如何提升公链TPS？
任务描述:
BTC开启了区块链1.0时代，ETH将我们带入了区块链2.0，由于两者都没有很快的TPS，商业应用没有享受到区块链的优势，关于提升公链的TPS，请提出一些可行方案，并做详细说明。
公链TPS的瓶颈：
随着区块链越来越火，比特币、以太坊的网络阻塞问题也愈加严重。随后不少的技术方案与项目都着力解决此问题，以求更高的TPS（每秒交易数）。 区块链作为一个记账系统，数据的一致性是必须首先保证的，而保证一致性的过程，在传统数据库中，叫做数据同步，在区块链中，叫做共识。
区块链是一个分布式的系统，影响TPS的，主要就是网络，对于区块链来说，因为网络节点多，分散在全球各地；而且节点所处网络状态是不可控的，无法要求它们的网络带宽，甚至无法要求它们处于稳定的网络中。这对TPS来说无疑是灾难性的。
那些说能达到几十万、甚至上百万TPS的区块链，都仅仅是指建立在理论，没有真正的实践，我们来计算下：真空中的光速是每秒30万公里（相当于每秒绕地球7圈多），在海底光缆中的光速是真空光速的2/3，那么地球两边的节点，完成一次信号交换大约要多久？每秒能完成几次信号交换？这还不算TCP建立连接的3次『握手』，各个网络节点交换机的延迟。
有分布式交易所实测过，基于石墨烯技术的bitshare，实测下来TPS就是几十，完全不是大家传说的那么多，而且EOS的测试也并没有其白皮书公布的TPS那么高，也仅仅是稍多一点。
提升TPS的方案：
影响TPS的瓶颈的网络，那肯定优化方案还是从网络着手。主要为两个方向：
减少每次同步的数据大小
用布隆过滤器（bloom filter）与可逆式布鲁姆查找表（IBLT）结合来压缩每次同步的数据。石墨烯技术就是用的这个原理。石墨烯编码信息所用空间只是紧凑区块空间的10%。使用了布隆过滤器（bloom filter）以及可逆式布鲁姆查找表（IBLT）的新颖交互式组合，能减少同步区块的大小。
布隆过滤器的核心思想：就是用尽可能少的空间来存储尽可能多的内容，同时尽量保证准确率。布隆过滤器本质上很像哈希表，把一个大的空间映射到一个小的空间。
可逆式布鲁姆查找表的原理：首先，在一个区块中包含的所有交易，都会写入一个表（table）中，每一笔交易会始于表上每一个不同的点。然而，存在的交易数远多于表的空间（room），所以它会导致令人绝望的重叠结果。这使得IBLT显得非常地密集，但对于那些无法访问任何交易数据的人而言，IBLT是无法读取的，也是无法破译的。而那些拥有交易数据的人，可通过使用类似的逻辑，将他自己的交易填充到一个IBLT，然后比较IBLT上的重叠交易数据。如果两个IBLT最终看起来完全一样，这意味着所有的交易，是完全匹配的。即使这两个IBLT，最终看起来并不是完全相同，但只要交易集是非常相似的，这可能仍然是有用的。这种情况下，这两个IBLT可以进行比较，用这种方式，所有相同的交易就可以抵消掉一方。而IBLT中“剩余的”交易，往往可以用于重构丢失的交易。 因此没必要在对等式网络上广播完整的区块，节点可以广播更小的IBLT。这需要的数据也就更少了，速度也就更快了。
减少每次同步的节点数量
这个做法有点争议，因为区块链之所以牛，就是因为『分布式』，而减少或限制节点数量，无疑给系统带来了『中心化』的风险。但从技术角度上看，它对TPS的影响是很大的。在分布于全球5个大洲的7个数据中心做测试，当节点（Validator/验证者）只有2个的时候是性能最高的，TPS会随着节点的增加而下降.
因此现在的增强TPS的另外方案在于共识算法，TPS比较高的都是基于BFT开发的共识，今天我要提出的提升公链的TPS的方案为Gosig共识算法，它是一种可扩展的基于拜占庭的共识算法，这个算法经过数学逻辑验证，改进了BFT共识协议，可以使同时参与区块生产的节点达上万个。在带宽为 2Mbps-30Mbps 条件下进行测试，主网速度大于 4000tps，高于EOS测试1000tps，此共识算法由清华大学研究分布式系统关于区块链共识于2018年2月5日发表。
目前，已经有公链宣布其TPS理论值最高可以达到40万+。据介绍，其采用了Gosig共识算法，会使TPS随着带宽的增加而提高。至于安全性，Gosig共识算法下，区块链每轮出块会根据随机算法选出多个潜在出块者，计算出块需要私钥，别人不知道私钥，无法进行攻击。当潜在出块者完成出块计算，区块就完成了网络上传，这时候攻击也无济于事。下图是Gosig一期选举的流程：
那为什么Gosig共识能提升效率
共识是分布式计算理论中的一个经典问题。一种解决方案是BFT协议，通常是PBFT。比特币共识采用POW，这是另一种方法。PBFT和POW都可以在不信任的分布式网络环境中达成共识。主要区别在于BFT协议是确定性共识算法，无需等待，但是无法有效地增加节点的参与。后者依赖于几个（6）块的确认耗时。
这两者在效率上有很大差异。 BFT协议有高效率和低延迟，但是POW在任何时候支持注册和退出节点。Gosig对传统的BFT算法进行了革命性的改进。基于PBFT，Gosig可以支持数万个节点，可以随时注册和退出。Gosig也具有从BFT继承而来的正确性，完整性，安全性。该算法利用了潜在出块者投票机制。它利用密码学原理来避免浪费算力。聚合签名的使用有效地减少了来自节点的投票签名的大小，从而减少了带宽的使用。在最后它使用2轮信息交换，类似于PBFT Prepare / Commit，并获得最后确认所有节点中的一个块。除了足够的安全性，它显著提高了BFT共识表现。
简要的公链的架构图
参考文献：
Gosig共识算法论文 https://arxiv.org/abs/1802.01315
石墨烯开源技术文档 https://github.com/cryptonomex/graphene