區(qū)塊鏈系統(tǒng)固有的局限性分析

為方便討論，我們將重點(diǎn)說(shuō)一說(shuō)迄今為止最為廣泛使用和研究的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的代表一比特幣和以太坊。YIi-Huomo等人的研究成果可以用作檢驗(yàn)區(qū)塊鏈技術(shù)的重要參考。其中總結(jié)了近期區(qū)塊鏈技術(shù)的進(jìn)展，并指出了區(qū)塊鏈系統(tǒng)固有的局限性。雖然他們的研究完全集中在討論比特幣的文獻(xiàn)上，但這一發(fā)現(xiàn)在我們的討論中也同樣適用， 其中一些關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)自于Swan。

研究指出了現(xiàn)今區(qū)塊鏈系統(tǒng)的七大局限性：

- Throughput交易吞吐量

-Latency延遲

-Size and Bandwidth大小和帶寬

-Security 安全性

-Usability可用性

-Wasted Resources浪費(fèi)資源

-Versioning， Hard Forks， and Multiple Chains版本控制、硬分叉和多鏈

Throughput交易吞吐量

典型的區(qū)塊鏈（如比特幣）需要10分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確認(rèn)交易，平均交易速率約為每秒4個(gè)交易，最高可達(dá)每秒7個(gè)交易。以太坊每秒可以處理10個(gè)或更多交易，確認(rèn)時(shí)間也比在比特幣網(wǎng)絡(luò)上快10倍。然而對(duì)比VISA交易網(wǎng)絡(luò)，就能青楚看出當(dāng)前區(qū)塊鏈交易吞吐量的局限性，VISA 可在幾秒鐘內(nèi)確認(rèn)交易，平均每秒處理2000個(gè)交易，每秒交易量最高可達(dá)65000個(gè)。從這些指標(biāo)可以看出，與傳統(tǒng)的中心化支付網(wǎng)絡(luò)（如VISA）相比當(dāng)今使用最多的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易吞吐量也還存在著很大的差距。限制區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易吞吐量的主要因素是節(jié)點(diǎn)間的延遲。人們雖然已經(jīng)做出一些積極的嘗試，并試圖解決這個(gè)問(wèn)題，比如比特幣所采用的閃電網(wǎng)絡(luò)，以及已經(jīng)作為一個(gè)微版本在以太坊區(qū)塊鏈上運(yùn)行的雷電網(wǎng)絡(luò)等，但就一個(gè)可行的長(zhǎng)期解決方案各方還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。

Latency延遲

如上所述，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的最大交易吞吐量受到節(jié)點(diǎn)間延遲的限制，延遲也就成為了區(qū)塊鏈的限制因素。如果節(jié)點(diǎn)之間存在較高的延遲，礦工則更有可能是在舊塊上進(jìn)行采礦。在比特幣網(wǎng)絡(luò)上，一個(gè)塊同步到50%的節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間不到2秒，同步到90%的節(jié)點(diǎn)大約需要13秒（截至2017年4月）。而在以太坊上，同步到50%的節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間小于1秒，同步到90%的節(jié)點(diǎn)大約在10秒內(nèi)。對(duì)于比特幣來(lái)說(shuō)，出塊時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間的比值很大，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)間的延遲尚不構(gòu)成一個(gè)大的限制因素，而以太坊的出塊間隔時(shí)間較短，在同步上耗費(fèi)過(guò)多時(shí)間就會(huì)更有問(wèn)題。不過(guò)以太坊采用了基于GHOST協(xié)議的算法來(lái)激勵(lì)礦工在最長(zhǎng)的鏈上進(jìn)行采礦，而不是試圖使用高延遲和低間隔時(shí)間去產(chǎn)生分鏈。

Size and Bandwidth大小和帶寬

在討論大小和帶寬時(shí)，必須考慮到兩個(gè)問(wèn)題：整個(gè)區(qū)塊鏈的物理數(shù)據(jù)的大小，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的單個(gè)塊的大小。根據(jù)要求，作為一個(gè)能挖出新塊并與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互的完全節(jié)點(diǎn)，必須保留- -份完整區(qū)塊鏈的本地副本。很顯然，對(duì)保留這份副本的存儲(chǔ)空間大小的要求是與鏈上的區(qū)塊數(shù)量成正比的，這就有可能導(dǎo)致中心化，因?yàn)槿绻麉^(qū)塊鏈變得足夠大時(shí)，將只有少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)有能力進(jìn)行塊的操作。此外，當(dāng)交易量開(kāi)始突破可用帶寬的限制，再加上塊容量大小的限制，礦工費(fèi)會(huì)顯著增加，為了達(dá)到更大的吞吐量，這可能需要修改核心協(xié)議，獲得更大的塊容量或更短的塊確認(rèn)時(shí)間。面對(duì)這種情況，必須進(jìn)行核心協(xié)議的修改，但是導(dǎo)致的硬分叉通常又是很難接受的。

Security安全性

工作量證明（PoW）區(qū)塊鏈的最大賣(mài)點(diǎn)就是技術(shù)上很難被破解。攻擊者若想要修改已經(jīng)出現(xiàn)在區(qū)塊鏈上的塊，他們需要重做該塊以及后續(xù)所有塊的工作量證明。為了實(shí)現(xiàn)這樣的攻擊至少需要全網(wǎng)51%的哈希算力，因此也稱為“51%攻擊”。而這顯然不太可能發(fā)生，因?yàn)閾碛?1%的算力所產(chǎn)生的采礦收益遠(yuǎn)比用來(lái)攻擊獲得的收益大。

Usability可用性

在比特幣區(qū)塊鏈上，大約每十分鐘就會(huì)打包交易生成區(qū)塊，但是之后通常需要等待50分鐘甚至更久來(lái)進(jìn)行后續(xù)對(duì)交易的確認(rèn)。這就類(lèi)似于在現(xiàn)實(shí)世界中，從商店買(mǎi)了東西，卻要等待-個(gè)小時(shí)排隊(duì)付款。 對(duì)于一個(gè)希望在真實(shí)世界中實(shí)時(shí)應(yīng)用的程序，這顯然是不可接受的。

Wasted Resources浪費(fèi)資源

比特幣對(duì)電力乃至環(huán)境的影響相當(dāng)大。按照現(xiàn)在的估計(jì)，驗(yàn)證一筆交易需要249千瓦時(shí)的電力，比特幣區(qū)塊鏈上的礦工每年要消耗32太瓦時(shí)的電力來(lái)持續(xù)不斷地開(kāi)采出新的塊。雖然相對(duì)來(lái)說(shuō)以太坊消耗電力較低，但其能量消耗和對(duì)環(huán)境的影響仍然很大。實(shí)際上，如果將維持比特幣和以太坊正常運(yùn)作的電力加起來(lái)，足以為新西蘭供一年的電力。 目前已經(jīng)有人試圖改變工作量證月（PoW） 的區(qū)塊鏈，取而代之的是權(quán)益證明（PoS）， 以太坊就是其最突出的支持者。

Versioning， Hard Forks， and Multiple Chains版本控制、硬分叉和多鏈

區(qū)塊鏈分叉帶來(lái)的主要問(wèn)題是共識(shí)機(jī)制和安全性的缺失。舉兩個(gè)極端的例子，-邊是一個(gè)嚴(yán)重膨脹、占用了地球100%的可用算力的區(qū)塊鏈，另一邊是100個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的鏈，各自擁有1%的可用算力。硬分叉通常是由于共識(shí)機(jī)制被破壞導(dǎo)致的另一種不太受歡迎的結(jié)果。區(qū)塊鏈會(huì)因?yàn)槠渖鷳B(tài)系統(tǒng)中不同干系人的不同意識(shí)形態(tài)產(chǎn)生分裂，或分叉鏈。比較著名的例子有因?yàn)楸忍貛诺臄U(kuò)展問(wèn)題致使其不能成為一種便捷廉價(jià)的電子現(xiàn)金，從而分裂出比特現(xiàn)金（BCH），以及以太坊經(jīng)典（ETC）， 也是從以太坊區(qū)塊鏈中各種意識(shí)形態(tài)不一致，無(wú)法達(dá)成共識(shí)的基礎(chǔ)上分裂而來(lái)。不過(guò)硬分叉并不總是因?yàn)橐庾R(shí)形態(tài)的分裂，很多時(shí)候也來(lái)自區(qū)塊鏈系統(tǒng)核心協(xié)議的變更，比如以太坊2017年的大都會(huì)升級(jí)。硬分叉形成后，原鏈上的哈希算力仍然存在。但是在無(wú)法達(dá)成共識(shí)分裂產(chǎn)生的硬分叉中，哈希算力被分給兩條互相競(jìng)爭(zhēng)的鏈，使得鏈安全級(jí)別都降低了且易受到攻擊。