隨著業(yè)務(wù)量的增加，比特幣等公有鏈網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁堵不堪，交易費(fèi)節(jié)節(jié)攀升，對(duì)比傳統(tǒng)金融結(jié)算系統(tǒng)已經(jīng)沒(méi)有速度上的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于去中心化的系統(tǒng)，由于社區(qū)成員基于自己的利益考慮，無(wú)法達(dá)成一致，也就難以采用更高效的共識(shí)算法或更先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)。

因此，社區(qū)出現(xiàn)了閃電網(wǎng)絡(luò)、雷電網(wǎng)絡(luò)等鏈下或側(cè)鏈的方案，試圖解決交易性能低下的問(wèn)題——這些技術(shù)并不提升區(qū)塊鏈本身的共識(shí)性能，而是將交易放到區(qū)塊鏈的外部進(jìn)行。

閃電網(wǎng)絡(luò)（Lightning Network）

閃電網(wǎng)絡(luò)（Lighting Network）指的是，A和B兩人可以把比特幣放到一個(gè)多重簽名錢(qián)包中鎖定（鏈下），然后進(jìn)行交易簽名更改雙方各自能取回的比特幣數(shù)量。交易參與方可以隨時(shí)關(guān)閉交易通道，最后一筆經(jīng)過(guò)簽名且包含最新余額動(dòng)態(tài)的交易最終將會(huì)被廣播并寫(xiě)入比特幣區(qū)塊鏈（回歸鏈上）。這個(gè)交易過(guò)程也可以在更多人之間進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程實(shí)際上不需要在主鏈確認(rèn)，因?yàn)槎际菐追街g倒來(lái)倒去的”數(shù)字游戲“，因此交易速度會(huì)非常迅速。只有當(dāng)關(guān)閉交易通道時(shí)，才會(huì)最終確定各自的余額并寫(xiě)進(jìn)主鏈區(qū)塊。

在閃電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)前，雖然比特幣社區(qū)也試圖通過(guò)區(qū)塊擴(kuò)容、隔離見(jiàn)證等技術(shù)在一定程度上增加交易處理能力，但這些方式并不能導(dǎo)致交易處理能力出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的改善。以比特幣區(qū)塊鏈為后盾，在鏈下實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微支付交易，區(qū)塊鏈處理能力的瓶頸被徹底打破，時(shí)延、最終性、容量甚至隱私問(wèn)題也迎刃而解，這就是比特幣“閃電網(wǎng)絡(luò)”（Lightning Network）的思路。

閃電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)：RSMC和HTLC。前者解決了鏈下交易的確認(rèn)問(wèn)題，后者解決了支付通道的問(wèn)題。

閃電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是交易雙方之間的雙向微支付通道，RSMC（Recoverable Sequence Maturity Contract）定義了該雙向微支付通道的最基本工作方式。HTLC（Hashed TImelock Contract）進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了有條件的資金支付，通道余額的分配方式也因此變得更為復(fù)雜?；贖TLC可以實(shí)現(xiàn)“閃電網(wǎng)絡(luò)”。

盡管閃電網(wǎng)絡(luò)本身可以基于任何合適的傳統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建（例如中心化的服務(wù)器和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)），閃電網(wǎng)絡(luò)的支付通道也可能逐漸向少數(shù)大型中介集中，變成若干大型中介彼此互聯(lián)、普通用戶(hù)直連大型中介的形式，但這種方案仍然具有傳統(tǒng)中心化方案不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛脩?hù)現(xiàn)在并不需要信任中介，不需要在中介處存錢(qián)才能轉(zhuǎn)移支付，資金安全受到比特幣區(qū)塊鏈的充分保護(hù)。

閃電網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題：

閃電網(wǎng)絡(luò)的支付通道會(huì)導(dǎo)致一定程度的中心化。如果閃電網(wǎng)絡(luò)存在，人們不會(huì)立即就信任它，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有錢(qián)包或支付供應(yīng)商支持它。

使用閃電網(wǎng)絡(luò)需要提前充值。閃電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需要用戶(hù)和企業(yè)鎖定在交易期間他們所需數(shù)目的比特幣。對(duì)于小額交易不是問(wèn)題，然而，如果按照閃電網(wǎng)絡(luò)所建議的‘合理使用案例’中每個(gè)人在每6個(gè)月中只開(kāi)啟1個(gè)通道的話(huà)，這意味著該通道需要鎖定這個(gè)用戶(hù)在該時(shí)間段內(nèi)所持有的最大數(shù)目的價(jià)值額度，這需要對(duì)鏈下網(wǎng)絡(luò)的充分信任，還需要人們能預(yù)見(jiàn)將花費(fèi)多少額度，以及何時(shí)花費(fèi)。

無(wú)法進(jìn)行離線支付，A和B交易，如果B掉線了，就無(wú)法簽名確認(rèn)分配方案，交易失敗。

雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）

雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network）是以太坊社區(qū)提出的自己的鏈下微支付通道解決方案，跟比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)的思路類(lèi)似，但也有所發(fā)展，例如引入了較HTLC更為通用的“Smart CondiTIon”等。

因?yàn)橐蕴恢悄芎霞s對(duì)報(bào)文格式?jīng)]有特別的字段限制，使得Raiden得以為通道余額快照引入一個(gè)單增序號(hào)，極為輕松自然地解決了舊版本快照的識(shí)別和作廢問(wèn)題。

和閃電網(wǎng)絡(luò)一樣，雙方需要在以太坊區(qū)塊鏈上開(kāi)設(shè)通道并各自鎖定以太。這步動(dòng)作可通過(guò)向Raiden智能合約發(fā)送一條雙方簽名認(rèn)可的報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)。報(bào)文中的關(guān)鍵信息包括：雙方公鑰、雙方鎖定資產(chǎn)數(shù)量、雙方簽名。

此后的任何支付動(dòng)作都可以發(fā)生在以太坊區(qū)塊鏈外，參與雙方只需要私下傳遞一系列報(bào)文。

該如何提升性能？

以迅雷鏈為例，下面來(lái)解讀下如何提升性能。首先從架構(gòu)上優(yōu)化，提出同構(gòu)多鏈的框架。即系統(tǒng)由一條條相對(duì)獨(dú)立（獨(dú)立進(jìn)行共識(shí)）的鏈組成，每條鏈有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配到其中一條鏈上，不同的賬戶(hù)數(shù)據(jù)被錨定在不同的同構(gòu)鏈上，然后接入層將交易路由到發(fā)送方所在的鏈上進(jìn)行區(qū)塊打包與共識(shí)。系統(tǒng)中鏈的數(shù)量能夠按業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)增加。因此同構(gòu)多鏈的架構(gòu)首先保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

除了架構(gòu)上優(yōu)化使得并發(fā)處理性能提升，還應(yīng)該保證分布式系統(tǒng)中的強(qiáng)一致性，并具備一定的容錯(cuò)和防拜占庭節(jié)點(diǎn)作惡的能力，因此每條鏈內(nèi)的共識(shí)算法可以選擇類(lèi) BFT 算法。在每一條單獨(dú)的鏈上，使用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（PBFT）保證強(qiáng)一致性，而且一方面通過(guò)容錯(cuò)性，降低節(jié)點(diǎn)失效對(duì)整個(gè)分布式系統(tǒng)的影響，另一方面采用多次重試和更換失效節(jié)點(diǎn)機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)時(shí)間失效的概率，保證系統(tǒng)的可用性。為了解決PBFT算法網(wǎng)絡(luò)消耗高的問(wèn)題，對(duì)算法作出了一些優(yōu)化，降低網(wǎng)絡(luò)消耗，提高了算法的可用性。

與傳統(tǒng)的PBFT算法類(lèi)似，對(duì)于每一輪共識(shí)操作，又包括三個(gè)階段：Propose，Prevote 和 Precommit。

當(dāng)在某一輪達(dá)成共識(shí)（收到+2/3 的 Precommit 投票）后，就會(huì)進(jìn)入對(duì)下一個(gè)高度的共識(shí)，從第 0 輪開(kāi)始。下面簡(jiǎn)單介紹下詳細(xì)的步驟：

首先介紹一個(gè)鎖定區(qū)塊的概念，表示在某個(gè)特定的高度和輪數(shù)，節(jié)點(diǎn)對(duì)某個(gè)塊收到超過(guò)節(jié)點(diǎn)總數(shù) 2/3 的 Prevote 投票集合后，則此節(jié)點(diǎn)對(duì)于此高度此輪的區(qū)塊進(jìn)行鎖定。也就是說(shuō)，節(jié)點(diǎn)以鎖定區(qū)塊來(lái)表示對(duì)某一個(gè)區(qū)塊的認(rèn)可。

1）Propose 階段：系統(tǒng)中所有驗(yàn)證人節(jié)點(diǎn)輪流作為提議者提出提議，而系統(tǒng)中非提議者的節(jié)點(diǎn)在收到提議后，就會(huì)進(jìn)入 Prevote 階段。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)此前存在已鎖定區(qū)塊，則還需要收集所有針對(duì)已鎖定區(qū)塊的 Prevote 投票。

2）Prevote 階段：當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到 Prevote 階段后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己的Prevote 投票。

具體的，如果當(dāng)前區(qū)塊高度或投票輪數(shù)高于此前已鎖定的區(qū)塊高度或輪數(shù)，則將原鎖定的區(qū)塊進(jìn)行解鎖。如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)仍含有未解鎖的區(qū)塊，則對(duì)此鎖定的區(qū)塊投 Prevote 投票?；蛘呷绻?jié)點(diǎn)收到合法的 Propose 區(qū)塊，則對(duì)此區(qū)塊投 Prevote 投票。

當(dāng)階段超時(shí)或者接收到大于 2/3 的針對(duì)某個(gè)塊的投票后，則節(jié)點(diǎn)鎖定此區(qū)塊并進(jìn)入。

3）Precommit 階段：當(dāng)節(jié)點(diǎn)存在已鎖定區(qū)塊，則對(duì)此區(qū)塊投 Precommit 投票。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到針對(duì)已鎖定區(qū)塊大于 2/3 的 Precommit 投票時(shí)，就可以將這個(gè)塊 commit，并且進(jìn)入針對(duì)下一個(gè)高度塊的共識(shí)。

若 Precommit 階段定時(shí)器超時(shí)，則節(jié)點(diǎn)保存已鎖定區(qū)塊，然后重新返回到 Propose 階段。

各節(jié)點(diǎn)通過(guò)在以上階段上循環(huán)，對(duì)區(qū)塊進(jìn)行一致性共識(shí)。與 PBFT 算法類(lèi)似，迅雷鏈共識(shí)也經(jīng)過(guò)了三階段提交，但通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鎖定操作，通過(guò)緩存待確認(rèn)區(qū)塊，降低了未達(dá)成共識(shí)情況下重復(fù)通信區(qū)塊帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)壓力，從而提升了共識(shí)效率。

此外，還可以使用玩客云設(shè)備作為驗(yàn)證人節(jié)點(diǎn)。由于玩客云節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常龐大（已超過(guò)150萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)），而且因?yàn)槭怯脩?hù)家庭的共享節(jié)點(diǎn)而存在一定不穩(wěn)定性，所以在PBFT的基礎(chǔ)上融合DPoS的思想，在每條鏈上周期性地（例如每隔5000個(gè)區(qū)塊）選舉出驗(yàn)證人節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)。

綜上所述，新型區(qū)塊鏈技術(shù)采用多鏈架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性 + 使用PBFT實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)一致性 + 使用更公平的DPoS進(jìn)一步提升了共識(shí)效率、也得到了更高的可用性。從去中心化（DecentralizaTIon），安全性（Security）和可擴(kuò)展性（Scalability）三要素的角度看，由海量的廣泛分布的玩客云設(shè)備支撐了去中心化和安全性，采用多鏈架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。

總結(jié)

共識(shí)機(jī)制目前已經(jīng)成為了區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。單一的共識(shí)算法均存在各種問(wèn)題，例如PoW算法存在消耗大量計(jì)算資源及性能低下的問(wèn)題；PoS或DPoS存在“富豪統(tǒng)治”問(wèn)題。融合多種共識(shí)算法優(yōu)勢(shì)的想法正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。此外，包括在少部分可信節(jié)點(diǎn)中選取主節(jié)點(diǎn)的共識(shí)算法、保證高概率正確性的的異步共識(shí)算法、基于特定安全性前提并減少網(wǎng)絡(luò)廣播的共識(shí)算法、基于可信硬件的共識(shí)算法等，也是未來(lái)區(qū)塊鏈共識(shí)算法的研究熱點(diǎn)。

隨著區(qū)塊鏈中賬本數(shù)據(jù)的增加和業(yè)務(wù)量的提升，可擴(kuò)展性也是區(qū)塊鏈系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)共識(shí)算法也提出了新的挑戰(zhàn)。以太坊項(xiàng)目正在研發(fā)中的分片（shard）方案也是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性的另一種方案，受到廣泛關(guān)注。

本文以迅雷鏈為例的實(shí)踐，相信能給業(yè)界提供一個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用落地的優(yōu)秀案例：在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)同構(gòu)多鏈的架構(gòu)的同時(shí)，盡可能地保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；采用有完善理論證明的PBFT算法保證強(qiáng)一致性和共識(shí)性能，滿(mǎn)足了強(qiáng)一致性和高可擴(kuò)展性的業(yè)務(wù)需求；在海量的玩客云節(jié)點(diǎn)上，改進(jìn)了DPoS的公平性，進(jìn)一步提升了共識(shí)效率和可用性。