为什么区块链可伸缩性是问题？

了解区块链可伸缩性

区块链可伸缩性是指网络能够处理越来越多的交易的能力，而不会损害性能。随着Bitcoin和以太坊之类的区块链在受欢迎程度上增长，它们必须处理的交易量显着上升。但是，许多区块链最初并非旨在支持每秒成千上万的交易（TPS），这会产生瓶颈。大多数分散分类帐的核心体系结构限制了如何验证数据并将其添加到链中的速度。当发生网络拥塞时，这种约束就会显而易见，导致交易费用增加和更长的确认时间。

块大小和块时间限制

区块链可伸缩性的主要技术原因之一是有问题的在于块大小和块时间的设计。例如，在Bitcoin中，每个块限制为1 MB （略微增加了SEGWIT），并且大约每10分钟生成一个新块。这意味着网络只能处理每个块的有限数量的交易。如果提交的交易比适合的交易要多，他们会排队，等待下一个可用的块。此积压直接影响用户体验。以太坊随着较短的块时间（约12-14秒）和动态的块大小而有所改善，但在高峰需求期间，例如在NFT薄荷或DEFI发射期间仍然面临拥堵。

权力下放与绩效折衷

区块链可伸缩性的基本挑战是权力下放和绩效之间的权衡。为了维持权力下放，区块链依赖于遍布全球的大量节点来验证和存储交易数据。但是，增加吞吐量（例如增加块大小或减少块时间）可能会使单个节点更难跟上。较大的块需要更多的带宽和存储空间，这可能会使较小的参与者无法运行完整的节点。这将控制权集中，因为只有资源良好的实体才能负担基础设施。因此，扩展的努力必须与分布式共识的原则保持平衡。

共识机制的约束

区块链使用的共识机制显着影响其可扩展性。 Bitcoin使用的工作证明（POW）本质上很慢，因为它要求矿工解决复杂的加密难题。该过程消耗了大量的计算能力和时间，从而限制了交易吞吐量。尽管以太坊2.0实施的股份证明（POS）降低了能耗并允许更快的终结性，但它仍然面临着在不损害安全性或分散化的情况下实现高TPS的挑战。即使在POS系统中，验证者也必须就引入延迟的块进行通信并达成共识。替代共识模型，例如委派的股份证明（DPO）或拜占庭式容错（BFT）变体试图提高速度，但通常是以减少节点参与的代价。

第1层与第2层缩放解决方案

为了解决可伸缩性，开发人员同时引入了第1层和第2层解决方案。第1层是指直接对基本区块链协议进行的更改。示例包括碎片，其中数据库分为较小的，易于管理的零件（碎片），每个碎片都能处理自己的交易和智能合约。以太坊计划的碎片升级旨在通过启用并行处理来增加吞吐量。另一种方法是增加块大小，尽管这会冒险集中。

第2层解决方案在现有区块链的顶部运行。其中包括：

• 国家渠道，用户进行多次链链交易，仅解决最终状态的链链
• 汇总，将许多交易捆绑在链上，并向主链发布加密证明
• Sidechains ，通过双向桥连接到主链的独立区块链

乐观的滚动和ZK滚动是突出的例子，ZK滚动通过零知识证明提供更快的结局。这些解决方案大大减少了链负荷，在继承基础区块链的安全性的同时，可以实现更高的吞吐量。

网络拥塞和用户体验

当区块链无法有效扩展时，用户将面临实际后果。在高需求期间，例如2017年以太坊的加密速度或NFT大量下降的速度都会导致交易费用（汽油费）引起了峰值。通常花费几美元可能会升至数十亿美元甚至数百美元。这使小型交易在经济上是不可行的，并劝阻日常使用。此外，交易确认延迟可能会持续几分钟甚至数小时，从而破坏了区块链对时间敏感应用程序（例如付款或游戏）的效用。这些可用性问题阻碍了主流采用并暴露了当前基础设施的局限性。

扩展尝试的安全含义

扩展区块链的努力可以引入新的安全风险。例如，减少块时间过多可能会增加孤立区块的速率（由于首先接受了另一个块而被丢弃的有效块），从而削弱了网络稳定性。碎片虽然有前途，但在跨碎片通信中引入了复杂性，并增加了攻击表面。如果一个碎片被妥协，则可能会影响整个网络。同样，第2层解决方案依赖于主链来实现最终链，但是如果层之间的桥梁设计不佳，它将成为单个故障点。几个备受瞩目的黑客攻击已经针对跨链桥，导致数亿美元的损失。

常见问题

可伸缩性是指区块链随着时间的推移增长和处理需求增加的能力，而吞吐量衡量了每秒处理的实际交易数量。网络在低负载下可能具有较高的吞吐量，但是如果使用情况不断增长，则无法保持性能，则缺乏可扩展性。

增加块大小可以永久解决可伸缩性吗？否。虽然较大的块允许每个块更多的交易，但它们也增加了存储和带宽的需求。这可以导致集中化，因为只有强大的实体才能运行完整的节点，从而破坏区块链的分散性。

为什么所有区块链不能使用汇总进行缩放？滚动需要智能合同功能和安全的基础层来发布证明。脚本功能有限的Bitcoin之类的区块链不能在没有重大协议升级的情况下本地支持复杂的汇总系统。

碎片和滚动的方法有何不同？碎片将区块链分为平行链（碎片），这些链（碎片）独立处理交易，从而增强了链上的能力。汇总处理链离链的交易并将压缩数据提交给主链，从而减少了链负荷而不改变基本结构。