內容 | 賈瑤琪 Zilliqa技術總監、聯合創始人
整理 | Aholiab
眾所周知，吞吐量一直是區塊鏈的一個痛點。比特幣的底層設計僅支持每秒7筆交易，還不及傳統支付工具Visa每秒8000筆交易的一個零頭，更別說支付寶在去年雙十一創造的每秒25.6萬筆的記錄。這嚴重制約了去中心化應用的發展。去年以太貓風靡全球，造成了以太坊的大堵塞，以至于人們戲稱用是否造成區塊鏈堵塞來評價去中心化應用的熱度。
針對如何提高區塊鏈的吞吐量，業界也在不斷嘗試。為改善比特幣網絡的吞吐量，去年比特幣硬分叉出了比特幣現金。
近期，Zilliqa技術總監、聯合創始人賈瑤琪談到了這一問題的解決方案。
賈瑤琪來自Zilliqa團隊，之前在新加坡國立大學讀博士，博士期間主要研究偏底層的網絡協議，以及點對點協議的隱私保護，還有可擴展性問題。2017年，跟師兄還有導師一起創建了Zilliqa團隊，主要就是用分片技術，來提高整個公有鏈的可擴展性，以及實現高吞吐量。
說到分片技術，里面包含很多種不同的技術。比如以太坊的分片技術，還有Zilliqa的分片技術。
公有鏈的吞吐量問題
大家可能都了解比特幣、以太坊，以及其他的公有鏈。區塊鏈技術為大家提供了很多好的特性，比如去中心化、透明性、以及不可篡改性。但如果大家把區塊鏈作為一個記賬或者帳本系統，這其中有一個很大的問題，就是關于吞吐量的問題。
比特幣每秒最多只能處理7筆的交易，如果用搭火車的例子來講，比特幣就對應著手工檢票，每秒只能檢7個人。而傳統的記帳系統，例如信用卡、VISA或者MasterCard，他們平均的處理效率超過每秒8000筆交易，就類似于現在我們高速公路上使用的ETC，或者檢票中刷臉進站的系統，可以迅速地處理大量的交易。
低吞吐量的弊端
由此可見，目前公有鏈的低吞吐量會帶來很多問題，例如大家都會見到的高手續費問題。在去年有一段時間，如果你在比特幣上面進行一些交易，比如A轉比特幣給B，手續費可能就高達50美元。另一個方面，像以太坊去年做ICO，或者做這種代幣募資，很多人為了搶資格，就會花費很高很高的手續費，來競爭去加入一個代幣募集。
其實，雖然你設置了這么高的手續費，有時候也是搶不到這個資格的。高手續費會限制很多功能，從而導致我們現在沒有一個很好的殺手級的應用。大家可能都知道，去年在以太坊上面最火的兩個應用，一個就是ICO，另一個就是風靡全網的以太貓。但以太貓在以太坊上比較火的時候，占據了以太坊上超過30%的流量，導致整個以太坊有很多的擁塞。在那個時候，如果你想做一筆簡單的轉帳，必須支付更高的手續費才能完成這筆交易。
因此，這個低吞吐量導致了目前還沒有殺手級應用。我們可以聯想到在互聯網初期，大家用的整個底層系統可能還沒有搭好，同時網絡費用又特別得高，我們只能瀏覽一些簡單的網頁。但隨著整個互聯網系統生態的發展，大家慢慢也會看到一些很偉大的公司。例如像Google、Facebook、Twitter，以及國內的百度、阿里巴巴、騰訊，他們的崛起就是因為這個底層生態系統建好了。有了這樣的高吞吐量，才使得更多的企業以及程序員參與進來，創建許多殺手級的應用。
公有鏈的可拓展性
那么如何來解決低吞吐量問題，我們需要公有鏈有「可擴展性」，但可拓展性其實并不等同于高吞吐量。
很多場景下只需要高吞吐量，不需要可擴展性，所以你只需要一個很強大的服務器來提供一個很高的吞吐量。但是對于可擴展性，就要求你隨著節點數的增加，你的吞吐量也得相應地增加（因為可擴展性更多地是指隨著節點數目的增加，吞吐量或者性能也增加，所以很多時候大家其實是要求的高吞吐量而不是可擴展性）。
已有的解決方案
目前來看，比特幣處理交易的速度小于每秒10筆，以太坊小于每秒20筆，但傳統的記帳系統，例如信用卡，交易速度超過每秒8000筆交易。我們如何去解決這個可擴展性，或者說低吞吐量的問題呢？目前有幾種方案。
方案一，增加區塊的大小。例如比特幣，我們現在一個區塊的大小可能只有1MB的存儲空間。如果要進行交易的話，只能把交易加到這1MB里面。如果大家也做比特幣交易，可能都知道去年底的SegWit2x，將區塊大小從1MB提高到2MB。但是出于對安全性和其他因素的考慮，最終Bitcoin Core取消了這個SegWit2x硬分叉。導致了當時大量的資金都投向了以太坊的ICO項目。
當你把區塊大小從1MB升級到2MB，或者10MB，甚至1GB，但這個方案是否能達到提高100倍吞吐量的效果呢？不一定，因為你雖然可以把區塊大小升級到1GB，但由于你的計算性能以及帶寬的限制，導致整個網絡不能正常運行。像比特幣或以太坊，都是要通過工作量證明達成共識，工作量證明之后還要在整個網絡進行廣播，如果是1MB可能還好，如果1GB的話，要進行這個廣播，基本上不可能在10分鐘以內通知每一個礦工。所以這里面有一個很大的限制。
方案二，鏈下交易。對應比特幣的閃電網絡（Lightning Network）和以太坊的Raiden Network。他們給出的解決方案大致是這樣的，你提前支付一些以太坊或比特幣作為押金，之后你可以在鏈下通過一些手段，來跟其他人進行交易。這就類似于你提前在鏈上存了一些押金，然后其他的終端用戶可以在咖啡店里和你進行交易。交易結束后，你要把這個結算放在區塊鏈上面，這樣一個鏈下的方案。因為你鏈下處理這些交易的話，可以用一個十分強大的服務器來進行處理。這樣就可以大幅度提升系統的吞吐量，可以做到每秒上萬，甚至是幾十萬的交易量，類似于淘寶。
但是大家可以看到，這里有一些問題，就是你一旦用鏈下的話，雖然能夠達到高吞吐量，但是交易失去了開放性、透明性的優勢，相當于做了客戶端服務器的一個終端。同時由于你用鏈下交易，就沒有那么多節點去進行行為監督，那么也就少了去中心化的優勢。
方案三，代理人共識協議解決方案。如何選出這些代理人，你可以用權益證明，也可以通過一些官方的驗證。例如我有一個公司，這個公司有相應的資質，那么官方就會給我發一張牌照，我就可以作為一個代理人。
不管是7個代理人還是21個代理人，甚至可能是幾十個代理人，大家會形成一個小團體。例如我們現在這些人，都可以去做一個代理人。之后我們去運行一些共識協議或者類似功能的協議，來達成一個共識，產生區塊，然后再將這個區塊廣播給整個網絡，從而達成整個網絡的共識。這樣做的好處就是，這個機制可以保證在一個很小的團體內部，很快就達成共識。這樣做很簡單，只要使用一些已有的共識協議，你就可以很快達成共識。
不過，代理人共識協議也會帶來一些問題，我們剛剛也有提到大家對于去中心化的擔憂。因為像比特幣或以太坊都有成千上萬的節點來做共識決策。代理人共識協議目前只有一個小團體的代理人來做共識，難免會被大家質疑你是否去中心化，以及你的安全性。因為這一小部分的節點可能都是一些利益團體選出來的，他們是否能代表絕大多數人的利益呢？這些都是有待考證的。
不過以上這三個解決方案都是很好的解決方案，大家如果從不同維度，不同場景出發，這幾個方案都是有很大的用處。而今天我要跟大家分享一下，我們Zilliqa是如何用另外一種解決方案，我們叫做分片技術，來實現這樣一個高吞吐量的。我們的方案跟前面的幾個方案不在同一個維度，但是幾種方案其實是可以共生的。
一種新的解決方案
在講分片技術前，大家可以先看看整體的結果和運行效果。這些數據都是在亞馬遜的EC2上面測試得到的，通過搭測1800個節點、2400個節點以及3600個節點運行我們的算法，得到了下面的數據。直觀上看，隨著節點數以及分片數的提升，我們的測試數據，可以從每秒1218筆交易，達到每秒2488筆交易。
這樣我們可以得出一個結論，相對于比特幣或以太坊我們可以獲得一個很高的吞吐量。另一點也很有意思，從圖中我們可以看到隨著節點數目的增加，吞吐量也是在增加的，我們真的實現了這種可擴展性。
講了這么多，那么這個技術到底是怎樣的呢？
分片技術概覽
網絡分片，簡而言之就是并行化的分而治之。例如我們整個網絡有1萬個節點，我們可以把1萬節點，分成不同的小組，每一個小組，可以有不少于600個節點，這樣來叫做一個劃分。劃分之后，我們在每一個分片里，處理不同的交易。之后先在每個分片里面達成共識，然后會有一個單獨的分片將共識的結果進行匯總，廣播給整個網絡。
在這個系統的初始化階段，我們會將整個網絡劃分成不同的分片，每個分片不少于600個節點。過了一段時間，可能有一些新的節點想要加入，也可能有一些舊的節點因為自身網絡的問題，或者系統的問題，想要離開。這種情況下，我們該如何將這些新的節點加入網絡，將那些舊的節點從網絡中剔除。
每過一段時間，我們都需要做一次工作量證明。工作量證明部分跟以太坊基本上是一樣的，這要求你將上一個區塊的哈希值、節點的IP地址和你的公鑰一起進行哈希計算。大家都知道，哈希計算就是工作量證明，最終你要滿足哈希值的閾值。對應的難度是相匹配的，例如哈希值的前100位都是0，如果你算出來的哈希值滿足這個條件，就說明你完成了工作量證明。
之后你就可以產生這樣的一個結果：我們會得出你的ID，之所以要你的ID就是因為我們會根據你ID的最后幾位，來決定你應該被分到哪一個分片上。這樣的話，對于一個新的節點來說，是無法通過自己的意志去加入某一個分片的，只能通過工作量證明，而工作量證明難度較高，因此可以避免出現新節點自己選擇分片的情況。因此工作量證明的最后幾位，就可以從數學上保證你的隨機性是足夠的。
如果一個節點想要加入我們的系統，他加入的方法就是做工作量證明，然后被隨機分配到一個分片里面。這樣做的好處就是，我們可以保證一些惡意節點不能直接加入到某一個分片，因為所有的節點都是被隨機分配到不同的分片里面的。
有了這些分片，每個分片里面都有很多的節點，我們要怎樣進行交易處理呢？我們在這里也做了一個交易分片，就是用來處理不同的交易，不同交易會被分到不同的片里面。那么每筆交易是根據什么來分到不同片里面？我們做了一個簡單的分片處理，就是根據發送者的地址分片。那樣的話，如果A把錢發給B和C，那么這兩個交易應該是在同一個分片里面處理的，這樣保證沒有雙重支付問題。
如果A發給B和C，但是你把A發給C的交易分到另一個分片里面，這個分片里面的節點，會很容易檢測出來，然后把這筆交易拒絕掉。通過這種很簡單的方式，我們達到一個交易分片的效果。因此你在不同分片里可以處理不同的交易，之后可以在每個分片里面，驗證你的交易是否是正確的。驗證過程很簡單，例如A發給B了10塊錢，分片會檢查A的余額是否是足夠的，如果A發給B了10塊錢然后A又發給C了10塊錢，那么分片就檢查有沒有雙重支付的問題。
在每個分片內，每個節點都會進行這樣的一個對交易的處理，之后通過運行一個協議達成共識，最終附上自己的簽名，生成一個叫做MicroBlock的微小區塊，提交給目錄委員會，目錄委員會會運行另一個共識協議，從而形成了一個共識。最終生成一個區塊，并向不同的分片進行廣播。
在這個過程中，每一個節點都可以收到最終的區塊，這個區塊的內容是很小的。同時，不同區塊之間也會進行交換數據，從而分享最終區塊內的這些交易。整個系統有三層結構：
第一層，是哈希的哈希；
第二層，交易的哈希；
第三層，真正的交易內容。
通過這種三層結構來保證整個系統在每一步進行廣播的時候，內容量都是相對比較小的。因此過了一段時間之后，你的不同分片里面，大家都可以獲得這一段時間以來交易處理之后的一個共同狀態。
剛剛提到了，在每個分片里面，我們都會運行共識協議。那么我們是如何來保證每個分片里面，超過100個的節點能夠很有效而且安全地運行共識協議。這里我們用到了在2000年之前學術界很出名的容錯協議，叫做：實用拜占庭容錯協議——PBFT。
這樣一個容錯協議可以保證在一個小范圍內，例如幾十個節點，或者上百個節點，大家同時運行這個協議，最終形成一個共識。共識就是A發給B了多少錢，C發給D了多少錢，大家有這樣一個共識之后，就可以去完成剛剛提到的協議。
我們還用了一個叫做「集體簽名」，或「多重簽名」的方案，從而減少拜占庭協議里對不同節點簽名的要求。因為如果有600或者800個節點，都對同一個信息進行簽名的話，就會有600、800這么多的簽名數據，這個數據是很大的。所以我們用多重簽名來減少集體簽名數據量的大小。
最終通過結合PBFT和集體簽名，我們實現了所要求的安全、高效的共識協議。在共識協議部分，如果大家只是把它當做一個黑盒的話，其實我們還有很多種選擇的。
第一種，像比特幣或者以太坊里面的共識協議，學術界把它叫做Nakamoto Consensus，用中文講就是「中本聰協議」。可能有時候大家會把這個協議理解為只能做工作量證明，這種理解其實是不完整的。比特幣的共識協議其實分兩部分：第一部分，大家都在做工作量證明，過了十分鐘，會有一個成功獲得結果的人，他會生成一個新的區塊。
這樣是不夠達成一個共識的，因為你之后還要再繼續做工作量證明，在后面，要生成超過6個的確認區塊，才能保證你在第一個區塊里面那些交易被整個網絡接收。所以比特幣的共識協議分兩部分，第一部分是工作量證明，第二部分還要有超過6個確認區塊，才能保證你的共識結果是有效的。
但問題是這樣的共識協議消耗的時間是很大的，例如在比特幣里面，一個共識中運行一輪工作量證明要花費10分鐘，再加上6個確認的區塊時間，超過1個小時。那么你整體算下來，有可能會超過一個半小時才能確認你的交易。這樣就導致比特幣的吞吐量低，同時時間消耗高。
我們是否有其他選擇呢？在學術界，只要使用PBFT或者類似的共識協議就可以相對高效地去實現多個節點之間的共識。舉個例子，在一個房間里，A要給B發10塊錢，A要給C發20塊錢，B要給D發50塊錢，那么我們這個屋子要形成一個共識，最終有哪些交易要加入到區塊鏈里面？可能初期的話，會有一個領導者把大家的建議都收集起來，然后再分發給每一個人，說我現在收集到這么多交易，大家就跟隨我把這些交易收集起來加入到區塊鏈里面。這樣每個節點都會收到一個請求，對于節點該如何決策呢？我作為一個節點，我怎么確定其他人也收到同樣一個請求，或者同樣一個區塊呢？
那我就全網廣播我收到的信息，廣播給所有人，其他人也會廣播給我。這樣通過預準備，達到了初步共識的效果，即每個人都確定我收到這樣一個區塊，或者對應一系列的交易。最終再通過這樣一個廣播，來保證我知道超過三分之二的人也收到同樣一個區塊，或者同樣一系列的交易信息。這樣才能保證整個網絡里面，大家都在同一個狀態下面，每個人都知道，所有人收到了同樣一個區塊，大家可以繼續往下一步走了。
這個共識協議很高效，運行幾十個節點達成一個共識，大概只需要幾十秒的時間。同時也很節能，不用做工作量證明。你的電腦不用無時無刻都在做哈希運算才能獲得最終性。我們都知道，在下一個區塊里面，這些交易是會被加進去的。
但是有一個問題，這中間有好多輪的廣播。我收到交易之后，要廣播給大家，大家也要廣播給我，這樣的話，信息的交換量是很大的，導致整個網絡的擁塞程度是很高的。如果我們只用一個簡單的數字簽名來做，比如你把你的信息發給我，其他人廣播也把他們的信息發給我，同時附上他們的簽名。這樣的話，如果600個人用傳統數字簽名，可能就會產生600條數字簽名信息。這會導致整個網絡非常擁塞，網絡會很慢。所以我們之后就采用了多重簽名技術。這個技術不算是新的密碼學技術。好處就是可以把600個簽名壓縮成一個簽名，大家可以想象，如果之前廣播600個簽名，現在換成一個簽名，整個網絡的擁塞程度會減輕很多。通過使用多重簽名，整個網絡的消息規模會減少，同時溝通成本會降低。
做一個簡要的總結，就是每一個分片首先收到了多條交易，接著會運行拜占庭容錯協議，大家先達成一個共識，有哪些交易要被寫到區塊里面。之后因為要記錄下來，我們整個屋子N個人都同意把N個交易寫在區塊鏈上，我們就會采用多重簽名，從而減少簽名的大小，使得整個協議消耗比較小。
智能合約
當我們知道了分片技術帶來的好處，以及分片技術給整個系統帶來的高吞吐量之后，相當于我們有了一條高速跑道，還應該有一個相對安全，同時可以支撐高速性能的一輛跑車。所以我們就要開發對應的智能合約。
對于已有的智能合約，大家如果作為開發者可能都知道以太坊上的Solidity，在過去的兩年里，以太坊上面的智能合約遇到了很多的漏洞和攻擊。例如兩年前，其中的The DAO漏洞導致價值6000萬美金的以太坊被盜，去年Parity多重簽名錢包的漏洞，導致超過3億美金的帳戶被凍結。
究其原因的話，首先是因為智能合約是一個很年輕，同時也是很復雜的編程框架。很多程序員寫的一些邏輯，復雜性是很難想象的。我們知道編程時很多時候我們都是隨著邏輯寫代碼，但是問題是我們寫出來的代碼，可能會有很多的不可預知性，比如那些邊邊角角的漏洞。還有就是目前的智能合約，沒有一個形式化證明。在學術界現在有很多語言，它們都是支持形式化證明。形式化證明的意思很簡單，就是我寫出來了一系列的代碼，我可以保證我寫的代碼就是我想要的邏輯，沒有越出我想要的邏輯的框架。
基于這些原因，我們團隊設計開發了一個基于自動機的智能合約語言，叫做SCILLA。
對于一個程序，例如開關燈的操作，你可以有不同的狀態，例如關閉、暗光、明亮，同時你也有很多行為來去觸發使一個狀態跳到另一個狀態。例如短按一下、按一秒、以及長按。如果你在關閉狀態，簡單地按一下，就會切換到暗光狀態，再按一下，切換到明亮狀態。在智能合約里面，你可以很清楚地把這些狀態互相進行切換的行為定義清楚。
這樣我們就可以提供一個形式化的證明。同時對于程序員來說，也可以很清晰地得出自己想要執行的邏輯。目前SCILLA是非圖靈完備的。之所以我強調非圖靈完備，是因為我們發現像以太坊的Solidity，雖然是圖靈完備的，但有時候是不需要的。你如果寫以太坊智能合約，應該知道它的燃料限制，因此很多時候智能合約是不需要做無限循環的，同時燃料的限制也支持不了無限循環。雖然支持圖靈完備，但更多的時候對于程序來說，非圖靈完備可以保證一個更加安全的邏輯執行，而且非圖靈完備其實大多時候也可以實現很多你想要的功能。
上圖是一個SCILLA提供的眾籌智能合約。大家可以看到，類似于以太坊上智能合約的這些不可變參數，以及可變的狀態。不同于智能合約里面，我們這里用的是一個狀態轉換來實現每個人要貢獻多少錢，以及退款是如何進行的。
下圖是模擬的一個兩年前的攻擊，大家可以看到，智能公約要進行一個退款行為。最開始智能合約會檢查發起人當時有沒有給我打錢。如果給我打錢了，我在退款的時候就會按同樣的數目退款給你，最終把智能合約針對投資人部分，設置為0。但問題是在攻擊的時候，不是最終直接把這個狀態設置為0，而是在最終設置為0。中間的部分，進行了一個跨智能合約的調用。結果是，如果智能合約碰到一個惡意的程序可以退回重來，再執行一遍這部分邏輯。這部分邏輯就會導致這個投資人的錢數，可以循環地進行增加。例如你運行一次代碼，可以使得投資人的錢數增加一倍，反過來惡意的程序再運行回來，進行一個回調，又可以使得把投資人的錢數再增加一倍。這樣無限地運行下去，導致他損失了超過6000萬美元。
那么我們如何去做安全補救？很簡單，如果程序員小心一點的話，可以去遵循這樣一個模式。先去檢查這個投資人是否當初投資了我，之后進行執行：如果你投資了我，我先把你這部分的數目在我這里設置為0（反正我后面要轉帳的），之后再進行交互。交互時把那部分錢轉帳給之前的投資人。
說起來很簡單，但很多時候，作為程序員，我們可能會忽略掉這些安全檢查。在SCILLA這里，我們可以用自己的編譯器，做一個自動的檢查。就是你如果在寫類似代碼的時候，必須要符合安全規范。就像剛才說的，先去檢查，然后再去進行交互。如果你不遵循這個規范的話，我們的編譯器是不會通過的，或者會給你提供一些對應的提示。
去中心化應用的落地場景
未來的話，因為我們有了這樣一個相對高吞吐量的區塊鏈平臺系統，共享經濟，例如OfO、Uber，這樣的共享經濟公司都可以將主要的業務邏輯放在區塊鏈上，運用智能合約來處理不同的用戶請求。目前大家都是通過一個服務器來進行這種中心化交易，但之后如果用區塊鏈進行去中心化的交易，就可以省去很多中間的費用，以及中間的一些可能比較灰色的花銷。當然區塊鏈也可以用作支付網絡，支付網絡目前的痛點就是手續費很高，但是如果能實現高吞吐量，大家可以用相對低廉的手續費去做一些支付。
另一個方面，因為有了分片技術，我們之后可以做一些分片的并行計算，即類似于MapReduce的一些計算。包括深度學習，在不同分片里面，可以放不同的神經元（neuron）來進行科學計算。我們目前還是在做更多的測試，以及其他功能例如智能合約的開發。在上個月，我們已經放出了我們的測試網絡，以及數字錢包。
大家可以通過https://explorer.zilliqa.com，去訪問Zilliqa的測試網絡。目前我們在其中加入了很多自己的交易，對這個網絡進行壓力測試。錢包的話，你可以通過https://wallet.zilliqa.com去訪問，來生成自己的帳戶，之后我們還會將一些測試代幣放到你錢包里，你可以在我們的測試網絡中進行一些簡單的測試，包括對交易的測試。
