kuò)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)。

這也意味著在去中心化的網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)容沒有太多的先例可尋，QuarkChain團(tuán)隊(duì)必須從頭開始設(shè)計(jì)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(yùn)的是我們的團(tuán)隊(duì)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，他們有多年設(shè)計(jì)、搭建、測試、維護(hù)和優(yōu)化可擴(kuò)展系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗(yàn)。這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)使我們能夠以非常快的速度開發(fā)QuarkChain網(wǎng)絡(luò)，并在項(xiàng)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。

為了進(jìn)一步幫助大家理解QuarkChain的擴(kuò)容方案，首先讓我們簡要回顧一下中心化系統(tǒng)的擴(kuò)容歷史。

1.中心化世界的擴(kuò)容簡史

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(kuò)容的方案提升系統(tǒng)性能。垂直擴(kuò)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(diǎn)性能，比如：

● 為解決計(jì)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(shí)代涌現(xiàn)出了一批在垂直擴(kuò)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(kuò)容的主要好處是當(dāng)性能不足時(shí)只要對單個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)：

1.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。

2.當(dāng)性能達(dá)到一定水平時(shí)，通過垂直擴(kuò)容方案提升性能可能是代價(jià)不菲的。由于硬件資源的物理限制，垂直擴(kuò)容方案中提升兩倍的性能所花費(fèi)的代價(jià)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(bào)價(jià)，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(jià)約為300美元（總計(jì)15.2GHz，每GHz 的價(jià)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(jià)格高達(dá)1723美元（總計(jì)的32 GHz，每GHz的價(jià)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(shí)間的推移呈指數(shù)增長，繼續(xù)通過垂直擴(kuò)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(kuò)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(kuò)容方案有著幾個重要的優(yōu)勢：

1.降低前期成本。一個新的項(xiàng)目在早期只需要少量的節(jié)點(diǎn)就可以滿足其初始用戶的需求。

2.線性擴(kuò)容。可以通過增加更多的節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(diǎn)有計(jì)劃的按需擴(kuò)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(jì)的，他們提供了巨大的處理能力，同時(shí)維持優(yōu)秀的可擴(kuò)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(jì)算）

● Hadoop以及谷歌的一些開源項(xiàng)目，包括：HDFS、HBase、MapReduce

● Cassandra （key-value存儲）

水平擴(kuò)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(dú)立的子狀態(tài)（shards），并構(gòu)建多個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(kuò)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(kuò)容方案）：

目前，大多數(shù)現(xiàn)有的鏈上擴(kuò)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(kuò)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(fèi)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(xiàng)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(kuò)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(diǎn)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(diǎn)本身的物理約束，我們認(rèn)為區(qū)塊鏈垂直擴(kuò)容方案將會遇到與中心化系統(tǒng)垂直擴(kuò)容類似的挑戰(zhàn)。而水平擴(kuò)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(kuò)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(dú)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。

QuarkChain的宗旨是通過以分片為代表的水平擴(kuò)容技術(shù)，建立一個人人可用的區(qū)塊鏈底層公鏈。為了幫助大家了解我們的技術(shù)，我們將通過一系列的文章來詳細(xì)介紹QuarkChain的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。當(dāng)然，細(xì)心的讀者會發(fā)現(xiàn)其中很多靈感，受到了中心化高性能系統(tǒng)的啟發(fā)。

如果您對QuarkChain背后的技術(shù)感興趣，歡迎關(guān)注我們的后續(xù)文章，其中包括如下主題：

● QuarkChain是如何劃分系統(tǒng)狀態(tài)的？

● QuarkChain的共識機(jī)制能在保證分片具有良好的分散性的同時(shí)保持安全，以應(yīng)對包括雙花攻擊、黑名單攻擊在內(nèi)的各種攻擊。

● QuarkChain如何通過高效安全的方式實(shí)現(xiàn)跨片交易？

● QuarkChain如何支持智能合約。

● 為了避免超級節(jié)點(diǎn)的中心化問題，QuarkChain設(shè)計(jì)了集群方案。

此外，我們還將討論其他在開發(fā)QuarkChain網(wǎng)絡(luò)過程中遇到的新問題，分享提升交易處理能力的設(shè)計(jì)方案，也歡迎給我們提意見和建議。

非常感謝大家的閱讀和對QuarkChain的厚愛。

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：https://medium.com/quarkchain...