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Journal of Cybersecurity >

2025 , Vol. 3 >Issue 2: 12 - 27

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.250202

Review

A research survey of blockchain scalability: architecture, data and protocol

  • CHEN Baochao ,
  • MA Liyuan ,
  • XU Hao ,
  • MA Juncheng ,
  • HU Dengcheng ,
  • LIU Xiulong , * ,
  • WANG Jianrong ,
  • LI Keqiu
Expand
  • Tianjin University, Tianjin 300354, China

Online published: 2025-07-18

Copyright

Copyright ©2025 Journal of Aeronautical Materials. All rights reserved.
Fold

Abstract

Despite the widespread adoption across various sectors, blockchain faces significant scalability challenges as user numbers and transaction volumes increase, limiting its applicability in the high-frequency and data-intensive environments. Recent research aimed at enhancing blockchain scalability were systematically surveyed with a novel dual classification framework proposed that examined the scalability across physical and logical layers, and through three dimensions: inner-chain, inter-chain, and technology. Unlike prior studies, this comprehensive analysis integrated the domain-specific insights with broader scalability trends, facilitating a deeper understanding of the current landscape. Our findings revealed critical areas of improvement within blockchain architecture, data, and protocol. Survey offers insights into the future development prospects of blockchain scalability through open discussion. This survey can enhance researchers’ understanding of architecture, data, and protocols to advance scalability research.

Key words： blockchains; scalability; inner-chain; inter-chain; architecture; data; protocol

Cite this article

CHEN Baochao , MA Liyuan , XU Hao , MA Juncheng , HU Dengcheng , LIU Xiulong , WANG Jianrong , LI Keqiu . A research survey of blockchain scalability: architecture, data and protocol[J]. Journal of Cybersecurity, 2025 , 3(2) : 12 -27 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.250202

0 引言

区块链技术的飞速发展催生了加密货币、元宇宙和Web 3.0等创新应用的出现。区块链以其去中心化结构、透明度和安全性而闻名，其应用已从金融领域扩展到包括供应链管理、物联网和智慧城市在内的多个不同领域。然而，随着用户数量和交易量的增长，可扩展性挑战日益凸显。例如，在交易吞吐量方面，比特币每秒仅支持约7笔交易，以太坊每秒大约能处理30笔交易，这与Visa等传统支付系统每秒6 744笔交易的处理能力相比差距显著。区块链的交易费用进一步阻碍了其可扩展性，比特币的单笔交易费用可能超过20美元，以太坊的单笔交易费用在1~15美元之间。此外，比特币和以太坊的区块链数据规模正在迅速增长，分别达到了6.97 GB和14.5 GB。可扩展性限制了区块链处理高频交易的能力，也限制了它在智慧城市和物联网应用等数据密集型环境中的适用性。
本文对区块链可扩展性的研究进行了调研。图1描绘了区块链扩展性研究框架。与以往的可扩展性研究不同，本综述从物理层和逻辑层，以及链内、链间和技术这三个关键维度来分析区块链的可扩展性。物理层涵盖数据和协议方面的考量，而逻辑层则涉及区块链架构。这些层中的每个组件均从链内和链间的角度进行审视，同时技术维度贯穿始终。
图 1 区块链扩展性研究框架

Fig.1 Research framework of blockchain scalability

（1）相关工作
本文回顾了近期关于区块链可扩展性的综述，这些综述主要可分为两类。第一类是特定领域综述，这类综述针对区块链特定的研究领域。例如，Wang等[1]分析了基于有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG）的区块链系统，提出了一个通用模型来描述DAG的特征，并确定了6种设计模式，用于评估系统并比较不同的并发扩展方法。Li等[2]详细阐述了分片区块链的关键组件，探讨了相关的攻击与防御机制。类似地，Liu等[3]将分片区块链分解为多个组件，分析了每个组件的核心概念、现有方法及潜在挑战。第二类是综合性综述，这些综述对区块链可扩展性进行了更广泛的分析。Rebello等[4]使用分层架构来描述可扩展性，包括硬件层、0层、1层和2层。Nasir等[5]从横向和纵向维度定义了可扩展性，并将研究分为三个领域：核心增强策略、基于可扩展区块链的应用以及可扩展性分析。Rao等[6]运用数据科学技术来讨论区块链的组件、特性以及可扩展性。
尽管这些综述以不同方式对区块链研究进行了分类，但它们对可扩展性研究的涵盖范围有着局限性。特定领域综述局限于使用每个领域特有的特征来总结特定领域内的研究。相比之下，综合性综述采用框架或科学方法来归纳文献。然而，它们往往依赖单维度分类，这限制了其对可扩展性研究的覆盖范围。为了弥补这些不足，本文提出一个基于物理层和逻辑层，以及链内、链间和技术维度的双重分类框架。本文的多维度框架将可扩展性研究分为架构、数据和协议三类，能够对可扩展性研究进行全面分析。表1将本文工作与其他可扩展性综述进行了对比，以供参考。
表 1 本文工作与现有的区块链可扩展性综述之间的比较

Table 1 Comparison between our work and existing surveys on blockchain scalability

参考文献 架构 数据 协议
分片 DAG 侧链和中继 BoBs 存储 查询 传播协议 交易并行 公证人 支付通道 原子交换
[1] √ √ √ × × × × × × × ×
[2] √ √ √ × √ × × × × √ ×
[3] √ × √ × √ × × × × √ ×
[4] √ √ √ × × × × × × √ √
[5] √ √ √ × √ × √ × × √ ×
[6] √ √ √ × √ × × × × √ √
本文 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
（2）论文概览
本文提出了一个分析现有区块链方法可扩展性的全新视角，围绕三个维度展开分析：链内、链间以及技术。对区块链的物理层和逻辑层进行调研，以确定影响可扩展性的三个关键要素：架构、数据和协议。围绕这些要素对现有区块链研究进行分类与总结，给出了一项全面的综述，旨在推动区块链研究的发展。本文的贡献主要有以下三个方面：
1）创新性地整合了逻辑-物理层以及链内-链间-技术框架，从三维视角对区块链可扩展性进行了深入分析。
2）借助这一多维度框架，将现有的可扩展性研究归类为架构、数据和协议三大类，并对每个领域的研究工作进行了详细分析。
3）全面概述了区块链可扩展性方面的工作，通过开放性讨论，为区块链可扩展性的未来发展前景提供了见解。
本综述的结构如下：第1~3节分别介绍了架构、数据和协议的可扩展性；第4节对区块链可扩展性展开了开放性讨论，并给出了可扩展性提升的潜在前景；第5节为结束语。

1 架构可扩展性

区块链作为传统数据库的可行替代方案在当前商业环境中面临挑战，主要原因是其交易吞吐量能力无法满足基本的交易处理需求。为应对这一局限，各种链内和链间架构扩展技术已备受关注。链内技术包括分片和有向无环图，链间技术分为侧链与中继以及区块链的区块链（Blockchain of Blockchains，BoBs），相关工作总结如表2所示。
表 2 架构扩展技术总结

Table 2 Summary of architecture scalability

方案 描述 方向 类型
[7-18] 网络被划分为不同委员会，交易并行执行 分片 链内
[19-24] 以图拓扑的形式构建交易，包括发散型、并行型和收敛型 DAG 链内
[25-31] 侧链为与主链相连的区块链，中继为不同区块链之间的中介 侧链与中继 链间
[32-40] 重构链间架构，创建跨链互联网，包括公有BoBs和联盟BoBs BoBs 链间

1.1 链内解决方案

1.1.1 分片

近年来，研究者们提出了许多新颖的分片策略。如图2所示，通过将一个网络划分为不同的委员会，分片技术允许并行处理交易，从而大幅提升系统的吞吐量和效率。
图 2 分片可扩展性概述

Fig.2 Overview of sharding scalability

众多研究提出了各式各样的分片策略，涵盖分片重新配置、动态节点成员资格以及分片节点分配的优化。Huang等[7]提出了一种新颖的基于漂移-惩罚的算法，实现了近乎最优的资源分配。Crain等[8]提供了一种新的平衡方法，将所有交易分配到不同角色的同时对其进行了全序排列。Metosis方案[9]通过创建、添加、分割和合并链，展示了动态链行为。Gearbox方案[10]通过动态调整委员会节点的数量来解决整体故障问题。
分片系统的性能对跨分片交易的分布极为敏感，分布不均往往会导致性能下降。LB-Chain方案[11]提出了一种由基于长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）的交易预测所引导的动态账户迁移机制，以平衡各分片之间的工作负载。Broker2Earn方案[12]提出了一种新颖的去中心化金融（Decentralized Finance，DeFi）协议，以减少分片区块链中的跨分片交易。Huang等[13]提出了细调锁（Fine-tuned Lock）协议，以优化分片区块链中的账户迁移，显著缩短了交易完成时间。Sharon方案[14]通过分片轮换而非交易分割来处理跨分片交易，消除了对可信方的需求，并确保了固有的交易隔离性。LMchain方案[15]摆脱了对历史交易的依赖，并通过重新设计的状态维护数据结构和可负载迁移的交易处理协议实现了高性能。
凭借复杂的编码逻辑，智能合约能够推动广泛的应用，包括智能计量、复杂的投票系统以及隐私保护型银行业务。LightCross方案[16]利用配备可信执行环境（Trusted Execution Environment，TEE）硬件的链下执行器来高效执行复杂的跨分片智能合约，并采用轻量级跨分片提交协议来最小化通信开销。Jenga方案[17]提出了一种对智能合约的状态存储、逻辑存储和执行进行统筹协调的系统。Meepo方案[18]引入部分跨调用合并策略，使智能合约能够在多个分片之间实现灵活且并发的调用。

1.1.2 DAG

传统区块链系统的高延迟和低可扩展性限制了它们在各种场景中的广泛应用。DAG是一种能够克服这一限制的有效技术。DAG的核心原理是，以图拓扑的形式构建交易，取代传统的线性区块结构，这使得多个交易能够被同时验证，从而提高交易处理速度和整个网络的吞吐量。基于图拓扑形成的DAG可以分为三种类型：发散型、并行型和收敛型。
第一类是发散型DAG。发散型DAG提供了更高的并行性，因为区块可以以任意顺序添加，这使得发散型DAG非常适合高吞吐量的应用场景，如大规模交易处理或分布式存储系统。IOTA方案[19]采用一种称为Tangle的基于DAG的分布式账本结构，是一种没有区块或链的区块链。
第二类是并行型DAG。由于多条链保持并行，因此并行型DAG提供了较高的安全性，这意味着即使一条链受到攻击，其他链仍能保持完整性。此外，并行型DAG适合处理具有相同优先级的交易或数据。Jointgraph方案[20]通过引入监督节点将投票过程简化为一轮。这些节点用诚实节点替换行为不当的节点，对节点进行监控，并定期对系统状态进行快照以释放内存。
第三类是收敛型DAG。收敛型DAG按一定顺序添加区块，从而提供有序的交易处理，这使其非常适合需要时间顺序的应用场景，如日志记录和时间戳。此外，由于区块的有序性，收敛型DAG还能提供更好的数据压缩和存储效率。Dai等[21]提出了一个基于DAG的轻量级区块链系统GeckoDAG，旨在解决存储可扩展性方面的限制。Ni等[22]提出了FLUID方案来解决现有基于链的区块链在处理连续交易方面的局限性。MorphDAG[23]是一个感知工作负载的区块链系统，纳入了一种双模式交易处理机制和理论上最优的存储并发度，以在保持安全性的同时实现高吞吐量和可扩展性。Cheng等[24]提出了SharDAG方案，利用自适应分片和化身账户缓存来实现高性能和强一致性。

1.2 链间解决方案

区块链系统尚未被广泛用作传统数据库系统的替代方案，主要原因是交易吞吐量不足，无法满足当前商业环境的基本需求。因此，各种链间架构扩展技术受到越来越多的关注，主要包括侧链与中继以及BoBs。

1.2.1 侧链与中继

侧链和中继在实现不同区块链之间的资产和信息转移方面发挥着不同的作用。侧链是与主链相连的独立区块链，而中继则充当不同区块链之间的中介，这两种技术对于开发更具互操作性的区块链生态系统至关重要。
Ziegler等[25]利用Plasma框架将雾计算和区块链技术相结合。Gǎzi等[26]首次给出了侧链系统的正式定义，阐明了侧链之间资产的安全转移，并引入了一种新的安全定义。Singh等[27]从多个角度分析了侧链和平台。Kiayias等[28]创建了首个允许基于工作量证明的（Proof of Work，PoW）区块链之间直接通信的侧链架构。BTC-Relay方案[29]是比特币区块链和以太坊智能合约之间的首个桥梁。Frauenthaler等[30]将按需验证模式与激励结构相结合，大幅降低了基于以太坊的区块链中继的运营成本。Garoffolo等[31]提供了一种类似于比特币的区块链系统构建技术，利用zk-SNARKs和侧链节点，实现了通用可验证的侧链转移机制。

1.2.2 BoBs

与侧链的设计不同，BoBs试图重构现有区块链的链间架构，以创建一个跨链互联网，如图3所示。根据生态系统内区块链的类型，BoBs可分为公有BoBs和联盟BoBs。
图 3 BoBs概述

Fig.3 Overview of BoBs

作为公有BoBs的先驱，Polkadot[32]对在同构中继网络的平行链之间传递消息的方法进行了标准化。Polkadot 2.0创建的一项名为跨共识信息格式（Cross-Consensus Message，XCM）[33]的标准，使协议设计者能够指定其链可以发送和接收的数据类型及来源。BoBs生态系统中的另一个先驱是Cosmos。根据跨链通信协议（Inter-Blockchain Communication，IBC）[34]，Cosmos是一种端到端、面向连接、有状态的协议，用于在以动态拓扑排列的各种区块链之间提供经过验证的可靠的通信。Chainlink创建了跨链互操作性协议（Cross-Chain Interoperability Protocol，CCIP）[35]，专注于端到端安全性、前瞻性的互操作性以及简便的开发流程。
联盟区块链系统一直在采用各种创新方法来实现跨链互操作性，每种解决方案都专注于独特的机制和协议，以实现高效且安全的跨链操作。Chain-Maker方案[36]利用跨链代理、简单支付验证（Simplified Payment Verification，SPV）和交易合约等多个组件来促进跨链操作。BitXHub方案[37]支持万维网联盟‌（World Wide Web Consortium，W3C）标准的分布式标识（Decentralized Identifiers，DID）协议，并采用跨区块链转移协议来促进异构资产、数据和服务的跨链转移。区块链服务网络（Blockchain-based Service Network‌，BSN）跨链通信枢纽[38]具有涉及中继链、异构链和中继器的双层结构，使每个应用链能够独立验证跨链交易，从而增强安全性。Luyu[39]是一种面向源的互操作性协议，通过面向协议的编程为跨多个可信源的安全可靠交互提供了统一方法。Wecross方案[40]引入了4项核心技术，确保跨链交互中的高效可用性、安全性和便利性。

2 数据可扩展性

本节从链内和链间的角度展示区块链数据的可扩展性。在这两个方面，现有工作分为数据存储和数据查询两类。如图4所示，链内节点主要存储部分数据、数据索引和哈希值，以减少资源消耗。链间节点负责存储详细数据及其数据结构，以便进行交易执行和快速定位。相关文献总结如表3和表4所示。
图 4 区块链存储和查询概述

Fig.4 Overview of blockchain storage and query

表 3 区块链存储方案

Table 3 Blockchain storage approaches

方案 机制 类型
Bitcoin[41] 轻节点 链内
Jidar[42] 剪枝 链内
CUB[43] 分片，优化 链内
ICIStrategy[44] 分片 链内
EBSF[45] 分片，优化 链内
BFT-Store[46-47] 编码 链内
LineageChain[48] 优化 链内
LBlockchainE[49] 优化 链内
sChain[65] 链内，链间 链间
DSChain[66] 链内，链间 链间
FACOS[67] 链内，链间 链间
Arbitrum[68] 链内，链间 链间
BlockchainDB[70] 混合区块链数据库 链间
Clouseau[71] 混合区块链数据库 链间
FalconDB[62] 混合区块链数据库 链间
表 4 区块链认证查询方案

Table 4 Blockchain authenticated query approaches

方案 方向 类型
[48,50-56] 查询类型 链内
[48,51,57-61] 查询效率 链内
[62-64] 去中心化 链内
[73,74] 多链查询 链间

2.1 链内解决方案

2.1.1 存储

区块链链内节点存储整个账本数据，这限制了区块链数据的可扩展性。现有的解决方案主要基于轻节点、剪枝、分片、数据编码以及优化等机制。
Nakamoto[41]将节点分为轻节点和全节点，全节点保存整个区块链网络的数据，而轻节点仅保存最长PoW链的区块头数据。Dai等[42]基于剪枝提出了jidar方案，允许节点仅存储它们感兴趣的交易。作为一种典型的存储分片解决方案，基于共识单元的区块链存储系统（Consensus Unit-based Storage Scheme for Blockchain System，CUB）[43]定义了共识单元的概念，允许多节点相互协作，共同存储至少一个完整的区块链账本。Li等[44]引入了一种基于集群的多节点协作存储策略ICIStrategy，其中区块链网络中的参与者被划分为多个集群，每个集群的节点共同维护一个完整的账本。模拟结果表明，ICIStrategy仅需要Rapidchain所用存储空间的25%。受CUB的启发，Yin等[45]提出了高效的区块存储框架（Efficient Block Storage Framework，EBSF），并根据节点的特性对区块数据的分配进行了数学建模。其目标是在满足每个区块查询能力阈值的同时，最小化存储整个区块链账本的总成本。Qi等[46]基于数据编码提出了存储引擎BFT-Store。它将一个区块划分为n - 2f 个子区块，并使用纠删码将它们编码为n个编码块。每个节点存储其中一个编码块，以减少单个节点上的数据存储量。Qi等[47]将纠删码与BFT共识协议相结合，打破了全复制策略。在优化方面，Ruan等[48]提出了溯源系统LineageChain，它能够有效地捕捉区块链的细粒度来源，为智能合约提供一个简单的访问接口。LBlockchainE方案[49]根据功耗、网络传输和激励成本，通过一种数据放置策略来决定传感器数据的存储位置，通过将元数据和数据位置打包成区块，减轻了存储负担。

2.1.2 查询

为了加强区块链查询服务的功能和效率，轻节点用户需要额外的验证机制来独立验证查询结果。本文对各种基于区块链的可验证查询方案进行了全面分析。
在改进区块链查询方法方面，Pei等[50]通过默克尔语义前缀树为混合区块链系统提出了一种可验证的语义查询解决方案，在保持强兼容性的同时支持关键词、范围和模糊查询。LineageChain方案[48]通过智能合约为基于账户的区块链系统中的历史数据查询提供了一个接口。Xu等[51]为混合区块链系统中的时空关键词交易提出了一种可验证的K近邻和范围查询方案，利用MRK-Tree来组织这些交易并支持高效的查询处理。Zhang等[52]引入了抑制默克尔倒排索引和变色龙倒排索引，用于混合系统中的可验证关键词查询。支持语义的区块链数据库（Semantics Empowered Blockchain Database，SEBDB）[53]将传统数据库的优势整合到区块链架构中，显著提高了可扩展性并支持丰富的可验证查询。LedgerDB方案[54]提供了可验证的数据删除操作来管理过时或隐藏的数据，从而提高了存储可扩展性。在此基础上，Yang等[55]引入了三元验证因素，以标准化的方式对数据账本进行分类，适用于现实世界的应用场景。关于区块链上的图数据查询，Wu等[56]设计了区块链中图的隐私保护累加器（Privacy-preserving Accumulator for Graphs in Blockchain，PAGB），采用非交互式协议和二叉树乘法方案来提高区块链查询的实用性。
为了提高查询效率，LineageChain方案[48]通过将默克尔树转换为默克尔有向无环图，并集成确定性仅附加跳表（Deterministic Append-only Skip List，DASL）来加快查询速度。Xu等[51]开发了用于多区块查询的高效块剪枝（Efficient Block Pruning，EBP）算法和用于单区块查询的可验证K近邻查询（Authenticated ‌K-Nearest Neighbor‌ Query，AKQ）/可验证范围查询（Authenticated Range Query，ARQ）算法。类似地，Yin等[57]创建了高效可认证查询（Efficient and Authenticated Query，EAQ）框架，支持对多属性区块链数据的快速查询和验证。为应对大规模区块链数据查询的挑战，Xu等[58]引入了一种估计区块链交易量的方案，允许根据用户偏好智能地调整查询效率和精度。同时，veffChain和veffChain++方案[59]分别专注于可验证的k精确查询和模糊查询，以确保区块链数据查询的新鲜度。Linoy等[60]引入了可认证多版本跳表（Authenticated Multi-Version Skip List，AMVSL），支持对历史区块链数据的范围查询。Dai等[61]引入了一种基于布隆过滤器的可验证查询方案，提高了轻节点的效率。
在实现查询处理去中心化方面也取得了重大进展。FalconDB方案[62]支持轻节点通过可验证的数据结构来验证来自全节点的查询结果。Li等[63]提出了一种去中心化的搜索机制DeSearch，利用TEEs来确保查询的可验证性和隐私保护。CoralDB方案[64]提供了一个混合区块链数据库系统，采用基于可验证随机函数的共识机制，旨在实现跨组织的高效且安全的协作。

2.2 链间解决方案

2.2.1 存储

提高数据可扩展性的另一种方法是通过链间存储，其核心思想是将数据存储在第三方服务器上，仅在链上存储数据摘要。当前的研究主要分为两类：第一类是基于区块链设计验证策略，实现链间处理和链内验证；第二类是将区块链集成到数据库中，以实现混合分布式数据库的访问控制和数据管理。
区块链系统可以通过链间存储和并行处理来扩展交易。Zhang等[52]提出了一种混合存储模型，其中仅在链上存储少量元数据，原始数据则外包给链间存储服务提供商。类似地，sChain[65]、DSChain[66]和链上链下细粒度访问控制系统（Fine-Grained Access Control with On-chain and Off-chain System，FACOS）[67]的研究也有相同的思路，利用链上和链下的数据协作存储，并通过不同机制确保链下数据的完整性。Kalodner等[68]设计了一个名为Arbitrum的加密货币系统，该系统支持智能合约。
关于第二类研究，Ge等[69]对现有的5种混合区块链数据库系统进行了定性比较。El-Hindi等[70]提出了一种名为BlockchainDB的区块链上的共享数据库，它将区块链用作存储层，并在其之上引入了一个数据库层。Konsta等[71]提出了一个将Hadoop分布式文件系统（Hadoop Distributed File System，HDFS）与以太坊区块链相集成的系统Clouseau。区块链在HDFS上提供可验证的完整性，并充当安全协调器。Grabis等[72]提出了一种用于分布式数据存储和数据共享的高效方法，其主要思路是利用区块链来控制对个人数据的访问，并使用知识库来提高检索效率。Peng等[62]提出了FalconDB方案，将区块链用作共识平台和分布式账本，能够在相互不信任的情况下运行。

2.2.2 查询

为了进一步提高区块链查询系统的可扩展性，近期的研究开始探索多链查询，这在数据跨多个区块链分布的环境中能够提供更高效且可扩展的解决方案。Han等[73]引入了Vassago系统，通过存储跨链交易的依赖关系实现基于这些依赖关系的执行查询。Qanaat方案[74]专注于跨企业、安全私密地共享业务数据，引入了一种分层数据模型，确保仅公开最小的数据子集，从而保护数据隐私。这些多链和多企业解决方案代表了区块链可扩展性研究的重大进展，在满足跨链互操作性和安全数据共享的日益增长的查询需求的同时，保持了查询系统的性能和隐私性。

3 协议可扩展性

本节将协议可扩展性分为两大类：链内可扩展性和链间可扩展性。链内可扩展性侧重于传播协议，这些协议对于提高单个区块链内的交易效率至关重要；链间可扩展性涵盖公证人、Layer 2协议和原子交换等机制，所有这些机制都能实现不同区块链之间的互操作性和协调。相关工作总结如表5所示。
表 5 协议扩展性总结

Table 5 Summaryof protocol scalability

方案 描述 方向 类型
[75-84] 优化消息大小和网络协议修改 传播协议 链内
[85-91] 允许区块链同时处理更多交易 交易并行 链内
[92-96] 中心化公证人和去中心化公证人 公证人 链间
[97-114] 计算搬离主链执行，包括支付通道金和rollups Layer 2协议 链间
[115-127] 保证资产交换的安全 原子交换 链间

3.1 链内解决方案

3.1.1 传播协议

区块链传播协议能够减少延迟并提高吞吐量，如图5所示。高效的广播可缓解瓶颈问题，在保持区块链系统至关重要的去中心化和安全性的同时增强可扩展性。研究方法主要分为两类：优化消息大小和修改网络协议。
图 5 区块链网络中块广播的过程

Fig.5 Process of block broadcast in blockchain network

多项研究聚焦于优化消息大小以提升区块链性能[75-76]。Dino方案[77]引入了点对点的区块传输机制，使网络节点能够利用本地交易池数据恢复原始区块。Meta-Regulation方案[78]能够自主调整共识系统行为，响应底层基础设施不断变化的容量。SegWit协议[79]通过处理较大规模数字签名来提高效率。
在修改网络协议方面，Bi等[80]提出了一种基于估计传输延迟来选择最近邻节点的方法，能够在网络中进行高效的消息广播。Zhang等[81]使用纠删码技术提高了区块传播效率。Wang等[82]提出了Swift方案，通过无监督学习和贪婪方法优化了点对点（Peer to Peer‌，P2P）拓扑结构和广播算法，使得大多数交易在区块传播期间无须进行验证。此外，中继协议RepuLay[83]引入了声誉概念，旨在加速网络交易传输。Prism方案[84]通过结构化的DAG模型最大限度地利用物理带宽并优化了系统性能。

3.1.2 交易并行

交易执行速度对于区块链系统的性能至关重要，因为速度缓慢会阻碍可扩展性。为解决这一问题，研究人员提出将并行和并发技术相结合，以提高执行速度和可扩展性，如图5所示。主要有两种交易执行模型：排序-执行模型和执行-排序模型。各种旨在优化交易并行性的解决方案通过允许区块链同时处理更多交易来增强可扩展性。
基于未花费交易输出（Unspent Transaction Output，UTXO）的区块链相比基于账户的系统具有更高的并发性。Reijsbergen等[85]提出了分析模型，用于基于单交易和分组交易的不同并发级别来估计交易执行速度。为了提高智能合约的执行效率，专注于改进并发控制的方法被提出。例如，异步并发执行（Asynchronous and Concurrent Execution， ACE）方案[86]实施了一种先进的并发控制机制和灵活的信任模型，以促进在无需许可的区块链上执行复杂的智能合约。同样，一种确定性的分支-合并机制使矿工和验证者能够通过序列化的调度序列并行运行无冲突的智能合约[87]。诸如使用分区计数器和可交换指令等冲突解决方法，旨在提高交易执行速度。OXII范式[88]采用依赖图，通过识别交易冲突并确定执行顺序来管理并发控制。Chen等[89]为并行执行提供了一种确定性的并发机制。ParFabric方案通过纳入启发式动态重新排序算法和最优区块打包，增强了Hyperledger Fabric中的执行-排序-验证架构[90]，在高冲突场景中提高了吞吐量并减少了延迟[91]。

3.2 链间解决方案

3.2.1 公证人

公证人机制是一种重要的链间扩展协议，它增强了跨链交互的稳定性，并为跨链系统提供了可信赖的支持。它可分为两类：中心化公证人和去中心化公证人。
中心化公证人方法PalletOne[92]通过使用陪审团共识和适配器在不同区块链上运作，在没有平行链的情况下支持跨链智能合约。UniswapV3方案[93]也采用中心化模型来加强价格预测，提高盈利能力并引入灵活的费用结构。相反，去中心化公证人方法，如Corda[94]，使用由分布在不同数据中心的多个工作节点组成的高可用公证集群，通过分布式共识机制确保数据一致性。Tokrex方案[95]为区块链互操作性提供了一个完全去中心化的系统，实现了区块链之间以及区块链内部的实时资产交换。0x协议[96]促进了以太坊上以太坊征询意见20（Ethereum Request for Comment 20，ERC20）代币的低摩擦点对点交换。

3.2.2 Layer 2协议

Layer 2扩展方案的核心思想是将交易或计算搬离主链执行，只在必要时与主链交互。从协议的角度来看，Layer 2主要分为支付通道和Rollups。
支付通道技术通过建立链间点对点通道来聚合高频小额交易，从而降低交易费用并提高系统吞吐量。从性能和资源开销的角度来看，Xu等[97]引入了用于支付通道的最优跨链恢复协议（OPtimal off-chain REcovering，OPRE），利用密码学确保强大隐私保障的同时，实现了支付通道的最优恢复。Seo等[98]提出了一种两层结构的聚合支付请求方案，以应对闪电网络提供的有限可扩展性来扩展带宽。Wu等[99]引入了超级节点和基于超级节点的池化概念，以增强大型闪电网络内微支付的可扩展性。Ge等[100]引入了一种无环链下再平衡协议Shaduf，能够在不依赖循环结构的情况下直接在通道之间转移资金，从而实现支付通道的高效再平衡。他们还提出了一种新颖的多方通道构建方法Magma[101]，将传统的支付通道设置从两方扩展到多方。从安全角度来看，Kappos等[102]对闪电网络（Lightning Network，LN）的隐私性进行了全面分析，剖析了几种会暴露隐私的攻击。Biryukov等[103]开发了一种精确的探测模型，考虑了并行通道，能够在多通道跳中全面提取余额信息。Shaduf++[104]是Shaduf的增强版本，它为再平衡操作提供了隐私保护。Qin等[105]提出了首个与比特币兼容的支付通道枢纽（Payment Channel Hub，PCH），该通道能够实现关系匿名性并支持可变支付金额。Zhang等[106]设计了匿名多跳锁（Anonymous Multi-Hop Lock+，AMHL+）和增强的匿名多跳锁（Enhanced Anonymous Multi-Hop Lock+，EAMHL+），利用洋葱加密算法，实现了支付节点与中间节点之间的关系匿名性，消除了完全匿名连接的假设。Zhang等[107]提出了聚合支付通道网络（Aggregated Payment Channel Networks，APCN），能够抵御双花攻击，同时提高了资源利用率。
Rollups技术[108]将大量交易在链下进行批量处理，仅将压缩后的数据及有效性证明提交至主链，实现了交易扩容‌。现有研究主要存在两种类型的Rollups：Optimistic Rollups和ZK-Rollups。Optimistic Rollups默认交易有效，只有在有人质疑时，才会通过欺诈证明验证其有效性。Specular方案[109]研究了N版本编程（N-Version Programming，NVP）技术和基于计算的评审委托（Refereed Delegation of Computation，RdoC）协议之间的关系，针对以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine，EVM）及其指令集设计了一个语义感知的证明系统。DoubleUp Roll方案[110]针对Arbitrum[111]和Optimism[112]两个代表项目设计了双花攻击，使得攻击者可以从中窃取资金。相较之下，ZK-Rollups无需信任假设，通过零知识证明机制对链下交易进行加密验证，无须等待挑战期，即可在主链上快速确认交易。Fernando等[113]在一系列交易上定义了账户完整性约束，设计了用于交易完整性的ZK-Rollups。zkSync方案[114]引入了zkEVM，实现了对智能合约的原生支持，并结合账户抽象机制提升了用户体验。

3.2.3 原子交换

原子交换协议[115]最初是为了促进不同区块链网络之间的资产交换而开发的，由于其固有特性，在链间扩展的背景下，其重要性大幅提升。跨链原子交换整合了密码学技术、智能合约和特定角色，以实现安全的资产交换，其中关键考量因素包括激励机制、安全性和形式化。
从设计和性能优化的角度来看，Ledgerlocks方案[116]将跨链操作转换为分布式账本中的交易，并通过适配器签名对其进行验证。AMHL方案[117]使用单向同态函数在多个支付通道网络中实现了匿名原子交换。Thyagarajan等[118]设计的协议仅依靠交易签名验证，无须借助任何脚本语言，就能实现任意目标链和源链之间代币的安全交换。Sarisht等[119]引入了激励兼容的跨链消息验证机制，允许两个用户乐观地交换跨链数据，但其计算复杂度较高。Imoto等[120]将跨链消息验证的复杂度降低到了O(nlogn)，但存储效率有所下降。
从成功率和安全性分析的角度来看，Herlihy等[121]引入了跨链交易，将其作为复杂分布式计算环境中的解决方案。Manevich等[122]展示了零知识证明协议的实际效率。Li等[123]提出了一种使用侧链的隐私保护跨链解决方案ZeroCross，旨在支持多个付款人同时付款以及灵活的交易金额。TrustBoost方案[124]通过见证网络确保跨链消息验证的原子性，但由于其中心化特性，它仍然容易受到贿赂和侧信道攻击。Glabbeek等[125]提出了一种使用ANTA、保证成功的跨链支付协议。Xue等[126]提出了两种替代协议，旨在实现更具表达性和容错性的跨链交换。Tao等[127]引入了Unity机制，该机制通过利用权限控制的区块链来处理读写失败问题，确保跨链交易的原子性和保密性。

4 讨论

4.1 架构可扩展性

4.1.1 链内

区块链架构扩展是区块链领域的一个关键研究方向。一方面，分片涉及跨分片交互和通信机制，研究人员可以探索不同分片之间高效且安全的沟通方式。这将涵盖跨分片执行智能合约和跨分片传输数据等研究领域，以确保区块链的整体一致性和完整性。另一方面，考虑将分片技术与DAG结构相融合，利用两者的优势构建更高效、更安全的区块链架构。这种融合可能为未来的区块链系统带来全新的可能性。

4.1.2 链间

作为当前最突出的区块链技术之一，BoBs通过跨链互操作性实现区块链架构的扩展。首先，出于安全考量，BoBs的可扩展性受到严重限制。其次，关于BoBs中诚实节点和验证者的数量，明显缺乏系统性研究，这极大地阻碍了其向跨链信息传输领域的扩展。此外，链间场景中智能合约语言和执行环境的差异使得智能合约状态迁移难以实现，这种通用性的缺乏影响了BoBs的适用性。

4.2 数据可扩展性

4.2.1 链内

区块修剪和协作存储等方法有助于减轻节点的存储负担，但这些方法往往会增加查询开销。因此，未来对链内数据的研究必须仔细权衡存储成本和查询效率。目标是设计能在可接受的查询成本范围内保持存储有效性的存储策略和查询结构。除了技术方面的考量，还必须认识到区块链参与者之间的社会属性和关系。借助这一点，研究人员可以解决区块链生态系统中与用户交互、信任和数据共享相关的问题。

4.2.2 链间

虽然从其他区块链访问数据能够显著降低单个节点的存储需求，但也带来了更高的数据安全相关风险。对于链内节点而言，确保链间数据的安全性和完整性仍然是主要关注点，尤其当数据存储在它们的控制范围之外时。为了应对这些风险，未来的研究必须强调链间数据的安全性和完整性。加密技术对于确保链间数据不被篡改至关重要。在检索数据时，区块链节点应获得数据完整性证明，以保证所检索内容的完整性和准确性。此外，可以将隐私保护计算技术集成到区块链系统中，以在数据存储和检索过程中保护用户隐私。

4.3 协议可扩展性

4.3.1 链内

现有的传播协议面临诸如带宽消耗过大、延迟高以及资源利用效率低等挑战。未来的研究可以探索基于实时网络状况的动态路由、定制化的压缩算法以及激励机制，以提高传播效率。此外，节能且保护隐私的协议将提升区块链网络的可靠性和可持续性。并行执行会引入不确定性，这使得验证交易的正确性和一致性变得具有挑战性。未来的研究可以开发将推测执行与冲突解决相结合的混合模型，以减少错误。此外，基于机器学习的预测方法可以帮助提前检测冲突，并优化交易调度，从而提高可靠性。

4.3.2 链间

尽管原子交换协议凭借其无需信任和实用性，已成为扩展跨链功能的关键技术，但它们仍面临一系列挑战。从资金流动的角度来看，现有的原子交换协议由于托管合约的设计而存在内在漏洞，导致资金冻结和交易不公平的风险显著增加。一个有前景的研究方向是探索非交互式加密技术，以确保资金的高流动性和交易的低延迟。从容忍恶意行为的角度来看，在保持绝对原子性的同时提高交易成功率是一个重要课题。至于可扩展性，当前的原子交换协议主要集中在双方之间的两两交换，这极大地限制了这些协议的内在可扩展性。设计公平高效的多方原子交换协议成为一个亟须解决的挑战。分布式签名和多方秘密共享的组合提供了一个有吸引力的解决方案。

5 结束语

本综述凸显了区块链技术在各行业日益广泛应用的背景下所面临的紧迫可扩展性挑战。通过提出一种新颖的双重分类框架，从物理和逻辑层面以及链内、链间和技术这三个维度来分析可扩展性，为区块链架构、数据和协议的改进提供了全面的概述。此外，开放性讨论为区块链可扩展性的未来发展前景提供了见解，为未来的进步铺平了道路。希望这项调研能成为研究人员深入了解可扩展性问题及区块链技术的持续发展做出贡献的宝贵资源。

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