區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性研究：問題與方法

潘 晨 劉志強(qiáng) 劉 振 龍 宇

(上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 上海 200240)

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于中本聰[1]提出的比特幣系統(tǒng)，其真正在開放式的P2P網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了不依賴于可信第三方的數(shù)字支付系統(tǒng).這種去中心化的特性大大有別于現(xiàn)有的商業(yè)支付系統(tǒng)，改變了現(xiàn)有系統(tǒng)中的安全信任模型.在比特幣的信任模型中，用戶之間的信任源于對整個系統(tǒng)的信任，而不是任何第三方中介，只要整個系統(tǒng)的安全假設(shè)被滿足，這種信任關(guān)系就可以持續(xù).去中心化的特性使得區(qū)塊鏈技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，有著廣闊的應(yīng)用前景.

然而當(dāng)前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)存在嚴(yán)重的可擴(kuò)展性瓶頸：

1) 交易吞吐量不足.以比特幣系統(tǒng)為例，當(dāng)前系統(tǒng)最高只能支持7筆/秒的交易確認(rèn)(以區(qū)塊大小為1 MB為例)[2]，這使得其難以承擔(dān)大量交易的及時確認(rèn)，無法滿足現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求.同時由于其共識過程中可能存在分叉，一筆交易至少需要6個區(qū)塊的確認(rèn)(這是推薦的確認(rèn)數(shù)) ，即至少需要等待1 h才能確認(rèn)單筆交易，這些都限制了其大規(guī)模的應(yīng)用[3]；

2) 鏈與鏈之間的資產(chǎn)(數(shù)據(jù))難以交互.不同的應(yīng)用場景有著不同的用戶和需求，因此在現(xiàn)實(shí)情況中，很難要求一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)來承載整個現(xiàn)實(shí)生活中的所有應(yīng)用.為此需要實(shí)現(xiàn)鏈與鏈之間的交互，才能使得區(qū)塊鏈之間不會彼此成為孤島，從而實(shí)現(xiàn)真正的價值互聯(lián).

本文闡述當(dāng)前區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性問題的現(xiàn)狀，從區(qū)塊鏈提升性能和功能擴(kuò)展2個方面，綜述當(dāng)前主流的解決區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性的技術(shù)：鏈下支付網(wǎng)絡(luò)、Bitcoin-NG、分片機(jī)制和跨鏈技術(shù)，分析比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出現(xiàn)有方案所面臨的主要問題和未來研究方向.

1 概 述

區(qū)塊鏈技術(shù)提供了在開放網(wǎng)絡(luò)中新的信任模型，使得任何用戶可以在不需要第三方信任機(jī)構(gòu)的情況下建立信任關(guān)系，這樣的信任關(guān)系源于用戶對整個系統(tǒng)的信任，而無需信任單個節(jié)點(diǎn).

這樣的去中心化特性帶來的代價之一就是區(qū)塊鏈的性能，主要的指標(biāo)就是系統(tǒng)的交易吞吐量.當(dāng)前比特幣系統(tǒng)只能支持最高7筆/秒的交易吞吐量，而主流的支付平臺如Visa，能夠?qū)崿F(xiàn)平均2 000筆/秒，以及峰值56 000筆/秒的交易處理速度[4]，顯然兩者之間存在著巨大的差異.

這主要是由于比特幣系統(tǒng)的共識機(jī)制所帶來的代價.在傳統(tǒng)的數(shù)字支付平臺中，往往存在著中心化的第三方機(jī)構(gòu)來完成交易的確認(rèn)，系統(tǒng)中的其他節(jié)點(diǎn)無條件信任第三方機(jī)構(gòu)的執(zhí)行結(jié)果.而在以比特幣為代表的數(shù)字貨幣系統(tǒng)中，需要全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)來對系統(tǒng)中的每一筆交易進(jìn)行共識，每個節(jié)點(diǎn)都擁有各自的賬本并且通過共識機(jī)制來完成對賬本的修改并保證一致性.在當(dāng)前區(qū)塊鏈的共識機(jī)制中，無論是工作量證明機(jī)制(proof of work, PoW)還是權(quán)益證明機(jī)制(proof of stake, PoS)本質(zhì)上都是全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與并競爭賬本的記賬權(quán)，并且保證了系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)占記賬權(quán)并進(jìn)行雙花攻擊的代價極高或者攻擊成功的可能性極低.每輪擁有記賬權(quán)的用戶以區(qū)塊的形式確認(rèn)交易，這樣的共識機(jī)制和區(qū)塊大小的限制使得每輪共識的交易確認(rèn)數(shù)有限，造成了區(qū)塊鏈系統(tǒng)交易吞吐量的瓶頸.

顯然增大區(qū)塊容量是一個能夠提升區(qū)塊鏈交易吞吐量的簡單辦法[5-6].更大的區(qū)塊能夠使得一輪的共識過程中確認(rèn)更多的交易.然而僅僅提高區(qū)塊大小并不能完全解決問題.首先是更大的區(qū)塊可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞，影響系統(tǒng)的性能，其次以比特幣為例，即使將當(dāng)前的區(qū)塊大小提升到8 MB，系統(tǒng)的交易吞吐量依然小于100筆/秒，依舊無法滿足現(xiàn)實(shí)的業(yè)務(wù)需求.

當(dāng)前針對區(qū)塊鏈性能提升的主流方案主要包含3類：

1) 利用支付通道技術(shù)，通過鏈下交易的方式來提升交易的吞吐量，同時保證交易的安全性；

2) Bitcoin-NG[7]等方案，將原先比特幣中的共識過程拆分成記賬人選取和交易排序2個階段，通過記賬人選取階段保證區(qū)塊鏈安全性，在交易排序階段由記賬人進(jìn)行大量交易數(shù)據(jù)的處理.其在保證了分布式一致性的基礎(chǔ)上，提升了一輪共識過程中的交易確認(rèn)數(shù)，從而在區(qū)塊鏈上增加交易吞吐量；

3) 分片機(jī)制，通過將全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)劃分成不同的集合(shard)，每個集合并行地進(jìn)行共識，確認(rèn)交易，從而使得系統(tǒng)的交易吞吐量隨著全網(wǎng)中參與共識節(jié)點(diǎn)的增加而近似線性地增加.

區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性問題除了表現(xiàn)在性能上，即系統(tǒng)的交易吞吐量外，在功能上也同樣存在瓶頸.區(qū)塊鏈技術(shù)誕生之初，主要是為了實(shí)現(xiàn)去中心化的數(shù)字支付系統(tǒng)，然而隨著人們對區(qū)塊鏈的理解和技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種區(qū)塊鏈項(xiàng)目，他們有著不同的特性，能夠滿足不同的業(yè)務(wù)需求.在數(shù)字支付領(lǐng)域，有ETH[8]基于賬戶模型實(shí)現(xiàn)了圖靈完備的智能合約，Zcash[9]利用零知識證明技術(shù)實(shí)現(xiàn)了交易過程中的隱私保護(hù)等.利用區(qū)塊鏈去中心化的特性，也可以實(shí)現(xiàn)除數(shù)字支付以外的應(yīng)用[10]，如分布式文件存儲、征信、供應(yīng)鏈及金融應(yīng)用等.然而在區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)之初很少考慮到不同的鏈之間交互的需求，這使得不同的鏈之間完全割裂，不同的資產(chǎn)無法相互轉(zhuǎn)換，不同的應(yīng)用無法相互協(xié)同，從而無法實(shí)現(xiàn)真正的價值互聯(lián).為此，需構(gòu)建跨鏈技術(shù)來解決鏈與鏈之間的交互問題.

當(dāng)前代表性跨鏈技術(shù)主要包含4類：

1) 公證人技術(shù)；

2) 側(cè)鏈/中繼技術(shù)；

3) 基于Hash鎖定技術(shù)；

4) 分布式密鑰控制技術(shù).

其中公證人技術(shù)引入了可信第三方，作為跨鏈過程中的資產(chǎn)保管人，側(cè)鏈/中繼技術(shù)利用SPV(simplified payment verification)證明、中繼鏈等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)塊鏈之間的可信互通，基于Hash鎖定利用了Hash原像腳本，實(shí)現(xiàn)了公平的跨鏈資產(chǎn)交換，分布式密鑰控制技術(shù)利用分布式密鑰生成算法，使得跨鏈過程中的資產(chǎn)保管人角色由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，而不是少數(shù)第三方.

2 性能擴(kuò)展的主流技術(shù)

在本節(jié)中，我們主要介紹3類提升區(qū)塊鏈性能的主流技術(shù)，包括鏈下支付網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，涉及經(jīng)典閃電網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)改進(jìn)方案的構(gòu)造；提升鏈上交易容量的Bitcoin-NG方案；提升鏈上交易容量的分片機(jī)制.

2.1 鏈下支付網(wǎng)絡(luò)

鏈下支付網(wǎng)絡(luò)通過將大量交易離線處理，同時將區(qū)塊鏈作為仲裁平臺，處理通道支付過程中的異常情況，如雙方對通道的狀態(tài)有分歧等，其間接地提升了系統(tǒng)的交易吞吐量.

雙向通道支付過程可分為3個階段：1)初始階段，用于雙方建立通道；2)支付階段，通道雙方完成支付，即通道狀態(tài)的更新；3)關(guān)閉通道階段，雙方關(guān)閉通道，贖回通道中自己的資金，在關(guān)閉通道過程中，一旦某一方作惡，即利用之前的通道狀態(tài)來謀利，將會觸發(fā)提交階段.在提交階段中，雙方提交證據(jù)(交易)使得外界(區(qū)塊鏈)確定通道內(nèi)的真實(shí)狀態(tài).

2.1.1 閃電網(wǎng)絡(luò)

閃電網(wǎng)絡(luò)[11]是最早的通過鏈下支付通道形成支付網(wǎng)絡(luò)、提升區(qū)塊鏈交易吞吐量的方案.閃電網(wǎng)絡(luò)主要包含2個協(xié)議RSMC(recoverable sequence maturity contract)和 HTLC(hashed timelock con-tract)[12].其相關(guān)其他方案主要是在2個協(xié)議上進(jìn)行修改.RSMC主要實(shí)現(xiàn)了雙人雙向的支付通道，使得通道雙方可以在交易不上鏈的情況下即時確認(rèn)交易.HTLC則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)任意2個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)賬可以通過一條支付通道來實(shí)現(xiàn).通過這樣的方式，只要在系統(tǒng)中存在一條Alice到Bob之間的通路，Alice就可以借用他人的通道來實(shí)現(xiàn)支付操作，無需直接與Bob建立通道.跨通道支付協(xié)議是基于條件支付的想法，即接收者必須滿足一定的條件才能接受到錢款.在該協(xié)議中，條件支付的構(gòu)造基于Hash原象，從而來同步支付路徑上所有用戶的支付情況[13].類似的條件支付在其他方案中也廣泛存在[14-15].

Spilman[16]首次提出了基于比特幣系統(tǒng)的通道支付協(xié)議.該協(xié)議包含2個階段，初始階段和支付階段.初始階段Alice首先向一個智能合約的腳本地址中進(jìn)行充值，這個智能合約就是Alice和Bob的多簽名腳本，只有在2人共同對交易簽名時，才能從該腳本地址將錢轉(zhuǎn)出.這樣的支付通道建立后，雙方就可以在交易不上鏈的情況下即時確認(rèn)交易.具體的過程：以Alice向Bob支付為例，Bob將包含此次支付后通道中金額的分配情況的交易發(fā)送給Alice， Alice確認(rèn)金額后簽名并將其發(fā)送給Bob，Bob收到該交易后即確認(rèn)這個支付操作的完成.當(dāng)Bob想要關(guān)閉支付通道時，只需在最新的由Alice簽名的交易中附上自己的簽名后在系統(tǒng)中廣播，礦工確認(rèn)這筆交易并上鏈后，該支付通道即為關(guān)閉.通道支付協(xié)議實(shí)現(xiàn)了交易的即時確認(rèn).這個通道支付協(xié)議的特點(diǎn)是在通道的支付過程中屬于Bob的金額始終是增長的，這保證了Bob只會向區(qū)塊鏈公布通道內(nèi)的最新狀態(tài)，不然Bob就會受到損失.但是這樣的特點(diǎn)使得通道支付協(xié)議存在局限性，即該通道支付協(xié)議只支持單向的支付，只滿足單一的用戶向商家支付的場景.

然而當(dāng)支付通道協(xié)議要支持雙向支付時，需要一種機(jī)制來保證通道雙方始終公布通道內(nèi)的最新狀態(tài)，閃電網(wǎng)絡(luò)中的RSMC實(shí)現(xiàn)了這個機(jī)制.

主要原理.通過時間鎖(timelock)[17]的機(jī)制來延遲通道一方取回通道資產(chǎn)的時間，同時引入懲罰交易的概念來保證通道雙方的資產(chǎn)狀態(tài)是基于最新的交易情況，一旦某一方試圖使用之前的通道狀態(tài)來謀利，另一方可以在這段延遲時間內(nèi)(timelock)發(fā)現(xiàn)，并沒收其通道內(nèi)資產(chǎn)作為懲罰.

如圖1所示，每一輪通道狀態(tài)更新需要通道雙方更新Commitment交易以及上一輪Commitment交易所對應(yīng)的懲罰交易.

Fig. 1 The transaction structure of lightning payment channel圖1 閃電網(wǎng)絡(luò)雙向支付通道結(jié)構(gòu)

1) 初始階段.通道雙方A，B生成未簽名的funding交易，將各自的押金存入通道中，funding交易引用A與B的輸出.A，B生成初始的commitment交易C1，A，C1，B，確定通道內(nèi)的初始狀態(tài)，并且交換對雙方commitment交易的簽名σA，σB.之后A，B雙方交互對funding交易的簽名，并將交易廣播到區(qū)塊鏈中.

2) 支付階段.支付過程相當(dāng)于通道狀態(tài)的更新，即產(chǎn)生新的commitment交易Cj，A，Cj，B.此時通道內(nèi)上一輪狀態(tài)交易Cj-1，A，Cj-1，B和新產(chǎn)生的狀態(tài)交易Cj，A，Cj，B同時處于有效狀態(tài)，因此需要額外交互懲罰交易來作廢上一輪的狀態(tài)交易Cj-1，A，Cj-1，B.以A為例，A擁有狀態(tài)更新交易Cj，A，包含2筆輸出：輸出1是A在通道內(nèi)的資金，輸出2是B在通道內(nèi)的資金.正常情況下輸出1的花費(fèi)交易RDj，A設(shè)置了時間鎖λ，即需要等待Cj，A經(jīng)過λ區(qū)塊確認(rèn)后，該交易才能上鏈.在懲罰交易的機(jī)制中，為了防止A公布上一輪的狀態(tài)交易Cj-1，A，A需要向B交互BRj-1，B，并簽名σA，該交易沒有時間鎖，可以在Cj-1，A上鏈后立即上鏈確認(rèn).一旦A公布Cj-1，A進(jìn)行作惡，B立刻公布BRj-1，B，將Cj-1，A的輸出1作為罰金輸入到自己的地址中.

3) 結(jié)束階段.關(guān)閉通道需要通道雙方公布最新的通道狀態(tài)信息Cj，A或者Cj，B.

HTLC用于跨通道支付，實(shí)現(xiàn)了多個支付通道間資產(chǎn)的公平交換.其利用的是條件支付，即支付成功的條件為收款者給出秘密(Hash的原像).在不同的通道間可以利用這個秘密完成跨通道的支付，保證了支付的原子性，即不同通道同時支付成功或者同時失敗.

如圖2所示，假設(shè)Alice需要向Dave完成支付，Alice并沒有直接和Dave建立的通道，但是Alice找到一條支付通路，即Alice，Bob，Caroline，Dave，使得Alice可以通過向Bob支付，Bob向Caroline支付，Caroline向Dave支付的方式完成支付.協(xié)議可以分為2個階段：第1階段Dave隨機(jī)生成原像R，并且將Hash值H(R) 發(fā)送給Alice，Alice與Bob依此建立條件支付合約，通路上的其他節(jié)點(diǎn)以此類推.第2階段，當(dāng)通路上所有通道都建立條件支付合約后，Dave通過出示Hash原像R，完成與Caroline的支付，Caroline獲得原像R后，能夠完成與Bob的支付，以此類推，最終Alice與Bob完成支付后整個流程結(jié)束.

Fig. 2 The process of cross channel payment圖2 跨通道支付流程

2.1.2 相關(guān)改進(jìn)方案

針對閃電網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)主要包含效率、支付成本、通信開銷、可持久化、尋路算法等.

1) Duplex payment channel

Duplex[18]支付通道協(xié)議利用了比特幣系統(tǒng)中的時間鎖機(jī)制設(shè)計(jì)了Invalidation Tree的結(jié)構(gòu)，來保證通道的可持久性.同時利用2條單向通道，來實(shí)現(xiàn)A，B之間的雙向支付.

Fig. 3 The structure of invalidation tree圖3 Duplex通道支付協(xié)議結(jié)構(gòu)

如圖3所示，A與B之間有2條單向支付通道，用于完成A，B間的相互支付.不同于閃電網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計(jì)懲罰機(jī)制來保證結(jié)束通道時，雙方公開最新的通道狀態(tài)，Duplex利用了單向通道支付方向單一的特點(diǎn)，保證了分別作為2條通道的收款者A，B只會公開各自收款通道的最新狀態(tài).由于2條通道的金額互不聯(lián)通，在高頻交易的場景下，2條通道中付款者的押金將會很快被耗盡.因此，利用Invalidation 樹和時間鎖機(jī)制設(shè)計(jì)了reset階段，使得2條通道內(nèi)的資金可以相互轉(zhuǎn)移.

在reset階段中，通道雙方基于2條通道內(nèi)共同的資金分配情況，調(diào)整2條單向通道的狀態(tài)，如A在通道中CAB作為付款者，在CBA中作為收款者，通過reset階段，A可以將自己在CBA中收到的資金轉(zhuǎn)入CAB中用作之后的支付.為了作廢原先的狀態(tài)，新的交易設(shè)置較小的時間鎖，使得新的狀態(tài)更新交易進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈.每進(jìn)行一輪reset將會使新的記錄通道狀態(tài)的交易上的時間鎖遞減.

支付階段和提交階段與傳統(tǒng)的單向通道支付協(xié)議類似，區(qū)別在于Duplex在結(jié)束通道時需要同時公開2條通道內(nèi)的狀態(tài).

2) Raiden network

在閃電網(wǎng)絡(luò)方案中存在著效率及可用性不足的缺陷.在其雙向支付通道協(xié)議中，受制于比特幣系統(tǒng)腳本的限制，為了防止通道某一方作惡，另一方需要存儲對方在之前的每一輪交互的懲罰交易，而伴隨著高頻交易持續(xù)的發(fā)生，存儲這些交易的代價將會越來越大，給用戶帶來極大的負(fù)擔(dān).而在跨支付通道協(xié)議中，在當(dāng)前比特幣系統(tǒng)中也僅支持基于Hash原象的構(gòu)造，無法支持其他更靈活的條件.

這些問題在以太坊的方案中得到了解決.由于以太坊實(shí)現(xiàn)了圖靈完備的腳本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的智能合約.因此基于以太坊模型設(shè)計(jì)的Raiden[19]網(wǎng)絡(luò)盡管借鑒了上述閃電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，卻并不存在上述問題.在Raiden網(wǎng)絡(luò)中，通道支付的懲罰交易是基于用戶雙方對交易輪數(shù)i的簽名，只要一方出示了雙方對更高交易輪數(shù)i的交易的簽名，即可判定另一方作惡[20].

3) Sprites

Miller等人[21]提出了Sprites的方案，是針對閃電網(wǎng)絡(luò)方案效率方面的改進(jìn)，目的是解決當(dāng)跨通道支付不成功時，用戶所消耗的時間成本過大的問題.顯然，通道支付協(xié)議可以看作一種儲蓄卡機(jī)制，用戶可以通過通道內(nèi)儲蓄的金額，來為他人提供跨通道支付，跨通道支付的手續(xù)費(fèi)即用戶提供跨通道支付的激勵，類似儲蓄卡的利息.然而用戶在跨通道支付的過程中，用于支付的資金是處于凍結(jié)狀態(tài)，直到跨通道支付成功或者失敗.在該過程中用戶無法使用被凍結(jié)的資金，因此用戶在跨通道支付時所付出的成本可以用支付過程中被凍結(jié)的資金和所凍結(jié)的時間的乘積來衡量.

在原先的跨通道支付協(xié)議中，為了保證安全性，在通路上的所有用戶獲知Hash原象，從而完成支付的行為是串行的，因此在最壞情況下，支付路徑上最后的用戶需要等待支付路徑的跳數(shù)(L)乘以每一跳交互的最長時延(t)的時間才能確認(rèn)交易是否成功完成，而在這期間內(nèi)他的資金處于凍結(jié)狀態(tài)，而在Sprites的方案中，利用以太坊平臺所提供的智能合約，設(shè)計(jì)了全局的Hash原像管理合約(preimage manage contract)，從而使得用戶可以通過調(diào)用該合約的狀態(tài)，近似并行地獲知交易是否成功完成，大大減少了在最壞情況下用戶的等待時間，從而減少了時間成本.

Sprites的支付過程與Raiden網(wǎng)絡(luò)類似，區(qū)別在于跨通道支付時條件支付協(xié)議.HTLC的條件是基于Hash原像的公布，在Sprites中條件支付的條件為Hash原像管理合約的輸出.一旦支付通路上的某個節(jié)點(diǎn)向Hash原像管理合約提交Hash原像，通路上的其他節(jié)點(diǎn)就可以同時得知Hash原像的公布結(jié)果，并且確認(rèn)跨通道支付的完成.

4) 可持久化機(jī)制

對上述支付網(wǎng)絡(luò)的分析可知，支付網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的交易吞吐量的提升是巨大的，方案理論上對系統(tǒng)的交易吞吐量沒有限制.然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于鏈下支付網(wǎng)絡(luò)將區(qū)塊鏈看作解決通道雙方爭議，防止攻擊者作惡的仲裁平臺[22]，因此所有結(jié)束通道的交易必須上鏈進(jìn)行共識.因而頻繁的開關(guān)通道勢必會影響區(qū)塊鏈的交易吞吐量，限制鏈下支付網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢.

Revive[23]實(shí)現(xiàn)了通道支付網(wǎng)絡(luò)中的可持久化機(jī)制.主要原理為：利用跨通道支付協(xié)議，使得在支付網(wǎng)絡(luò)中存在支付環(huán)路的節(jié)點(diǎn)間可以通過跨通道支付，模擬正常的支付，將押金充裕的通道內(nèi)的資金流向押金將要耗盡的通道.

5) 尋路算法

在實(shí)際應(yīng)用中一個完整的鏈下支付網(wǎng)絡(luò)方案除了需要解決雙向通道支付和跨通道支付外，還需要設(shè)計(jì)高效的尋路算法.在鏈下支付網(wǎng)絡(luò)方案中，節(jié)點(diǎn)間建立通道需要較高成本(交易費(fèi)、押金和交易確認(rèn)時間)，因此一個節(jié)點(diǎn)能夠維持的通道數(shù)是有限的，而頻繁的建立和關(guān)閉通道會影響到通道支付協(xié)議的效率和可用性.從支付開銷的角度講，在實(shí)際應(yīng)用中，鏈下支付網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量借助他人已有的通道來實(shí)現(xiàn)支付功能，而不是直接建立與收款者建立通道.因此存在著在支付網(wǎng)絡(luò)中尋找支付通路的需求.現(xiàn)有相關(guān)的研究成果較少，主要包含2類：基于最大流算法和基于Landmark算法.基于最大流算法要求節(jié)點(diǎn)保存著全網(wǎng)的通道圖，并利用經(jīng)典最大流算法，如Push-Relabel[24]等算法尋找到目標(biāo)點(diǎn)的可行支付路徑；基于landmark算法主要包括Flare，Landmark Routing[25-27]等方案，將支付網(wǎng)絡(luò)中建立的通道較多的若干節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)點(diǎn)，使得用戶只需存儲相鄰?fù)ǖ兰暗叫艠?biāo)點(diǎn)的路徑信息，支付時雙方交換存儲的路徑信息并取交集，即可得到雙方之間的支付路徑.

2.2 Bitcoin-NG

比特幣的共識機(jī)制PoW保證了開放網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊鏈狀態(tài)的一致性(弱一致性)，但其并未考慮效率，因此Eyal等人提出了Bitcoin-NG的方案，旨在提升一輪共識中的交易確認(rèn)數(shù)，從而提升系統(tǒng)的交易吞吐量.Bitcoin-NG將比特幣的共識過程拆分成2個階段：記賬人選取和交易排序.在記賬人選取階段仍然采用原先的工作量證明算法，由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)競爭該輪的記賬權(quán)，在交易排序階段由該輪的記賬人確認(rèn)交易并打包區(qū)塊、全網(wǎng)廣播.記賬人選取階段產(chǎn)生key-block的過程和原先比特幣中產(chǎn)生區(qū)塊的過程一致，因此Bitcoin-NG基于key-block的最長鏈原則保證了其安全性(容錯)和比特幣一致.同時，當(dāng)節(jié)點(diǎn)通過工作量證明成為記賬人后，其可以在下一位記賬人產(chǎn)生之前，確認(rèn)打包交易并生成micro-block.其實(shí)質(zhì)是利用了兩輪記賬人選取階段的空隙，由記賬人產(chǎn)生包含交易數(shù)據(jù)的micro-block，在不影響其容錯性的前提下，提升了一輪共識過程中的交易確認(rèn)數(shù).

然而，在Bitcoin-NG中也引入了記賬人大量廣播micro-block造成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)阻塞的風(fēng)險.因此Wan等人[28]提出了Goshawk方案，設(shè)計(jì)了雙層鏈+兩級挖礦機(jī)制，即key-block和micro-block是由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過2個難度不同的工作量證明機(jī)制來產(chǎn)生，從而有效避免了micro-block swamping攻擊；此外， Goshawk引入了投票機(jī)制來抵抗自私挖礦和51%算力攻擊，并支持系統(tǒng)協(xié)議的動態(tài)升級.該方案在保持了Bitcoin-NG原有的效率提升基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可用性.

2.3 分片機(jī)制

除2.1節(jié)和2.2節(jié)2類方案外，在借鑒傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的分片技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過在開放的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)可靠的分片機(jī)制也可以提高系統(tǒng)的交易吞吐量[29-31].

分片機(jī)制通過將全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)劃分成不同的集合(shard)，使每個集合獨(dú)立并行地運(yùn)行共識協(xié)議，完成交易確認(rèn)，從而使得系統(tǒng)的交易吞吐量隨著全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的增加而近似線性地增加.

傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈共識機(jī)制的容錯上限為51%，如比特幣的工作量證明敵手在不掌握51%算力的情況下難以發(fā)動雙花攻擊.不同于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈共識機(jī)制，在原有系統(tǒng)容錯性保持不變的情況下，分片機(jī)制需要面臨的挑戰(zhàn)是1%攻擊，即保證攻擊者在分片過程中無法在任何一個分片中實(shí)現(xiàn)51%攻擊，以及如何保證攻擊者無法在分片處理交易的過程中，實(shí)現(xiàn)雙花攻擊.

2.3.1 隨機(jī)算法

有效抵御1%攻擊的措施是在分片的過程中，參與共識的節(jié)點(diǎn)需要隨機(jī)地被分配到不同的分片，這樣當(dāng)分片大小(size)足夠大時，分片內(nèi)出現(xiàn)51%攻擊的概率可以忽略不計(jì).當(dāng)前在區(qū)塊鏈分片機(jī)制中被使用的隨機(jī)算法主要基于2類：工作量證明(PoW)和權(quán)益證明(PoS).兩者實(shí)質(zhì)都是隨機(jī)過程.

在Elastico和Zilliqa的方案中都采用了工作量證明作為分片的隨機(jī)算法.上述方案在片內(nèi)進(jìn)行共識時采用了PBFT算法.PBFT算法的安全假設(shè)基于在參與共識的節(jié)點(diǎn)數(shù)中惡意節(jié)點(diǎn)不超過1/3，因此為了抵御女巫攻擊[32](sybil attack)，節(jié)點(diǎn)需要在一輪共識開始的階段，進(jìn)行簡單的工作量證明以獲得參與PBFT[33]共識的身份.將節(jié)點(diǎn)劃分成不同集合的標(biāo)準(zhǔn)基于節(jié)點(diǎn)工作量證明的結(jié)果.通過建立概率模型可以得到當(dāng)分片大小達(dá)到600時，即使攻擊者擁有1/3的算力，其能夠控制一個分片(即在任何分片中擁有超過1/3節(jié)點(diǎn))的可能性可以忽略不計(jì)(2-20).

其具體過程可抽象為：

1) 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作量證明獲得身份，并劃分成不同的集合.

2) 在各個分片內(nèi)部通過PBFT算法，進(jìn)行分片內(nèi)的交易共識

3) 將各個分片共識后的交易集及共識過程中的簽名廣播給某一個分片，由該分片校驗(yàn)簽名，進(jìn)行分片內(nèi)共識后，打包成區(qū)塊并全網(wǎng)廣播.

2.3.2 交易處理

根據(jù)區(qū)塊鏈的模型可以將系統(tǒng)的交易處理分為2類：基于UTXO模型和基于賬戶模型.

Elastico的方案基于UTXO模型，因此在交易處理時，通過交易的輸入作為基準(zhǔn)映射到不同的分片處理.在UTXO模型中，攻擊者想要實(shí)現(xiàn)雙花必須產(chǎn)生2筆引用同一輸出的交易.因此Elastico可有效抵御在交易處理過程中的雙花攻擊.

Zilliqa的方案基于賬戶模型，因此在交易處理時，通過發(fā)送者的身份作為基準(zhǔn)映射到不同的分片中.一輪共識過程中，不同發(fā)送者的交易可能映射到不同的分片(不同驗(yàn)證者)，但同一發(fā)送者的交易都會由同一分片處理，因此分片內(nèi)的誠實(shí)節(jié)點(diǎn)對特定發(fā)送者的狀態(tài)是確定的.因此其能夠在基于賬戶的模型下抵御雙花攻擊.

3 性能擴(kuò)展技術(shù)分析與展望

在本節(jié)中，我們將首先分析比較各種鏈下支付協(xié)議，再分析對比Bitcoin-NG、鏈下支付協(xié)議及分片機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景，并基于此給出下一步研究方向.

3.1 現(xiàn)有方案分析對比

如表1所示，不同的支付通道協(xié)議在不同的階段交互所需要的簽名數(shù)不同.在建立通道階段，所有的通道支付協(xié)議都需要對funding交易進(jìn)行簽名，閃電網(wǎng)絡(luò)需要通道額外交互初始的commitment交易來確定初始狀態(tài)，Duplex方案中則需要額外建立深度為d的初始Invalidation 樹來確定初始狀態(tài).Raiden和Sprites中初始狀態(tài)由funding交易生成，智能合約通過funding交易確認(rèn)通道初始狀態(tài)，不需要額外的update交易.在支付階段，由于Duplex使用了2條單向通道實(shí)現(xiàn)雙向通道的功能，因此，一輪支付只需要更新一條單向通道的狀態(tài)，單向通道的狀態(tài)更新在交互時只需要付款者一方的簽名.而其他方案基本采取了與閃電網(wǎng)絡(luò)相同的通道更新方式，因而每輪更新需要通道雙方各自對通道內(nèi)的最新狀態(tài)進(jìn)行簽名.在結(jié)束通道階段，Duplex需要提交2個單向通道的狀態(tài)，而閃電網(wǎng)絡(luò)由于設(shè)計(jì)了懲罰交易來作廢通道之前的狀態(tài)，因此需要在提交階段公開3筆交易，而Raiden和Sprites等方案采用了其他更新狀態(tài)的機(jī)制，因此只需要在提交階段公開記錄最新狀態(tài)的交易，而不需要額外的懲罰交易.Duplex在協(xié)議運(yùn)行中還包括reset階段來調(diào)節(jié)2條單向通道間的資金分配，而其他協(xié)議均設(shè)計(jì)了雙向支付通道，并不包含該階段.

如表2所示，不同的支付通道協(xié)議在性能，隱私性，存儲開銷，支付開銷上存在著差異和折中.所有通道支付協(xié)議都實(shí)現(xiàn)了雙向支付的功能，Duplex采用2條單向支付通道，而其他協(xié)議都只有一條雙向支付通道.在通道雙方的本地存儲開銷上，Duplex采用了Invalidation樹的結(jié)構(gòu)來作廢通道之前的狀態(tài)，其存儲開銷取決于樹的深度d.閃電網(wǎng)絡(luò)需要雙方存儲作廢之前狀態(tài)的所有懲罰交易，因此其存儲開銷取決于交易的輪數(shù)N.在其他方案中雙方都只需存儲最新一輪的狀態(tài)更新交易.當(dāng)結(jié)束通道時，基于通道內(nèi)最新狀態(tài)的交易會進(jìn)行上鏈共識，閃電網(wǎng)絡(luò)引入了懲罰交易，一輪完整的狀態(tài)更新需要3筆交易.而Duplex需要公開2個單向通道內(nèi)的最新狀態(tài)，因此需要上鏈2筆交易，其他支付通道協(xié)議只需要共識一筆交易.在支付開銷上，Sprites使用了基于智能合約執(zhí)行結(jié)果的條件支付協(xié)議，因此在跨通道支付過程中資金所需要被凍結(jié)的時間最短，為通路跳數(shù)L加上通道內(nèi)雙方交互的最長時延t.其他協(xié)議均需要兩者相乘.

Table 1 Comparison on the Number of Signatures Required for Each Stage

Table 2 Characters of Different Payment Channels

在3類主流的提升區(qū)塊鏈性能的方案中，鏈下支付網(wǎng)絡(luò)并未真正提升區(qū)塊鏈本身的交易容量，其大量交易在離線情況下完成，而將區(qū)塊鏈作為仲裁平臺，只有在關(guān)閉通道分配通道資金或者通道雙方對通道狀態(tài)存在不一致的情況下，才將交易公開上鏈.因此，盡管鏈下支付網(wǎng)絡(luò)對交易吞吐量的提升是巨大的，完全可以滿足現(xiàn)有需求，但是其只能支持?jǐn)?shù)字支付領(lǐng)域，在區(qū)塊鏈的其他應(yīng)用場景中，鏈下支付網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法提升區(qū)塊鏈的性能.同時，鏈下支付網(wǎng)絡(luò)在建立通道和關(guān)閉通道階段均有交易上鏈的過程，因此在實(shí)際應(yīng)用中其性能提升有賴于區(qū)塊鏈本身的交易容量.而Bitcoin-NG和分片機(jī)制旨在提升區(qū)塊鏈本身的性能，提高了一輪共識過程中的交易處理數(shù).然而受制于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的存儲空間和處理性能有限等限制，兩者對系統(tǒng)交易吞吐量的提升無法和鏈下支付網(wǎng)絡(luò)相比.實(shí)驗(yàn)表明，在Bitcoin-NG等方案中，系統(tǒng)交易吞吐量的量級在102，分片機(jī)制對系統(tǒng)交易吞吐量的提升與全網(wǎng)參與共識的節(jié)點(diǎn)呈近似線性關(guān)系，而鏈下支付網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的交易吞吐量在理論上沒有作限制.但是后2個方案是直接提升區(qū)塊鏈本身的性能，因此其能夠在區(qū)塊鏈的其他應(yīng)用場景，如分布式文件存儲、征信、供應(yīng)鏈及金融領(lǐng)域等起到提升系統(tǒng)性能的效果.

3.2 下一步研究方向

基于上述對提升區(qū)塊鏈性能的3類主流方案的分析，未來進(jìn)一步的研究方向包括4個方面：

1) 在鏈下支付網(wǎng)絡(luò)方案中，當(dāng)前在支付開銷、交互開銷上最優(yōu)的方案是Sprites，然而其引入的原像管理合約只能應(yīng)用于以太坊等平臺中，無法在現(xiàn)有比特幣中實(shí)現(xiàn).而實(shí)際中基于比特幣的區(qū)塊鏈平臺眾多，因此需要研究基于比特幣平臺的鏈下支付網(wǎng)絡(luò)效率改進(jìn)方案.

2) 在實(shí)際應(yīng)用中，鏈下支付網(wǎng)絡(luò)的高效尋路算法也值得進(jìn)一步研究，當(dāng)前的2類方案中，基于最大流方案存儲開銷和運(yùn)行成本過大，基于Landmark的方案中雖然不需要節(jié)點(diǎn)存儲整個網(wǎng)絡(luò)圖，但其尋路的成功率取決于選取信標(biāo)點(diǎn)集的方式和大小，并且無法保證尋找到的路徑是否為最優(yōu)路徑.

3) 在分片機(jī)制中系統(tǒng)交易吞吐量的提升取決于參與全網(wǎng)參與共識的節(jié)點(diǎn)數(shù)，然而當(dāng)前在其激勵機(jī)制方面研究不足，同時對其安全性的相關(guān)分析也較少，并且已有的方案在分片過程中，如Elastico和Zilliqa，由于網(wǎng)絡(luò)延遲等因素可能存在被惡意者攻擊的可能.

4) 在Bitcoin-NG等方案中，可考慮結(jié)合DAG(directed acyclic graph)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升交易吞吐量.

4 代表性跨鏈技術(shù)

跨鏈技術(shù)旨在解決鏈與鏈之間的交互問題[34].當(dāng)前跨鏈交互的過程可分為2個階段：資產(chǎn)在鏈A上的鎖定階段和相應(yīng)資產(chǎn)在鏈B上的解鎖階段.其面臨的主要挑戰(zhàn)是鏈A上的資產(chǎn)如何保證被鎖定，如何確定解鎖鏈B上的資產(chǎn)以及保證資產(chǎn)的鎖定與解鎖在鏈A，B之間保證原子性，即2條鏈之間相應(yīng)的資產(chǎn)要么同時鎖定/解鎖成功，要么同時鎖定/解鎖失敗.針對上述2個挑戰(zhàn)，不同的跨鏈技術(shù)被提出，主要包含4類：

1) 多中心化公證人；

2) 側(cè)鏈/中繼技術(shù)；

3) 基于Hash鎖定；

4) 分布式密鑰控制.

4.1 公證人機(jī)制

公證人機(jī)制利用公證人來保證資產(chǎn)在不同鏈上的鎖定與解鎖.主要利用了區(qū)塊鏈腳本中的多簽名腳本，可以實(shí)現(xiàn)鏈與鏈之間雙向的交換.具體流程為：用戶在鏈A上向多個公證人的多簽名腳本地址上轉(zhuǎn)入鏈A的資產(chǎn)進(jìn)行鎖定，公證人在確認(rèn)(共識)后在鏈B向用戶的地址釋放相應(yīng)的資產(chǎn).

4.2 側(cè)鏈/中繼

側(cè)鏈技術(shù)[35-36]或者中繼技術(shù)[37-38]提供的是一種更去中心化的解決方案.不同于公證人機(jī)制，側(cè)鏈技術(shù)或者中繼技術(shù)旨在通過去中心化的方式使得不同鏈之間的狀態(tài)可以互相交互.

以較早的BTC-Relay為例，BTC-Relay通過ETH上的智能合約存儲比特幣中的區(qū)塊頭，使得ETH鏈上可以獲知比特幣系統(tǒng)中發(fā)生的事件，實(shí)現(xiàn)了ETH作為比特幣側(cè)鏈的功能.利用比特幣區(qū)塊頭數(shù)據(jù)相當(dāng)于在ETH里創(chuàng)建了一條簡易的比特幣區(qū)塊鏈.但是由于ETH智能合約中比特幣的區(qū)塊頭信息是由中心化的節(jié)點(diǎn)(Relayer)提供的.因此其去中心化程度不足.使用BTC-Relay可以實(shí)現(xiàn)比特幣和ETH之間的兌換，具體流程如下：

1) Alice和Bob使用智能合約來進(jìn)行交易，Alice使用BTC幣兌換Bob的ETH幣，Bob把他的ETH幣發(fā)送到智能合約中;

2) Alice向Bob的地址發(fā)送BTC幣;

3) Alice通過比特幣的交易信息，生成SPV證明，并將證明輸入到ETH系統(tǒng)上的合約中；

4) 合約在被觸發(fā)后確認(rèn)SPV證明，然后釋放之前Bob的ETH幣到Alice的地址中.

Cosmos使用中繼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)的交互.如圖4所示，在Cosmos中不同的區(qū)塊鏈相當(dāng)于不同的區(qū)域(Zone)，Hub連接所有的區(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)鏈于鏈之間的中繼功能，每條鏈上狀態(tài)的更新都需要告知Hub，因此Hub中的狀態(tài)相當(dāng)于所有鏈的疊加，保證了所有鏈中的代幣總量不變.Cosmos中鏈A與鏈B之間狀態(tài)的確認(rèn)可以通過Hub來實(shí)現(xiàn).

Fig. 4 Structure on cosmos relay network圖4 Cosmos中繼技術(shù)結(jié)構(gòu)

4.3 Hash鎖定

Hash鎖定的原理與閃電網(wǎng)絡(luò)中HTLC相同，將Hash的原象作為秘密，利用條件支付，可以在無可信第三方參與的情況下保證不同交易的原子性，實(shí)現(xiàn)公平的跨鏈交換.

如圖5所示，跨鏈原子交換的流程為：

1)A產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r，并計(jì)算r的Hash值h，將h發(fā)送給B.

2)A與B利用HTLC相繼將用于交換的資產(chǎn)鎖定.要求A的鎖定時間需要比B長，即T1

3)A通過公布原像r獲得B鎖定的資產(chǎn).同時B得到了秘密r，并且通過公布r在另一條鏈上得到A鎖定的資產(chǎn).

Fig. 5 Process of cross-chain atomic swap圖5 跨鏈原子交易流程

4.4 分布式密鑰控制

通過分布式密鑰控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)去中心化的跨鏈交換的方案是由Fusion[39]提出的，其利用密碼學(xué)中的分布式密鑰生成算法[40]和門限簽名技術(shù)[41]保證了跨鏈過程中資產(chǎn)鎖定和解鎖由系統(tǒng)參與共識的所有節(jié)點(diǎn)決定并且在此過程系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)或者少數(shù)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合都無法擁有資產(chǎn)的使用權(quán).整個過程可分為2個階段：鎖定資產(chǎn)階段和解鎖資產(chǎn)階段.以比特幣和Fusion交互為例：

鎖定階段：

1)A向Fusion發(fā)起鎖定資產(chǎn)請求，通過調(diào)用智能合約，利用分布式密鑰生成算法.該過程中，智能合約將密鑰碎片隨機(jī)分發(fā)給Fusion中不同的節(jié)點(diǎn).

2) 智能合約返回私鑰對應(yīng)的公鑰地址.A收到地址后，將資產(chǎn)鎖定在該公鑰地址中.

3) 智能合約確認(rèn)A的資產(chǎn)確實(shí)鎖定后更新A在Fusion中的資產(chǎn)信息.

解鎖階段：

1)A向Fusion發(fā)起解鎖資產(chǎn)請求.

2) 智能合約確認(rèn)A在Fusion中的資產(chǎn)信息后，鎖定A在Fusion中的相應(yīng)資產(chǎn)并廣播解鎖交易簽名請求.

3) 擁有私鑰碎片的節(jié)點(diǎn)檢查解鎖交易后簽名.

4) 節(jié)點(diǎn)將簽名后的交易在比特幣平臺廣播，將鎖定的資產(chǎn)輸出到A的地址.

5) 智能合約確認(rèn)A的資產(chǎn)確實(shí)解鎖后更新A在Fusion中的資產(chǎn)信息.

5 跨鏈技術(shù)分析對比與挑戰(zhàn)

在本節(jié)中，我們將分析比較各種典型跨鏈技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景，并在此基礎(chǔ)上給出相關(guān)研究挑戰(zhàn).

5.1 現(xiàn)有技術(shù)分析對比

如表3所示，不同的跨鏈技術(shù)在適用的場景、信任模型、支持的功能以及實(shí)現(xiàn)難易程度上存在差異和折中.在應(yīng)用場景中，中繼技術(shù)中的BTC-Relay只支持單向的跨鏈交換，如通過BTC-Relay實(shí)現(xiàn)了ETH作為BTC的側(cè)鏈功能，然而BTC不是ETH的側(cè)鏈，而采用中繼鏈技術(shù)的其他中繼方案和另3種技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了不同鏈之間的雙向交換.從信任模型上，公證人機(jī)制通過多中心化的方式，安全假設(shè)要求多數(shù)公證人的誠實(shí)，而其他方案的安全假設(shè)則和主鏈一致，即51%假設(shè).在具體應(yīng)用上，Hash鎖定只支持代幣的兌換，鏈之間的數(shù)據(jù)仍是不相通的，而其他方案既支持代幣的兌換，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，可以滿足更多的應(yīng)用場景，如跨鏈資產(chǎn)抵押，跨鏈信息交互等.從實(shí)現(xiàn)角度說，公證人機(jī)制和Hash鎖定都是較成熟且簡便的方案，但是帶來的缺點(diǎn)是引入中心化機(jī)構(gòu)，改變了原本的信任模型行或者支持功能單一，只能滿足代幣兌換場景，而其他方案設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但是能滿足更多業(yè)務(wù)場景.

Table 3 Characters of Cross-Chain Technology表3 不同跨鏈技術(shù)的特性對比

5.2 相關(guān)研究挑戰(zhàn)

在跨鏈技術(shù)方面，當(dāng)前的研究挑戰(zhàn)主要包括2個方面：

1) 當(dāng)前支持雙向跨鏈信息交互的跨鏈技術(shù)如中繼和分布式密鑰，都需要不同鏈之間彼此獲知鏈的更新狀態(tài)，其大多采用了成熟的SPV證明技術(shù)，使用區(qū)塊頭在不同鏈中構(gòu)建了微型的目標(biāo)鏈，然而當(dāng)需要交互的鏈數(shù)目較多時，其帶來的開銷必然對區(qū)塊鏈的性能帶來影響.

2) 在當(dāng)前的跨鏈技術(shù)中，除了支持應(yīng)用有限的基于Hash鎖定方案，其余方案出于安全和效率的考慮，直接或間接的引入了第三方，如SPV證明中區(qū)塊頭的提供者，因此可能存在著第三方作惡的風(fēng)險.

6 總 結(jié)

區(qū)塊鏈技術(shù)擁有去中心化、不可篡改、可編程等特點(diǎn)，這使得其在數(shù)字支付、分布式存儲、征信、供應(yīng)鏈、金融等領(lǐng)域中擁有廣泛的應(yīng)用前景.然而其所面臨的可擴(kuò)展性瓶頸，包括性能效率低下、功能難以擴(kuò)展，都限制了區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用.

本文對近些年來解決區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性問題的方案和技術(shù)進(jìn)行了綜述,討論了提升區(qū)塊鏈性能的3類主流方案和擴(kuò)展區(qū)塊鏈功能的4類代表性跨鏈技術(shù),詳細(xì)分析比較了各種方案和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景，并討論了需進(jìn)一步研究的問題和方向.