区块链可扩展性问题解析

在创建区块链技术时，开发者寄希望于数字货币的隐私性和匿名性。通过引入点对点系统的原则，这一目标得以实现——每个用户都是平等的，并且没有像银行那样的管理系统和货币控制机构。

如今，作为一种技术，加密货币面临着下一个任务——实现与 Visa 和 MasterCard 相当的高交易速度。可扩展性问题仍然是区块链技术大规模落地的主要障碍之一。越来越多的区块链项目团队正在寻找能够提升其网络性能的解决方案。许多人声称他们已经解决或几乎解决了这个问题，但这种说法应持怀疑态度。

主要目标

十年前，Bitcoin 并不受用户欢迎。但随着时间推移，系统中用户数量的增加给该技术的算力带来了问题。由于每秒处理支付数量受到限制，使用加密货币变得更加困难。因此，可扩展性问题进一步恶化。

开发者开始积极寻找稳定运行的最佳机制。从那时起，在没有妥协方案的情况下，币种便定期升级或分叉。不过，我们还是按顺序来逐一看看这些问题。

可扩展性问题：任务的本质

所有 Bitcoin 交易都以区块的形式进行，区块会接收交易数据。一个区块可容纳 1 MB 信息，处理速度平均每秒四笔支付。另一方面，矿工的算力负责资金流动和操作稳定性。这对于在创建币种和加密交易记录时计算算法是必要的。每进行一笔交易，数字货币矿工都会获得手续费。

增加交易数量也会降低每笔交易的速度。这使得区块链难以应对大量流量。所有加密货币转账都会排成很长的队列。只有较高的手续费才可能让交易在队列中获得优先级。这一现象会影响币种的流动性（价格波动）——即便以牺牲匿名性和隐私为代价，买家也更容易使用现金或银行卡。

在这种情况下，用户会失去对该货币的兴趣和信心，矿工也会随之失去。结果，投资者会看到投资风险，并将资产从峰值价值和热度中撤出，而交易者则会利用价格波动进行操作。

可扩展性问题如何体现

随着 Bitcoin 的普及，由于网络拥堵，加密货币的可扩展性问题逐渐显现。因此，使用该币种变得更加困难——在 2017 年 5 月，交易排队时间最长达五天。于是，交易速度与安全性的平衡问题浮出水面。

你可以用一个实际例子来分析这个问题。假设需要用一列每节运载能力为一吨的列车运输 500 吨货物，且每节车厢都要进行预先安全检查和装载，每单位装载时间为 2 小时。然而，运输服务的成本会影响货物在队列中的顺序。结果，支付最低运费的收货人至少需要两周才能收到最终产品。Bitcoin 也是如此——不可能像使用银行卡那样快速完成支付。

基于上述内容，可以将可扩展性问题定义为——在一定时间内限制已处理交易的数量。然而，选择支付更高手续费的能力可能会提高交易在区块链队列中的优先级，但这并不能解决问题。

最先想到的办法是，在不采取额外措施的情况下，扩大区块大小并增加每秒处理的支付数量。遗憾的是，这种方法会降低安全性，因为分阶段处理信息可以避免遭受高风险的 DDoS 攻击（出于欺诈目的而故意制造网络拥堵）。区块大小的设定是为了谨慎地验证数据。不过，仍有必要详细分析该情形下可能的解决方案。

如何解决可扩展性问题

开发者、活动人士和科学家开始寻找解决 Bitcoin 可扩展性问题的方法。2017 年长队拥堵的情形达到了高峰，也最具代表性。正是在那时，这一问题在加密 社区中被广泛讨论。为修补这一区块链缺陷，提出了三种概念：

• 扩大区块大小，从而降低支付手续费并提高每秒交易处理速度（TPS）。但它有两个缺点——这条路径会导致币种中心化，并增加 DDoS 攻击成功的风险；
• 分段信息处理或分片（sharding）。部分信息会在细胞之外显示。这样，区块链被划分为两个或多个片段，分别负责不同组的交易。由于处理分片所需的矿工算力较少，因此也存在黑客攻击的风险。由于分成多个部分，安全检查需要轻量级算法。因此，欺诈者可以向网络中添加虚假交易，例如 51 ％ 攻击；
• 一组用于解决可扩展性问题的 L2 方案。这种方法是一种框架，即运行在区块链之上的程序，用于卸载现有网络。这类概念与链上（币种系统内的决策）不同之处在于引入了中介。

第一种方法需要分叉网络并创建一种新币。因此，它会失去对原始链的向后兼容支持。也就是说，在这种情况下，这些货币不再具有同质性。在密码学环境中，这种现象被称为 hardfork。Bitcoin Cash 走了这条路。分叉之后，2017 年 8 月它与第一代加密货币分离，并将区块大小增加到 8 MB。

第二种解决方案涉及创建区块的独立子网，并将部分信息移出其边界。在这种情况下，会发生 softfork——即在不分裂币种的情况下更改软件协议。类似于为带扩展内容的电脑游戏发布补丁。一个例子是 Segregated Witness 更新。区块大小增加到 2 MB，同时部分信息存储在主交易链之外。

这种方案也有缺点——每个分片都会面临网络攻击的危险。对于每个这样的分段，使用的算力都比单个单位更少。

第二层解决方案

早期区块链的架构，主要是 Bitcoin 和 Ethereum，并不是为大量交易和用户而设计的，因此其带宽较低。例如，在 Bitcoin 中每秒只有 5-7 笔交易（TPS），而在 Ethereum 中大约为 15 TPS。

可扩展性可以通过修改区块链协议代码并使用如分片等功能来提高。但这需要大量时间，可能要花费数年。此外，这类改进会改变架构基础，因此项目社区并不总是同意实施。

L2 方案至少可以在一定程度上解决低带宽和高转账手续费的问题，而不会影响主区块链的代码。其主要优势在于，能够在使用“第二层”的同时，在“第一层”地址之间转移资产；“第二层”可以是独立的链下协议，也可以是独立的区块链。

Bitcoin 有哪些 Layer 2 方案？

第一代加密货币的主要 L2 项目是 Lightning Network（LN）。它基于使用智能合约和所谓状态通道的协议运行。Lightning Network 早在 2015 年就已上线，此后一直在积极发展。截至 2022 年 5 月底，LN 通道的总容量已达到 3,900 BTC。

LN 的主要功能是让 bitcoin 持有者能够在不将信息写入其账本的情况下进行直接交换。为此，需要通过一笔链上交易开启一个特殊通道，并将 bitcoin 存入其中。

激活后，支付通道允许你进行链下转账，也就是在主网络之外，以更高的速度和更低的手续费进行交易。与链上交易不同，Lightning Network 通道中的交易仅对其用户可见。只有交易的初始状态和最终状态会被记录在主区块链中。

这种方法显著降低了主 Bitcoin 网络的负载：Lightning Network 能够每秒处理数千笔操作，同时确保较高水平的系统安全性。

Ethereum 有哪些 Layer 2 方案？

尽管速度较慢，Ethereum 生态系统仍然是去中心化应用最受欢迎的生态之一。许多在去中心化金融（DeFi）和不可互换代币（NFT）领域的热门项目都运行在其上。因此，可扩展性问题对 Ethereum 尤为突出。

目前，多个主要 L2 方案正在同时开发：

• Polygon（MATIC）；
• Arbitrum；
• Optimism。

它们运行的主要技术是 Rollups，主要有两种：

• Optimistic Rollups。 在这种方案中，交易先在 L2 网络中完成，然后以大组的形式合并为一个紧凑区块，由验证者纳入主 Ethereum 网络。Arbitrum 和 Optimism 采用的就是 Optimistic Rollups。
• ZK-Rollups。 第二层网络中的交易也会被合并成数据包并发送到 Ethereum 网络，但其确认是通过特殊验证器完成的，这些验证器是对操作有效性的密码学证明。Polygon 就是基于 ZK-Rollups 实现的。这项用于扩展 Ethereum 的技术也得到了平台主要联合创始人 Vitalik Buterin 的关注。

无论采用哪种 L2 方案，Ethereum 作为“第一层”都承担着验证交易、生成区块、记录最终状态的账本以及共识机制的功能。因此，项目无需自行创建基础设施。

还有其他 Layer 2 项目。例如，2022 年 7 月，初创公司 Matter Labs 宣布推出 zkSync 2.0。一个月后，StarkWare 项目上线了其基于 Cairo 语言编写的自有协议。

让我们总结一下

不难看出，在 Bitcoin 协议中，网络资源的使用效率并不高。每个节点只有在很短的一部分时间内处理并传输有关新区块的数据。网络带宽只有在短短几秒内才能被充分利用。其余时间，该节点发送的是未确认交易和辅助数据。这一现象促使研究人员寻找更高效的协议方案，以在不损害网络安全和去中心化的前提下显著提高系统吞吐量。

如今，加密社区仍未达成单一解决方案。争议依然不断，新币种不断创建，协议更新也持续发布。有效的解决方案已经被开发出来，但仍然存在人为因素的风险。随着人工智能作为交易中介的发展，这个问题将得到解决。