区块链可扩展性问题

区块链被创造出来是为了构建一个无需中心化权威即可让用户相互通信的网络。由于区块链网络中的每个节点都拥有相同的权利，人们可能会想知道在没有中心化权威的情况下网络是如何运作的。网络中的每一个节点都有权控制和监督区块链内的交易。

另一方面，区块链的可扩展性问题是节点数量不断增长的结果。尽管这项技术已经存在了十多年，但可扩展性问题可能会阻碍 区块链 的采用。接下来的讨论将全面概述区块链技术中重要的可扩展性问题，并总结重要的解决方案。此外，您还可以进一步了解可扩展性在区块链上的未来发展。

什么是区块链的可扩展性？

首先，区块链的可扩展性到底意味着什么？在区块链技术方面，可扩展性是指交易的处理速度。区块链可扩展性是指区块链网络能够快速有效地接纳不断增加的交易、存储数据并添加节点到网络中的能力，同时不牺牲其基本特性——安全性、去中心化和共识。一个区块链网络需要能够处理每秒大量交易（TPS）才能不负众望。区块链的可扩展性会受到多种参数的影响，包括网络、最终性、吞吐量、成本和容量以及确认时间。

区块链技术的发展

自推出以来，区块链技术越来越受欢迎，代表着一项重大的技术进步。庞大的研究社区和行业创新为区块链技术的应用带来了成功的前景。然而，区块链最初是为金融行业设计的。但区块链的去中心化性质和不可篡改的账本使其非常适合金融领域以外的应用。例如，区块链技术在 物联网 (IoT) 领域已显示出潜力。像以太坊这样的广泛使用的区块链网络的稳步增长，进一步加剧了区块链的可扩展性问题。由于多种原因，即使区块链具有承诺的特性，也很难创建去中心化应用程序。首先，区块链网络容易受到黑客攻击。此外，对额外工具的需求和有限的可用性等其他问题也会影响区块链的采用。然而，可扩展性仍然是当今区块链网络面临的关键问题之一。

那么，为什么可扩展性对区块链来说是个问题呢？为了找到最佳解决方案，让我们以比特币为例。它的平均处理速度约为每秒 7 笔交易，而 Visa 的处理速度超过每秒 1700 笔交易。基于区块链的技术与 Visa 之间的性能差距显而易见。但是，还有实施新技术的问题需要应对。因此，未解决的架构可扩展性问题阻碍了区块链及其有用应用程序的采用。

区块链的可扩展性为什么至关重要？

可扩展性的重要性不容忽视。由于区块链网络的规模和复杂性会随着添加到网络中的每一笔交易而增加，因此可扩展性是关键组成部分。为了满足日益增长的需求，区块链网络必须能够高效、快速地处理大量交易。

由于网络无法处理交易需求或要求，导致交易处理速度慢、费用高昂以及用户体验差。交易速度慢和交易费用高昂可能会阻碍区块链网络的使用和可行性，特别是对于需要大量交易的应用，例如供应链管理和去中心化金融（DeFi）。因此，可扩展性对于区块链的潜在增长至关重要。

区块链的可扩展性

在研究该技术中的可扩展性问题时，掌握区块链的可扩展性至关重要。区块链的可扩展性由多种特性定义，包括网络、容量和成本。

1. 网络
   区块链上的每一笔交易都会通过广播与所有节点共享。一旦一个区块被挖出，它随后会被再次发送给每个节点。因此，该过程可能会消耗大量的网络资源，并延长传播延迟。出于这个原因，拥有一个可靠高效的数据传输系统至关重要。
2. 吞吐量
   吞吐量是解决区块链技术可扩展性问题时需要考虑的关键因素。区块链吞吐量描述了确认单笔交易所需的时间以及该交易的区块大小。更多的交易将导致更大的区块，这需要更多的资源。
3. 成本与容量
   可扩展性要求在区块链上存储大量数据，因为容量和成本是重要因素。数据必须从创世区块一直存储到最新的交易。然而，区块链网络中的每个节点都没有适当的资源和容量来存储如此大量的信息。

影响区块链可扩展性的因素

那么，导致区块链可扩展性问题的关键因素是什么？区块链的可扩展性受到四个主要问题的​​影响：响应时间、区块大小、交易费用和限制。

• 限制
  就区块链的可扩展性而言，限制是主要关注点。处理新交易的每个节点都会将交易的详细信息添加到账本中。因此，不断增长的交易历史可能会导致整个系统崩溃。此外，区块链网络需要确保所有数据都保持准确，以保护信任水平。此外，硬件限制也是区块链面临的另一个问题。硬件限制是大多数区块链可扩展性问题的根本原因。随着区块链网络的增长，运行节点所需的硬件越来越难以设置和维护。
• 交易费用
  区块链的高交易费用是造成严重可扩展性问题的下一个重要方面。由于区块链网络的挖矿需要更多的处理能力，因此其日益普及导致了更复杂的交易验证程序。用户必须支付一定的费用才能验证其交易。由于区块链网络不断增长，用户愿意支付更高的交易费用进行交易验证。同样重要的是要记住，大量其他交易在被添加到队列后需要很长时间才能处理。
• 区块大小
  弄清楚为什么区块链可扩展性是个问题，区块大小是另一个重要因素。区块链网络中不断增加的交易量导致交易执行耗时。例如，在比特币区块链网络早期，网络中的每个区块重达一兆字节，包含近 2020 笔交易。然而，随着网络交易数量的增加，区块大小也随之增加，这对可扩展性产生了影响。
• 响应时间
  区块链网络上的每一笔交易都应该经过验证。考虑到队列中的交易量，交易通常需要等待很长时间才能获得验证。例如，比特币网络建议创建一个新区块大约需要十分钟。高峰时段会导致交易验证等待时间更长。高交易费用是区块链可扩展性问题的重大促成因素，响应时间也是如此。

因此，区块链可扩展性问题的主要原因表明，随着用户和交易量的不断增加，区块链网络无疑将面临挑战。如果网络无法扩大规模以适应额外的交易和用户，那么网络将面临无法广泛采用的巨大风险。因此，在过去的几年里，对区块链可扩展性解决方案的需求变得更加紧迫。

区块链技术的可扩展性前景

对区块链可扩展性为何成为问题的透彻理解，将注意力引向了可能的解决方案。基于 工作量证明 (Proof-of-Work) 的无许可区块链网络的交易能力接近每秒十笔。此外，一些技术调整可以使交易吞吐量提高到接近每秒一百笔。最值得注意的是，开放和去中心化的区块链网络的安全性特性不会受到技术变化的影响。

然而，许可链网络也可以为区块链的可扩展性问题提供可行的解决方案。许可链网络的共识过程可以提供更快的处理速度。但是，由于预定义的验证者基本上控制了所有交易和应用程序，因此许可链网络在去中心化方面缺乏透明度。

区块链的可扩展性三难困境

一旦您认为找到了区块链可扩展性的解决方案，一个新的重大问题就会出现。在找到区块链可扩展性问题的可行解决方案之前，您必须理解区块链可扩展性三难困境。如果您使用许可链网络来提高可扩展性，您就是在牺牲去中心化。一个被称为可扩展性三难困境的概念框架表明，区块链网络只能拥有三个基本特性中的两个：可扩展性、安全性和去中心化。为了进一步解决区块链可扩展性难题，让我们探讨这个三难困境中三个独特元素之间的关系。

区块链可扩展性的潜在方法

区块链的采用受到可扩展性三难困境和区块链可扩展性的许多问题的严重阻碍。然而，通过以下解决方案，可以解决区块链中的各种可扩展性问题。

链上第一层可扩展性解决方案

这是区块链可扩展性最流行的第一层或链上扩展解决方案。它用于修改区块链的基本架构。为了克服可扩展性问题，第一层解决方案优化底层协议以提高交易吞吐量。

• 改进共识过程
  增强共识过程是区块链可扩展性问题最常提出的解决方案之一。像比特币这样的知名区块链网络目前使用工作量证明共识协议。尽管工作量证明共识技术提供了可靠的安全性，但其运行速度非常慢。
• 嵌套区块链
  堆叠区块链为解决区块链可扩展性问题提供了一个潜在可行的解决方案。本质上，它是一种去中心化网络架构，它使用主区块链来设置更大区块链网络的参数。此外，它还可以保证跨网络连接的二级链成功完成交易。嵌套区块链是解决区块链可扩展性问题的更令人兴奋的第二层方法之一。
• 分片
  作为一种链上扩展解决方案，分片是处理区块链可扩展性问题的传统选项之一。分片目前是基于分布式数据库的区块链网络值得关注的第一层可扩展性选项之一。分片是将交易分成称为“分片”的小数据集的过程。然后网络并行处理这些分片，从而能够顺序处理多个交易。借助分片，信息可以分布在多个节点上，同时保持信息的一致性。通过利用跨分片通信协议，分片确保相互交互以传输地址、通用状态和余额，同时作为主链的证据。

链下（第二层）解决方案

为了实现更快的交易，第二层可扩展性解决方案，也称为链下解决方案，在主区块链网络之上添加了一个第二层。在主链之上是二级协议，交易被“卸载”以释放空间并缓解网络拥堵。

• 侧链
  侧链是连接到主链的附加区块链。双向锚定用于在预定汇率下促进侧链与主链之间的资产交易。如果跨区块链通信得到改善，侧链（用于通过将某些应用程序转移到侧链来卸载主链）是解决可扩展性问题的最有希望的解决方案之一。主链可以连接多个侧链，每个侧链都有自己的架构。可以构建一个主链和侧链网络，其中主链充当中继网络，而侧链是区块链网络。流行的侧链和中继式扩展解决方案是 Plasma（以太坊）和 Parachain（Polkadot）。
• 支付通道 c
  与主链协同工作的链下网络称为支付通道。目的是在两个感兴趣的方之间建立一个交易通道。由于所有通道交易都在链下进行，因此无需全局共识。因此，这些交易通常费用较低，并且通过智能合约快速执行。通常，支付通道由三个阶段组成

第一阶段：为建立通道而进行的资金存入和签署。

第二阶段：在通道内发生的点对点 (P2P) 交易构成第二阶段。

第三阶段：将主链的最终状态广播并关闭通道。

支付通道设计有多种风格。两个著名的支付通道实现是 Raiden Network（以太坊）和 Lightning Network（比特币）。

总结

鉴于区块链可应用于广泛的行业，这项技术似乎拥有光明的前景。然而，更多的用户将不可避免地意味着需要更大的区块链网络。对区块链可扩展性问题进行全面理解，将揭示吞吐量、网络以及成本与容量如何与可扩展性相关。

此外，还可以找出导致区块链可扩展性问题的各种因素。区块链网络和硬件限制、不断上涨的交易费用、区块大小以及交易完成时间都在影响可扩展性。此外，可扩展性三难困境是区块链可扩展性必须解决的挑战。另一方面，有多种有趣的解决方案可用于解决区块链技术的可扩展性问题。长期的区块链可扩展性解决方案将需要专注于为所有可扩展性问题找到全面的答案。