DAPP的发展瓶颈与以太坊扩容

我希望讲清晰 DApp 开发技术的走向。这是区块链行业生长的焦点问题之一，它不仅对开发者主要，而且会影响到其他行业介入者。因此我只管讲得直白浅易，争取让非手艺靠山的听众也能大要听懂。

DApp 为何主要？

我先从 DApp 自己提及，由于前因后果很长。最后照样决议简要地谈谈，否则逻辑上不完整。

DApp 是 Decentralized Application 去中心化的互联网应用。例如比特币就是一个 DApp，它是去中心化的价值存储加密货币。去中心化的看法对照庞大，V 神有篇文章说明晰去中心化有架构、治理和逻辑三个维度，人人可以找来看看。

从使用者的角度看，去中心化可以简朴明了成，不能被个体或者少数介入者所控制，因此值得信托的应用属性。区块链是实现 DApp 的主流手艺手段，或者说区块链是 DApp 的基础设施。

本次分享所说的区块链，若是加不特殊说明，都是指公链。DApp 和通俗的互联网应用的差异就在于 D 去中心化。那么去中心化为什么主要？为什么值得众多 IT 互联网从业者介入其中？它是不是个伪需求伪看法？

回覆这个问题最清晰的，是 a16z 的合伙人Chirs Dixon，他在 2018 年 2 月发表文章题为《Why Decentralization Matters》，就是去中心化为什么主要。

要明了他的看法，首先要领会什么是网络效应。网络效应是指产物或服务的效用随着用户增进而增添的机制。

例如微信，用得人越多，它的功效就越壮大，越不能或缺。互联网应用的焦点就是确立并维持网络效应，谷歌、亚马逊、BAT 等巨头的营业，都是确立起了壮大的网络效应，使得后来者难以逾越。

Chirs 以为互联网平台要确立网络效应，都是要千方百计的吸引用户、吸引开发者和商家等等。然则在突破了关键规模之后，平台的吸引力越来越强，它的控制力也越来越强。

好比现在做电商，若是不依托于天猫、京东或者微信，险些不能能乐成。由于他们已经形成了伟大的网络效应，用户和商户都被锁定了。互联网平台的运营方都是企业，企业的使命就是利润最大化。

当用户和商户离不开平台的时刻，平台跟用户商户之间的关系就就发生变化。我们看上面这张图，平台最最先是吸引用户，形成网络效应之后，就最先只管从用户头上赚钱。

平台跟开发者、内容创造者和商户之间，也从互助逐步走向竞争。例如人人都知道百度搜索效果不是按信息的真实性和主要性排序，而是谁给的钱多就排在前面。

最早百度普遍联系各家公司，让人人把信息提交给他，利便用户搜索。现在若是不交钱，公司的官网在百度上就搜不到。百度为了赚钱，把病患导流给莆田系医院。但海内的用户明知云云，照样离不开百度，由于百度的数据最多，对用户也最领会，想想是不是很恐怖。

DApp 可以改变互联网平台垄断的局势。由于 DApp 是去中心化的，靠公然透明的共识维持的经济体。网络的介入者孝敬越大，响应的权力也就越大，然则没有个体能控制全局。

任何介入方要损害其他人的利益，要么是行不通，要么就会引发分叉。DApp可以历久保持开放、公正，以是人人不用忧郁过河拆桥，所有人都尽自己最大起劲介入建设，并获得回报。有点类似于各展其长、按劳分配的社会理想。

这才是真正的开放网络，是互联网不应遗忘的初心。以是众多互联网大咖都对DApp以及实现DApp的区块链手艺情有独钟，并寄予厚望。

DApp 生长逆境

去中心化应用承载着重塑互联网的伟大理想，然则其生长现状异常拮据，这个也人人都清晰，我简朴提一下。

首先是用户少少，例如展望市场 Auger，DApp 领域的明星项目，融资数千万美元，开发历时三年多，上线之后日活用户几十人，而且 Auger 不是个案。

我们看上方的图，来自 DAppReview，是以太坊 DApp 日活用户的前5名，最高的也只有千用户级，而互联网的顶级应用日活用户可以到达数亿，差距是 5 个数目级。

为什么 DApp 情形云云可怜？主要是由于区块链基础设施不给力，使得DApp 使用门槛高、用户体验差。就好比以太坊是一条村级公路，收费高而且拥堵，固然就没人愿意走。

下方的图展示的是以太坊的行使率，可以看到从 2017 年底到现在，以太坊一直是靠近满负荷运转。也就是说 DApp 又慢又贵，但基础设施已经全力以赴了，没有再提升的空间。

在这样的逆境下，DApp 要突破关键规模、创造出网络效应、跟中心化互联网应用竞争，是不能能的，以是必须升级区块链基础设施。

又慢又贵的缘故原由——区块链极端冗余结构

DApp 又慢又贵的泉源是区块链平台的架构限制。这个架构限制可以简朴归纳综合为：区块链是极端冗余的盘算架构。

冗余就是重复，让多台盘算机重复执行相同的盘算、重复存储相同的数据。冗余是有意为之的，不是虚耗。适当的冗余在企业盘算和互联网都普遍存在。

最典的是主从结构，两台差不多的盘算机一主一备，执行相同的盘算、存储相同的数据。主机泛起故障，备机迅速顶上。虽然两台机械干了一台的事情，然则提高了系统的可用性。

但为什么说区块链是极端冗余呢？由于区块链把冗余推到了极限，网络中所有的盘算机，岂论是几百台照样上万台。都执行相同的盘算，存储相同的数据。冗余的水平无以复加。极端冗余意味着极端高昂的成本，成本高到什么水平？

V 神给出过估算，就是在以太坊上执行盘算或者存储数据，比在商业云平台上完成相同盘算或者存储同样的数据，成本高 100 万倍。也就是在通俗云服务上破费 100 钱能完成的盘算，放到以太坊上去做，需要 1 个亿的成本。以是在思量什么营业可以做成 DApp，一定要思量到成本。

不要仅仅为了讲故事圈钱，就把什么阿猫阿狗都放到区块链上来，那是资源的伟大虚耗。那么花 100 万倍的成本，能获得什么利益？高可用性固然不在话下。比特币或者以太坊网络，随时都有盘算机加入或者退出，对营业毫无影响。

然则高可用性显然是不够的，由于它只需要适度冗余就能实现，不需要极端冗余。极端冗余带给我们的新属性就是去中心化。详细地说，去中心化对用户意味着 trustless、permissionless和censorship ressistancy，就是去信托、无允许和抗审查。

无允许很好明了，任何人想要使用比特币、以太坊，都不需要向别人申请。抗审查也很清晰，没人能阻止你使用区块链。好比维基解密，天下上最壮大的国家恨它入骨，欲除之而后快，然则维基解密仍然能获得比特币捐钱。

寄义对照模糊的是去信托，英文是 trustless、trust free 或者 trust minimal。我以为最准确的说法是 trust minimal 信托最小化。使用去中心化应用，实在隐含了对区块链网络整体的信托。

例如使用比特币和以太坊，就要信托比特币和以太坊不会被 51%攻击。使用 Cosmos 和 Polkadot 就要信赖恶意验证人少于 1/3。以是去信托的准确寄义是，在信托整个区块链网络的前提下，可以不必信托个体矿工或者验证者，也无需信托买卖对手。

对于某个应用，若是用户从去信托、无允许和抗审查这三个方面获得的利益，值得破费 100 万倍的成本，那么这个应用放在区块链上就是合理的。有这样的应用吗？就我自己来看，现在能值这个成本的，只有价值存储一项需求。

著名的比特币最大化主义者 Jimmy Song 说，比特币会乐成，而法币和所有的竞争币都市失败。缘故原由是中心化的货币干永远不外去中心化的货币，而去中心化的产物永远干不外中心化的产物。

隐含的逻辑就是，相同的互联网服务产物，成本差 100 万倍，固然干不外。他这个说法是有原理的，然则过于僵化。由于 100 万倍的成本差距不是一定的，是可以改变，可以拉近的。

能不能把 DApp 和中心化互联网应用的成本差距，从 100 万倍拉近到 10 万倍，1 万倍，甚至 1 千倍。同时仍然保持去信托、无允许和抗审查这三大利益。回覆是完全可能，只要降低冗余的水平，就能降低成本。方式有三类，也就是区块链扩容的三个思绪——代议制、分层和分片。

三类扩容思绪 1——代议制

第一个扩容思绪——代议制，源于人类的古老政治智慧。即民主是好的，然则全民直接民主效率太低。英国脱欧接纳了全民公投的方式来决议，然则显然不能所有的议题都搞全民公投。

代议制是人民选出代表，再由代表来议定执法或者重大决议。代议制提升决议效率有两个缘故原由，第一是介入共识的人数大为削减，第二是代表通常是专职政治家，他们有更多的资源和知识来议定国家大事。

用代议制的方式来做区块链扩容，最典的是接纳 DPoS 共识的 EOS。EOS 通证的持有者选出超级节点，21 个超级节点轮流出块。跟以太坊相比，介入共识的盘算机数目下降了 3 个数目级。

而且以太坊的节点盘算能力崎岖不齐，协议参数设定要兼顾低端盘算机。而 EOS 超级节点主机硬件设置和网络带宽有统一的高要求。以是绝不新鲜，EOS 能到达数千 tps，远高于以太坊。

EOS 从降生之日起，就一直处于风口浪尖。加密社区的一部门人严肃地指斥 EOS，说它中心化的，甚至以为它基本不算区块链。而支持者以为 EOS的去中心化水平是足够的。用户仍然能够享有去信托、无需允许和抗审查等利益。

那么 EOS 的去中心化水平是否足够呢？我的看法是：有些情形下够，有些情形下不够。取决于是什么应用，谁在使用。

用户和用户差异伟大，只从国籍分，就有美国人、中国人、伊朗人、朝鲜人等等。另有性别、岁数、种族、地域、职业、宗教等等差异。

另外就是一个特定用户，他的需求也是多样化的，例如社交、娱乐、金融、协作等等。大类又分成许多小类，金融里仅仅对货币就有价值存储需求、大额转账需求、小额支付需求等等。

若是把是大部门身家都用加密货币来做历久价值存储，我首选比特币。若是是小额支付，或者打麻将、掷骰子，用 EOS 固然也没问题。在区块链天下，从去中心化水平最高的比特币和以太坊，到中心化水平最低的 EOS 和波场。

可以看成是去中心化谱 decenralization spectrum。每条公链，包罗后面重点先容的 Polkadot 和 Cosmos，都在谱中占有特定位置，都有机遇适用于特定需求。不存在 one chain fit all 一链打遍天下的可能性。

做架构设计就是做折中，有所选择一定就有所放弃。本次分享的焦点理念，就是未来的区块链天下是异构的、多链共存的。固然，我也不以为需要几百上千条公链，由于合理的可选位置没那么多。在定位大要相似的情形下，网络效应会祛除弱者。

三类扩容思绪 2——分层

分层也称为二层扩容或者链下扩容，就是把一部门买卖放到在区块链以外执行，同时仍然保障买卖平安。分层有状态通道和侧链两类手艺。另有一类二层手艺，是把盘算密集义务转移到链下执行，这块与分享主题无关，不再提及。

状态通道和侧链是差别的手艺隐喻，然则到了实现层面，实在异常相似。由于 Cosmos 和侧链有很深的内在联系，以是我在这里花点时间，讲讲侧链的原理。

要明了侧链，首先要明了 SPV 证实，SPV 是 Simplified Payment Verification 简朴支付验证的缩写。为了让盘算和存储能力有限的装备能够使用比特币的问题，才有了 SPV，或者叫轻客户端或者轻节点。

手机钱包就是轻客户端，它不必同步所有区块，只需要同步区块头，传输和存储的数据量缩小了 1000 倍。左侧图是 SPV 证实的原理，行使了梅克尔树。看不懂没关系，只要记着梅克尔树是区块链最主要的数据结构。

行使它可以只需存储少少的数据，就可以证实大量的事实曾经发生过，而且属于特定聚集。就区块链来说，就是只存储区块头，未来就可以验证买卖是否存在于某个区块。

侧链方案就是把主链资产通证锁定，在侧链上对应地创造出通证承兑汇票，汇票买卖在侧链执行，在侧链上获得汇票的人可以兑换主链通证。详细来看右图的以太坊 Plasam MVP 侧链方案。

首先要在以太坊主链上部署 Plasma 智能合约，假定有 Alice 和 Bob 两个侧链用户。Alice 提议主链买卖把通证存入 Plasma 合约，通证被合约锁定。

侧链的 Operator 发现 Alice 存入了通证，就会在侧链里创建出侧链通证，也就是主链通证的承兑汇票。请注意侧链本也是区块链，它有自己的共识协媾和矿工。

在 Plasma MVP 方案中侧链接纳的共识是PoA权威证实，就是一个 Operator 说了算，由它记账出块。PoA 固然不是唯一选择，Loom 的 Plasma 侧链接纳的 DPoS 共识。

存入之后，Alice 就可以在 Plasma MVP 链使用通证，举行支付或者转账。例如她可以跟 Bob 玩游戏，输赢通证，可能很快就玩了许多局，发生了大量转账买卖。侧链买卖只需要侧链的节点杀青共识。而侧链的规模通常比主链小得多，因此买卖执行更快，成本也低。

侧链区块的区块头，都市由 Operator 提交给主链的 Plasma 合约。岂论侧链一个区块含有若干笔买卖，是 1 千笔照样1万笔，主链只发生了纪录区块头一笔买卖。以是主链上的 Plasma 合约，相当于是侧链的 SPV 轻节点，它存储了区块头，从而可以验证侧链买卖是否存在。

例如 Alice 在侧链上把通证转给了 Bob，Bob 就可以向 Plasma 合约发请求，包罗侧链买卖的 SPV 证实，示意 Alice 已经把这些通证给我了。

Plasma 合约可以验证转账买卖在侧链确实存在，从而知足 Bob 的取款要求。这个例子说明晰分层方案如何把大量买卖转移到链下执行，或者说转移到二层网络执行。

三类扩容思绪 3——分片

第三个扩容思绪是分片，原理很简朴，就是别让所有的节点都执行所有的买卖。把节点分成许多组，或者说分成许多片。多个分片可以并行处置买卖，总体的处置能力就提高了。

固然还需要一条特殊的链来看守所有的分片，这条一样平常称之为主链，它要做许多事情，后面再详细先容。大略的注释是，若是没有主链，多个分片之间没有联系，那就是完全自力的多条区块链，跟扩容无关了。

分片扩容的基本思绪异常简朴，但现实做起来则面临许多庞大难题。为了明了后面要对比分析的几个公链架构，你首先要也许领会这些难题。另外由于这个公链都接纳 PoS 共识，以是我们讨论分片难题和解决方式基于 PoS 来讨论。

分片的难题——验证人选择

首先就是分片之后，每个分片都需要一组验证人。人人看一下这张示意图。

若是在单链上，恶意验证人跨越一半，可以攻击系统。分片之后，只要在一个分片内占有多数，就可以攻击这个分片。以是片分得越多，攻击成本越低，也就是平安性降低。

解决的方式是，分片的验证人分组不是牢固的，而是随机选取，而且每隔一段时间就重新分组。这样恶意的验证人不能事先知道自己被分到哪个组，而贸然发送攻击会受到责罚，因此系统的平安性就不会随着分片数目上升线性的下降。

验证者随机动态分组的关键，是要有可靠的随机数，随机数一直是盘算机科学中庞大而有趣的问题。去中心化地拜占庭容错地发生可靠随机数难度异常大，也是区块链研究的热点问题。

分片的难题——跨片买卖完整性

在分片的方案中，每个分片上可以运行一到多个 DApp，岂论 DApp 在不在统一分片，都要能互操作。首先要明确什么是跨片互操作？由于分片也都是区块链，以是跨片等同于跨链。

人人知道区块链可以看成是分布式共识维护的状态机，状态机通过买卖执行完成状态转移。跨链的互操作应该引发双方的状态转移，也就是两个互操作的链都执行了买卖，而且执行买卖之后的状态具有一致性。

或者说一个跨链买卖要引起两条链甚至多条链的状态改变，而且这些改变要么都乐成，要么都不乐成，不存在中间状态。这跟企业盘算里分布式买卖的看法上异常类似。

只不外传统分布式买卖的介入者通常是多个数据库，而跨链买卖的介入者是多条区块链。非手艺靠山的同砚可能不熟悉状态机和分布式买卖的看法。由于跨链买卖的看法对明了本次分享的结论很主要，我再用非手艺语言注释一下。

假设你要从工行账户转1万块钱到建行账户，这笔转账买卖实在就是从工行账户上减掉 1 万，在建行账户增添一万。工行和建行各自都有数据库存储账户余额，那么就要有一个机制，保证两个数据库的操作，一加一减，在任何情形下要么都乐成，要么都失败。

若是没有这样的保证，工行账户减掉了，建行账户没加上，你少了 1 万块钱，你一定不干。若是工行账户没减掉，建行账户加上了，你多了 1 万块，银行一定不干。

这就叫分布式买卖的完整性或者原子性。简朴吧？实在做起挺难的，由于岂论是工行建行哪家的服务器停电、断网、软件溃逃等等，种种极端条件，都要保证买卖完整。在区块链上，转账酿成了转通证。

某通证发行在A链上，通过跨链转 10 个通证到B链，跨链买卖完成后，A 链上的 10 个通证被冻结了，B 链上多了 10 个通证。这两个状态改变在任何条件下，要么都乐成，要么都失败。

由于区块链可能分叉，跨片买卖要比传统的分布式买卖更庞大。我们看图，若是跨片买卖在分片 1 上的部门是在 A 块里被打包，在分片 2 上被 X’ 块打包。两个分片都可能泛起分叉，A 块和 X’ 块也就可能成为被废弃的孤块。也就是跨片买卖可能部门乐成部门失败，完整性被损坏。

怎么解决这个问题呢？我们来分析一下，造成跨链买卖完整性被损坏的基本缘故原由是，买卖的多个部门被打包进区块，然则链可以重组，块可以酿成孤块。

说白了就是买卖进了区块，然则靠不住，有可能忏悔，正式说法是没有明确最终性。最终性finality就是区块一定被包罗进区块链。

在比特币区块链上，某个区块后面连的区块越多，它被逆转或者说放弃掉的可能性就越低，然则永远不能 100%确定，以是称为概率最终性或者渐进一致性。解决这个问题的设施就是，要有机制让区块具有明确的最终性，不能模糊。

分片的难题——最终性 VS 活性

finalize 就是使区块具有最终性，我翻译成敲定。要使区块具有最终性。简练的方式就是出块即敲定。Cosmos 的 Tentermint 共识就是这样。然则这个做法在特殊情形会出问题。

我们看图，某条 Tendermint 共识的区块链原本正常出口。突然海底光缆断了，互联网被分成了两部门。两部门各自包罗一样平常验证人节点。Tentermint 共识要求收集到 2/3 以上的验证人署名才气出块。

被断开后，两部门网络都最多收集到一半验证人署名，以是出块住手了，或者说区块链丧失了活性 liveness。有人以为这可以容忍，原本就是特殊情形嘛，那就先停下来，等网络恢复正常再继续事情。

海底光缆断了，上网、打电话、视频会议都受影响，凭什么区块链就不能暂停呢？另有人以为住手出块不能接受，要始终保持区块链的活性。那怎么办呢？设施就是把出块和敲定离开，也称为夹杂共识。

在适才说的网络中止情形，在两个离开的网络，节点可以继续出块，然则没有足够的验证人介入进来，以是不能敲定。等网络恢复了，再决议哪些块被敲定，从而活性和最终性兼得。

而且夹杂共识可以让个体节点轮流快速出块，于此同时，敲定历程可以慢一些，让大量节点介入进来，确保去中心化，提高攻击和同谋的难度，也就是保障了平安。以是夹杂共识也兼顾了性能和平安。以太坊 2.0 和 Polkadot 都接纳夹杂共识。

分片的难题——买卖有用性

另有个分片难题是买卖有用性。买卖有用性问题就是防止无效买卖进入区块，成为区块链维护的历史真相的一部门。

举比特币的例子，如果我是超级大矿工，掌握了大部门算力。我想伪造一笔买卖，把别人地址上的比特币转给我，能不能做到呢？谜底是做不到。

由于这笔买卖没有地址对应的私钥署名，是无效的，包罗这笔买卖的区块也是无效的，不会被其他节点所接受。即便我掌握了大部门算力，可以挖出最长的链，但也只是构建了一个很长的分叉。

众多的比特币钱包、买卖所都不会认可我这个分叉。以是 51%攻击，并不能把谁的 btc 偷走，或者凭空创造出比特币。最多是双花攻击，双化不睁开谈了。总而言之，比特币网络不存在买卖有用性问题。

那么这样一个十年前就被完善解决的问题，怎么又会泛起呢？缘故原由是 btc 等公链的节点都拥有所有数据，因此能完全自力地验证买卖有用性。现在酿成了多个分片，节点只存储部门数据，也就无法自力验证买卖有用性。

以上我们先容了四个分片的难题，和响应的解决方案。实在分片扩容的难题不止这些，限于时间，就不再列举了。

以太坊正朔——Serenity

下一代以太坊的lay1扩容思绪就是分片。关于下一代以太坊，信息很杂乱，连名称都不统一，有以太坊 2.0、Serenity、Shasper、Casper 以太坊等，我们统一称为 Serenity。

然则历久而言，Serenity 并不依赖 PoW 链，PoW 下面的三层都属于Serenity，而且正好对应 Serenity 演进的三个阶段。

首先是 Beacon Chain 信标链，主要功效是治理验证人。信标链上线后，若是希望成为 Serenity 的验证人，就把 ETH 从 PoW 链转入信标链。照样用侧链的方式，信标链在 PoW 主链上部署智能合约。

ETH 转入信标链是单向的，不能再从信标链转回 PoW 链。在信标链上拥有 ETH，举行质押并运行节点，就可以成为验证人。为了到达充实的去中心化，做 Serenity 验证人的门槛很低，只需要质押 32 个 ETH，验证人聚集会很大，可以到达几万到几十万这个数目级。

信标链还卖力发生随机数，用于验证人分组和出块人选择。信标链执行 PoS 共识协议，包罗它自己的共识和所有分片链的共识，对验证人举行奖励和责罚。另有就是作为跨片买卖的中转站。信标链预计在今年年底或明年年头上线。

现在有多个团队在举行信标链节点软件开发，有几个团队已经部署了测试网。下一阶段会部署公共的、历久运行的测试网，把各团队开发的节点放在一起举行测试。

信标链往下是多条分片链，分片链被看成 Serenity 的数据层，卖力存储买卖数据，维护数据的一致性、可用性另有活性，也就是确保总是能出块，不会被锁住。分片链的上线时间还不确定。

分片链的下方是虚拟机，虚拟机卖力执行智能合约和转账买卖，改变状态，也就是对分片链数据举行读写。Serenity 很主要的设计决议是把数据层分片链和逻辑执行引擎虚拟机解耦。

解耦带来了许多利益，例如可以分头开发，单独上线或升级等等。Serenty 虚拟机将用 wasm，可以提高性能，并支持多种编程语言。

Serenity 如何前面所说的四个分片难题呢？首先是在信标链上治理验证人池，为每个分片链随机指定一组验证人。接纳夹杂共识，验证人轮流出块，采 Casper FFG 敲定最终性。用举报奖励方式保障买卖有用性。