深入探讨区块链可扩展性

2024-03-21分类：区块链介绍阅读（）

区块链可扩展性是指网络每秒可以处理的交易数量，以 Visa 和 PayPal 等传统金融解决方案作为当前的黄金标准。吞吐量、最终性和确认时间是区块链可扩展性的三个主要瓶颈。所提出的解决方案都是为了解决这些问题。

区块链可扩展性三难困境（可扩展性、去中心化、安全性）可能是一个棘手的问题，但它并不是一成不变的。为了提高其可扩展性，区块链正在朝着三个方向发展，包括新颖的共识机制以及链上和链下解决方案。

介绍

区块链的可扩展性可以说是加密货币世界的圣杯和瓶颈。它主要指的是交易速度，因为许多加密货币目前的交易时间无法与其他支付方式相比。然而，加密社区正在研究如何最好地克服这一障碍的不同理论。在这篇文章中，我们深入探讨了有前景的发展，这些发展可能最终为加密货币带来近乎即时的交易速度。

为什么可扩展性很重要：加密货币交易速度

Visa 每秒最多可以处理 24,000 笔交易 (TPS)，而比特币只能处理 7 TPS。以太坊是比特币最接近的竞争对手，可以处理 20 到 30 TPS。显然，加密货币必须赶上传统金融的交易能力才能实现大规模采用。

但为什么区块链上的可扩展性如此困难？业内人士听到了哪些指示？本文回答了这些问题以及更多问题。

瓶颈：吞吐量、最终性和确认时间

TPS 与处理速度有何关系？当被问及加密货币是否可扩展时，它到底意味着什么？要回答这些问题，我们首先需要了解吞吐量、最终性和确认时间的概念。

考虑这个故事：

一个人正在等待每 10 分钟一班的公共汽车。然后巴士需要 60 分钟才能将他们带到目的地。然而，这条特殊的路线很受欢迎，总是有很多人试图登上巴士。

两分钟过去了，公交车到了。不幸的是，队列中这个人前面的人太多了，巴士已经满了。他们现在还需要等待10分钟才能开始他们的旅程，可以总结如下：

应当指出的是：

测量吞吐量 (TPS) 还不够，还必须考虑确认时间。简而言之，能够处理高达 100,000 TPS 的协议就很棒。但是，如果它有两天的确认时间，则不足以满足日常使用。
当网络拥塞时，吞吐量不会减少（因为公交车每分钟仍可承载七名乘客），但确认时间会增加，因为平均第一块等待时间较长。
最终性是固定的：有一个“六个区块确认”等待，以确保该区块不可逆。第一个区块的平均等待时间视情况而定。

区块链可扩展性三难困境

区块链可扩展性三难困境是加密货币面临的最大障碍之一。它指出，区块链只能同时实现去中心化、可扩展性或安全性中的两个，但不可能同时实现三个。因此，权衡是不可避免的。三难困境最初是由以太坊创始人 Vitalik Buterin 提出的。

然而，可扩展性的三难困境并不是一成不变的，因为这是 Buterin 和 Web3 社区的观察结果。尽管解决三难困境有多么困难，但算法可能存在……除非有人证明这是不可能的。

1）去中心化

去中心化是指区块链所有权、影响力和价值的多样化程度。加密货币通常是去中心化的，因为没有任何一方可以管理整个网络。然而，去中心化是一个范围，而不是二元的“是或否”，因为包括比特币和以太坊在内的各种区块链项目都有不同程度的去中心化。

2）安全性

安全性是指区块链抵御外部攻击的防御能力和抵抗力。区块链系统中存在多种攻击媒介，包括双花、分布式拒绝服务（DDoS）和51% 攻击。

一般来说，更大的自由度（即自由进入/退出网络）会导致更高的去中心化，但安全性更低。这是因为很难验证新参与者的身份，他们可能属于单个恶意实体，或者串通起来对网络造成损害。

3）可扩展性

可扩展性决定了网络的容量，包括其拥有的节点数量、可以处理的事务数量以及处理事务的速度等因素。

可扩展性这个术语有时会令人困惑，因为比特币的区块链可以在新参与者加入网络时进行扩展。工作量证明（PoW）系统自动调整挖矿难度，网络可以容忍其中存在任意数量的节点。

人们常说的“比特币不可扩展”主要关注的是它的吞吐量。请记住，它的 TPS 只有 7，对于实际使用来说还不够高。比特币的最终确定速度是另一个问题。等待 60 分钟才能确认购买有效绝对不理想。

提高区块链可扩展性

扩展区块链是很复杂的，研究人员和企业为解决这个难题做出了许多努力。总的来说，我们认为区块链可扩展性有三个方向：

Layer-1（链上）
第 2 层（链下）
其他共识机制

Layer-1（链上）解决方案

第一层解决方案需要更改区块链的代码库（因此称为“链上”）。链上可扩展性解决方案代表了区块链的结构性或根本性变化。在这里，我们讨论两种链上扩容解决方案：SegWit 和分片。

隔离见证（SegWit）

SegWit是比特币的协议升级，它改变了数据存储的方式和结构。SegWit 的初衷是解决交易可延展性问题，因为验证发送者资金的所有权和可用性的数字签名在交易中占用了大量空间。

使用SegWit，删除每笔交易的签名数据可以为比特币的1MB存储块中包含的交易释放更多空间和容量，从而允许在一个块中包含更多交易。SegWit 已经在莱特币中实现。

尽管隔离见证提高了吞吐量并帮助比特币处理更多交易，但它并不是一个可持续的扩容解决方案。它不是一种通用的扩展解决方案，只能应用于现有的基于比特币的区块链。尽管隔离见证使比特币能够处理更多交易，但它并没有减少每笔交易的确认时间。

分片

分片是数据库分区的一种形式，也称为水平分区。它是将庞大的数据库分解为更小、更易于管理的部分的过程，其目的是提高性能并减少查询响应时间。

区块链是一个分布式数据库，如果我们对区块链应用分片，那么网络就会被分成不同的段。每个段都由分配给它们的某些节点控制。正因为如此，系统的吞吐量大大提高，因为任意多个节点集群并行运行来处理交易。

第 2 层（链下）解决方案

第 2 层可扩展性解决方案或链下解决方案，向主区块链（也称为主链）网络添加第二层，以促进更快的交易。辅助协议构建在主链之上，其中交易被“卸载”以节省空间并减少网络拥塞。

侧链

侧链是连接到主链的独立区块链，其中资产使用双向挂钩以预定速率在主链和侧链之间进行交易。侧链用于通过将某些应用程序移至侧链来从主链卸载；如果区块链间通信变得更加高效，那么它们是解决可扩展性问题的最有前途的解决方案之一。

多个侧链可以附加到主链上，每个侧链可以有自己的架构。可以创建带有主链的侧链网络，其中主链充当中继网络，侧链代表区块链网络。Plasma（以太坊）和平行链（Polkadot）是使用侧链和中继的流行扩展解决方案。

支付渠道

支付通道是与主链并行运行的链下网络。这个想法是在想要交易的两方之间建立一个渠道。

通道内发生的所有交易都是链下的，不需要全球共识。因此，这些交易通过智能合约快速执行，通常费用较低。典型的支付渠道包括三个阶段：

第一阶段：通过签署和资助来建立渠道。

第二阶段：通道中发生的点对点（P2P）交易。

第三阶段：通道关闭，广播主链的最终状态。

支付渠道有多种不同的设计。闪电网络（比特币）和雷电网络（以太坊）是流行的支付渠道实现。

共识机制及其对交易速度的重要性

区块链扩容的困难主要在于其共识机制，因为它要求网络中的所有参与者就哪些交易有效达成一致。虽然比特币可以扩展到大量参与者（节点），但它无法扩展到大量交易。

因此，一些替代共识机制应运而生，试图解决这个问题。下面我们介绍三种：Nakamoto、Classical 和 Leaderless。

中本聪共识机制

中本聪的 PoW 共识机制为在无需许可的情况下解决拜占庭将军问题开辟了新的方向。随着PoW共识机制的发展，出现了许多新的共识算法。其中包括权益证明 ( PoS )、权威证明 (PoA)、声誉证明 (PoR) 和重要性证明 (PoI)。

一般来说，这些被归类为中本聪共识机制。

经典共识机制

经典共识机制是在比特币发明之前就已经研究的传统算法。他们专注于固定的节点集，通过多轮投票来在整个网络内达成共识。使用经典共识机制的网络示例包括Paxos、Raft和pBFT。

比特币发明后，经典共识机制也随之发展，出现了新的变体，如委托 BFT (dBFT)、联邦 BFT (fBFT)、Tendermint 等。这些机制更适合无许可环境。

无领导的共识机制

传统（类似 BFT）和中本聪（类似 PoW）共识机制都是基于领导者的，要求整个网络为区块提案、交易、账本状态等选举一位领导者，然后网络的其余部分才能投票决定是否或不同意该提案。

然而，有一个新兴的方向，即使用无领导共识机制，允许网络中的所有参与者提出最近的交易，然后这些交易像八卦一样在网络上传播。最终，区块链就包含哪些交易达成共识。使用无领导共识机制的项目示例包括 Avalanche、IOTA 和 NKN。

虽然无领导共识机制似乎为解决可扩展性三难困境提供了一条前进的道路，但大多数目前都处于实验阶段。

关于扩展解决方案的最终说法

尽管区块链仍然面临主要障碍，即可扩展性三难，但除了社区提出的解决方案之外，还有几种潜在的解决方案可以提高交易时间，包括分片和闪电网络。

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