技術揭祕 | 去中心化交易能比VISA還快麼？
文章來源 | 計算廣告
作者 | 北冥乘海生
最近沒寫文章，正要續上原來留的扣子，才發現虛擬貨幣價格正在崩塌。對此，我不免拍案稱快：把那些無價值的空氣幣毀滅給人看，才是人間正道。在幸災樂禍的情感支配下，我更有動力寫今天的內容——畢竟，在一片哀鴻聲裡，沒人會以為這是一篇鐮刀文了。
現有的去中心化貨幣和交易系統，由於技術方案的限制，每秒交易次數(TPS)相當低，相應地，交易費用高企，無法支撐中小額、高頻次的支付行為。
今天我們要討論的，是個純粹的技術問題：去中心化交易的效率到底能不能大幅提高？至於其商業價值，我的觀點是：短期來看，沒有想象的大；長期來看，又比想象的大得多。諸位可能無法想象：在本世紀初，基本沒有哪個教授聲稱自己是做人工智慧的，那就跟承認自己是騙子差不多。
本文的核心內容，來自於上文提到的王成(W)偽博士，加個“偽”字，因為他讀的數論和分散式計算兩個博士都退學了。王成有項很重要的工作——《線性時間複雜度的拜占庭演算法》。正是在兩年多前，他在拜訪V神時，瞭解到以太坊面臨的困境和正在進行的分片專案，才頓生興趣開始研究去中心化交易的速度問題。
《線性時間複雜度的拜占庭演算法》：
https://infoscience.epfl.ch/record/210619/files/main.pdf
有人說，比特幣的地位類似於數字黃金，支撐日常交易的能力無足輕重。其實，這是一種酸葡萄心理罷了，且不比微信支付和支付寶，加密貨幣至少應該能以VISA的效率支撐交易，再加持以去中心化的生產關係，才能有更多真正落地的應用產生，而不是像今天這樣，與傳銷和詐騙緊密聯絡在一起。
還是那句話，我們先不談DPOS等半中心化方案，只討論POW。要提升POW機制的交易速度，有兩個方向：一是把交易處理儘量打散，由一個鏈上堆積變成多頭並進；二是把賬本分解開，變成可擴充套件(scalable)的。這兩個概念前文已經說過，那麼，都有些什麼新的技術方案呢？
第一類方案，把賬本結構由鏈變成了有向無環圖(DAG)。這樣一來，就有多個頭部可以同時記錄交易了，其代表專案是IOTA，賬本結構如上圖所示。IOTA沒有區塊的概念，每個交易都會引用過去的兩條交易Hash，以證明這兩條交易的合法性，並間接證明之前交易的合法性。不過，IOTA能夠提高TPS的關鍵，還是在於圖結構相比鏈結構而言，有多個頭部，可以並行確認交易。
話雖如此，IOTA有個致命問題：由於在選擇頭部的過程中，要用到效率很低的隨機行走演算法。為了實用，只好引入一個全域性協調器(Coordinator)，從快照算起以節省時間。您聽出問題來了吧？這個快照是由中心節點選取確定的！這樣一來，就現狀而言，IOTA其實並不是一個去中心化系統！
IOTA的理論和工程挑戰還有很多。實際上，它實測的TPS也僅達到1000上下，再加上中心化的缺陷，看起來現實比理想要骨感得多。
另外一類方案，是把交易分到多條鏈上，典型的是以太坊的分片(shading)專案。它的思路非常簡單直覺：把使用者隨機分成G個組，每個組單獨有一條子鏈，組內的交易在這條子鏈上確認即可。顯然，這可以提高一些交易速度。
關鍵的問題是，跨組交易怎麼解決？分片專案採用了利用主鏈進行週轉的辦法。不談技術細節，我們從概念上描述一下此過程。如果第1組上的使用者a要給第3組上的使用者b傳送十個幣，可以分成如下兩步：
1. 第1組的使用者a告訴主鏈，我要給第3組的b使用者傳送十個幣，此步驟相當於生成一張支票；
2. 主鏈告訴第3組的子鏈，有第1組的使用者a向你這裡的使用者b傳送了十個幣，此過程相當於把支票提現。
顯然，概率上看，大多數交易都是跨組交易，因此都需要通過主鏈中轉。這也就決定了，分片很難決定性地提高TPS。另外，在此方案中，每個節點都要保留公鏈和與自己相關的那條子鏈，需要儲存和處理的賬本沒有變小，因此並不是一個scalable的方案。
因為存在“1%攻擊”，即100個分片有一個被攻擊，就會影響整個系統，這樣的分片方案會降低安全性。另外，還有個嚴重的問題：此方案目前看來無法跟以太坊圖靈完備的智慧合約體系相相容，難道為了提速，先要自斷手足麼？目前，分片專案進展並不順利。計劃中的六個步驟，才進行到第一步，還只有一些實驗性質的程式碼。可以說，距離美好的夢想還遙遙無期。
是不是沒辦法了呢？其實，分片專案給了我們很大的啟發，曙光就在前方了。我們想想此方案的癥結：為什麼跨鏈交易要回到主鏈上進行呢？能不能把這部分再分解呢？
於是，我們想到這樣一個方案：仍然把使用者分成G組，但是在子鏈的設計上有所不同：將第i組到第j組的交易，單獨放在一條子鏈L(i, j)上。這樣一來，G組使用者就對應了G^2條子鏈，如下圖所示。
這樣做有什麼好處呢？從上圖看，假設使用者分成兩個組，那麼第0組的使用者在發起交易時，只會依賴L(0,0)、L(0,1)、L(1,0)這三條鏈上的前序交易，與L(1,1)這條鏈是毫無關係的！如此一來，第0組的節點，就只需要儲存3/4的子鏈就可以了。
看起來省的不多？其實，在使用者分成G組的情形下，每個節點只需要保留2G-1條子鏈就夠了，也就是說，大約只需保留(2G－1)/G^2≈2/G的子鏈，這是相當可觀的！比如說，我們把使用者分成32個組，那麼每個節點都只需要儲存1/16的鏈就可以了，這就實現了scalable特性。
什麼，您問還有主鏈麼？既然跨鏈交易都解決了，還要主鏈幹什麼用呢？
這樣的方案，沒有了主鏈和子鏈的概念，交易被使用者組結構組織起來的多條鏈並行處理，就像是百川到海不復還，我們給這樣的賬本結構起了個名字，叫“區塊流”(BlockFlow)，如上圖所示。當然，具體實現上面的思路和結構，還有很多技術細節甚至巧妙的設計，本文不是白皮書，所以這些就不談了。
那麼，從理論上分析，BlockFlow能支撐什麼樣的交易速度呢？我們借用上篇文章中的分析，帶入上篇文章分析得到的那兩個約束公式：
T * P' * 4ms / T <= G^2 * 20%
P' * 0.5KB * (1 + D / T) <= G / 2 * 10Mb
可以算出，當我們取G為32時，至少可以達到1萬左右的TPS；取G為64時，可以達到4萬左右的TPS。
假如能在POW共識機制上達到這樣的TPS，有什麼現實意義呢？我們將幾個典型的方案，和中心化的VISA放在一起比較一下，如上表所示：
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兩個典型的POW系統比特幣(BitCoin)和以太坊(Ethereum)，共識機制基本一致，交易TPS也都在10次上下，相應的交易費用大多數時候在零點幾美元，不過一旦交易擁堵，就可能上升至數美元到數十美元。即便如此，在面對大額交易時，由於交易費用並不與交易額成正比，比起傳統銀行還是有很大的成本優勢。
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EOS採用的DPOS的共識機制，類似於代議制：大家先投票選出一組超級節點，再由超級節點完成交易確認。由於投票規則存在較大的調整空間，某種意義上說，這類系統的立法權還是中心化的，而司法過程則是半中心化的。不過，EOS確實顯著提升了交易速度，目前的線上TPS大約在數千。
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前文提到的IOTA，由於有Coordinator的存在，並不是一個去中心化方案。不過IOTA有個最大的好處，那就是無需交易費用。就目前狀況而言，不到1000的TPS，和中心化的現狀，讓此方案的未來並不明朗。
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VISA作為老牌的支付巨頭，是中心化方案的代表。實際上，VISA系統的平均TPS也並沒有想象的高，大約在幾千，不過峰值速度要高得多，而且交易確認延遲很短。對於大額交易來說，VISA按固定比例收取的手續費是相當高的。另外，有一點容易被人忽略，中心化方案為抵禦攻擊需要付出的成本，可一點都不低。
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本文介紹的BlockFlow方案，共識機制與傳統POW一致，只是在鏈結構上做了新的設計。從結果上看，至少有兩點重要意義：首先，整個鏈結構是scalable的；其次，TPS大幅提升，必然帶來交易費用大幅下降，完全可以做到1美分上下。在安全性方面，BlockFlow跟比特幣一致，也存在51%算力攻擊。
可以這麼說，採用BlockFlow方案，POW在交易速度和成本方面，幾乎可以做到一個去中心化版本的VISA了！只是在交易確認時延上還有差距。
那麼，BlockFlow這個方案僅僅是一種案頭理論分析麼？當然不是。目前，此方案的原型系統已經實現出來，正在進行內部alpha版本的測試。根據實測結果，在G=32時，1萬的TPS是確定可以達到的。
還有一個遺留的問題，那就是智慧合約怎麼解決。以太坊引入的圖靈完備虛擬機器，雖然看上去很美妙，卻給分片方案挖了個大坑。在BlockFlow方案中，將採用一種全新的智慧合約機制，使得虛擬機器的實現更加靈活，也能夠相容多鏈的結構，不過說起來又需要很大的篇幅了，後面再專門撰文介紹。
曾幾何時，多少一夜暴富的神話，讓整個幣圈不相信技術，只相信信仰本身。這曾讓所有對技術本身有懷疑或期望的人，都成了迂腐荒唐的堂吉訶德。慶幸的是，我們終於等到了潮水退去之時，能在平靜的心態下討論技術。而我們也堅信，只有區塊鏈技術本身的進展，才能最終收拾騙子們留下的一地雞毛。
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