22、区块链可扩展性与去中心化应用构建

区块链可扩展性与去中心化应用构建

1. 引言

区块链，广义上可理解为去中心化账本，能让应用在无需信任的点对点基础设施上运行。若单个节点在未掌控网络阈值的情况下无法影响系统执行，那么该系统就是去中心化的。去中心化架构不仅能抵御简单的故障，还能防范恶意攻击，这使得在线服务无需依赖可信第三方就能运作，与以往用户数据由单一组织完全掌控的架构形成鲜明对比。

然而，区块链协议虽前景光明，但实际存在明显不足。例如，比特币每秒处理交易不足 10 笔，以太坊的 gas 限制也阻碍了计算密集型应用在其链上的执行。这些局限源于去中心化需要大量复制计算和数据，从而导致高计算、通信和存储开销，影响了吞吐量和延迟。

为解决这些问题，可从四个方面对区块链进行扩展：
- 加快共识协议本身的速度。
- 采用分片技术，并行运行多个共识协议。
- 利用二层解决方案，如支付通道。
- 探索联邦区块链，它可视为二层和分片解决方案的结合。我们的讨论主要围绕安全性（确保区块链系统的一致性和完整性）和可用性（保证能随时检索和检查区块链的当前和过去状态）展开。

2. 去中心化账本抽象

每个去中心化架构本质上都提供了一个只可追加记录的账本抽象，其语义超越了单纯的数据存储和程序执行。这些语义对于在去中心化环境中构建高完整性的应用至关重要，在修改现有或创建新的去中心化账本协议之前，理解这些语义十分必要。

我们将数据库 D 定义为包含交易历史 HD 和对象集合 OD，每个对象都有一个全序的对象版本集合。每个交易是一组应用于特定对象的操作，如读取、写入或追加。对象的版本历史初始值为 ⊥，表示该对象尚未创建。

交易之间