去中心化交易能比VISA还快么？

    洞中方一日，币圈已千年。最近没写文章，正要续上原来留的扣子，才发现虚拟货币价格正在崩塌。对此，我不免拍案称快：把那些无价值的空气币毁灭给人看，才是人间正道。在幸灾乐祸的情感支配下，我更有动力写今天的内容——毕竟，在一片哀鸿声里，没人会以为这是一篇镰刀文了。

    上文书(为什么说大多数ICO都是诈骗？)说到，现有的去中心化货币和交易系统，由于技术方案的限制，每秒交易次数(TPS)相当低，相应地，交易费用高企，无法支撑中小额、高频次的支付行为。

    今天我们要讨论的，是个纯粹的技术问题：去中心化交易的效率到底能不能大幅提高？至于其商业价值，我的观点是：短期来看，没有想象的大；长期来看，又比想象的大得多。诸位可能无法想象：在本世纪初，基本没有哪个教授声称自己是做人工智能的，那就跟承认自己是骗子差不多。

    本文的核心内容，来自于上文提到的王成(W)伪博士，加个“伪”字，因为他读的数论和分布式计算两个博士都退学了。王成有项很重要的工作——《线性时间复杂度的拜占庭算法》，虽然与本文关系不大，感兴趣的朋友可以点击文末的“阅读原文”了解。正是在两年多前，他在拜访V神时，了解到以太坊面临的困境和正在进行的分片项目，才顿生兴趣开始研究去中心化交易的速度问题。 

    有人说，比特币的地位类似于数字黄金，支撑日常交易的能力无足轻重。其实，这是一种酸葡萄心理罢了，且不比微信支付和支付宝，加密货币至少应该能以VISA的效率支撑交易，再加持以去中心化的生产关系，才能有更多真正落地的应用产生，而不是像今天这样，与传销和诈骗紧密联系在一起。

    还是那句话，我们先不谈DPOS等半中心化方案，只讨论POW。要提升POW机制的交易速度，有两个方向：一是把交易处理尽量打散，由一个链上堆积变成多头并进；二是把账本分解开，变成可扩展(scalable)的。这两个概念前文已经说过，那么，都有些什么新的技术方案呢？

    第一类方案，把账本结构由链变成了有向无环图(DAG)。这样一来，就有多个头部可以同时记录交易了，其代表项目是IOTA，账本结构如上图所示。IOTA没有区块的概念，每个交易都会引用过去的两条交易Hash，以证明这两条交易的合法性，并间接证明之前交易的合法性。不过，IOTA能够提高TPS的关键，还是在于图结构相比链结构而言，有多个头部，可以并行确认交易。

    话虽如此，IOTA有个致命问题：由于在选择头部的过程中，要用到效率很低的随机行走算法。为了实用，只好引入一个全局协调器(Coordinator)，从快照算起以节省时间。您听出问题来了吧？这个快照是由中心节点选取确定的！这样一来，就现状而言，IOTA其实并不是一个去中心化系统！

    IOTA的理论和工程挑战还有很多。实际上，它实测的TPS也仅达到1000上下，再加上中心化的缺陷，看起来现实比理想要骨感得多。                                                                    

    另外一类方案，是把交易分到多条链上，典型的是以太坊的分片(shading)项目。它的思路非常简单直觉：把用户随机分成G个组，每个组单独有一条子链，组内的交易在这条子链上确认即可。显然，这可以提高一些交易速度。

    关键的问题是，跨组交易怎么解决？分片项目采用了利用主链进行周转的办法。不谈技术细节，我们从概念上描述一下此过程。如果第1组上的用户a要给第3组上的用户b发送十个币，可以分成如下两步：

1. 第1组的用户a告诉主链，我要给第3组的b用户发送十个币，此步骤相当于生成一张支票；

2. 主链告诉第3组的子链，有第1组的用户a向你这里的用户b发送了十个币，此过程相当于把支票提现。

    显然，概率上看，大多数交易都是跨组交易，因此都需要通过主链中转。这也就决定了，分片很难决定性地提高TPS。另外，在此方案中，每个节点都要保留公链和与自己相关的那条子链，需要存储和处理的账本没有变小，因此并不是一个scalable的方案。

    因为存在“1%攻击”，即100个分片有一个被攻击，就会影响整个系统，这样的分片方案会降低安全性。另外，还有个严重的问题：此方案目前看来无法跟以太坊图灵完备的智能合约体系相兼容，难道为了提速，先要自断手足么？目前，分片项目进展并不顺利。计划中的六个步骤，才进行到第一步，还只有一些实验性质的代码。可以说，距离美好的梦想还遥遥无期。

    是不是没办法了呢？其实，分片项目给了我们很大的启发，曙光就在前方了。我们想想此方案的症结：为什么跨链交易要回到主链上进行呢？能不能把这部分再分解呢？

    于是，我们想到这样一个方案：仍然把用户分成G组，但是在子链的设计上有所不同：将第i组到第j组的交易，单独放在一条子链L(i, j)上。这样一来，G组用户就对应了G^2条子链，如下图所示。

这样做有什么好处呢？从上图看，假设用户分成两个组，那么第0组的用户在发起交易时，只会依赖L(0,0)、L(0,1)、L(1,0)这三条链上的前序交易，与L(1,1)这条链是毫无关系的！如此一来，第0组的节点，就只需要保存3/4的子链就可以了。

    看起来省的不多？其实，在用户分成G组的情形下，每个节点只需要保留2G-1条子链就够了，也就是说，大约只需保留(2G－1)/G^2≈2/G的子链，这是相当可观的！比如说，我们把用户分成32个组，那么每个节点都只需要保存1/16的链就可以了，这就实现了scalable特性。

    什么，您问还有主链么？既然跨链交易都解决了，还要主链干什么用呢？

    这样的方案，没有了主链和子链的概念，交易被用户组结构组织起来的多条链并行处理，就像是百川到海不复还，我们给这样的账本结构起了个名字，叫“区块流”(BlockFlow)，如上图所示。当然，具体实现上面的思路和结构，还有很多技术细节甚至巧妙的设计，本文不是白皮书，所以这些就不谈了。

    那么，从理论上分析，BlockFlow能支撑什么样的交易速度呢？我们借用上篇文章中的分析，带入上篇文章分析得到的那两个约束公式：

    T * P' * 4ms / T <= G^2 * 20%

    P' * 0.5KB * (1 + D / T) <= G / 2 * 10Mb

可以算出，当我们取G为32时，至少可以达到1万左右的TPS；取G为64时，可以达到4万左右的TPS。

    假如能在POW共识机制上达到这样的TPS，有什么现实意义呢？我们将几个典型的方案，和中心化的VISA放在一起比较一下，如上表所示：

• 两个典型的POW系统比特币(BitCoin)和以太坊(Ethereum)，共识机制基本一致，交易TPS也都在10次上下，相应的交易费用大多数时候在零点几美元，不过一旦交易拥堵，就可能上升至数美元到数十美元。即便如此，在面对大额交易时，由于交易费用并不与交易额成正比，比起传统银行还是有很大的成本优势。

• EOS采用的DPOS的共识机制，类似于代议制：大家先投票选出一组超级节点，再由超级节点完成交易确认。由于投票规则存在较大的调整空间，某种意义上说，这类系统的立法权还是中心化的，而司法过程则是半中心化的。不过，EOS确实显著提升了交易速度，目前的线上TPS大约在数千。

• 前文提到的IOTA，由于有Coordinator的存在，并不是一个去中心化方案。不过IOTA有个最大的好处，那就是无需交易费用。就目前状况而言，不到1000的TPS，和中心化的现状，让此方案的未来并不明朗。

• VISA作为老牌的支付巨头，是中心化方案的代表。实际上，VISA系统的平均TPS也并没有想象的高，大约在几千，不过峰值速度要高得多，而且交易确认延迟很短。对于大额交易来说，VISA按固定比例收取的手续费是相当高的。另外，有一点容易被人忽略，中心化方案为抵御攻击需要付出的成本，可一点都不低。

• 本文介绍的BlockFlow方案，共识机制与传统POW一致，只是在链结构上做了新的设计。从结果上看，至少有两点重要意义：首先，整个链结构是scalable的；其次，TPS大幅提升，必然带来交易费用大幅下降，完全可以做到1美分上下。在安全性方面，BlockFlow跟比特币一致，也存在51%算力攻击。

    可以这么说，采用BlockFlow方案，POW在交易速度和成本方面，几乎可以做到一个去中心化版本的VISA了！只是在交易确认时延上还有差距。

    那么，BlockFlow这个方案仅仅是一种案头理论分析么？当然不是。目前，此方案的原型系统已经实现出来，正在进行内部alpha版本的测试。根据实测结果，在G=32时，1万的TPS是确定可以达到的。

    还有一个遗留的问题，那就是智能合约怎么解决。以太坊引入的图灵完备虚拟机，虽然看上去很美妙，却给分片方案挖了个大坑。在BlockFlow方案中，将采用一种全新的智能合约机制，使得虚拟机的实现更加灵活，也能够兼容多链的结构，不过说起来又需要很大的篇幅了，后面再专门撰文介绍。

    曾几何时，多少一夜暴富的神话，让整个币圈不相信技术，只相信信仰本身。这曾让所有对技术本身有怀疑或期望的人，都成了迂腐荒唐的堂吉诃德。庆幸的是，我们终于等到了潮水退去之时，能在平静的心态下讨论技术。而我们也坚信，只有区块链技术本身的进展，才能最终收拾骗子们留下的一地鸡毛。

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