区块链中的扩展性意味着什么？为什么扩展性如此具有挑战性？

了解区块链扩展所面临的挑战，以及为什么提高交易速度和容量比看起来更复杂。

2025-04-12

什么是区块链扩容？

在区块链领域，扩容指的是区块链网络在不影响其性能、安全性或去中心化的前提下，处理不断增长的交易数量或用户群的能力。扩容的根本目标是提高吞吐量（每秒交易量）、降低延迟并控制网络使用成本，尤其是在应用日益普及的情况下。

例如，作为区块链的鼻祖，比特币每秒可处理约 7 笔交易 (TPS)，而领先的智能合约平台以太坊每秒可处理约 15-30 笔交易。相比之下，Visa 等传统支付系统每秒可处理超过 24,000 笔交易。这种巨大的差异凸显了区块链技术面临的扩容挑战。

扩容方法主要分为两大类：

有效的扩容应维护区块链的安全性和去中心化。

然而，这带来了一项重大的技术挑战，因为对某一方面的改变可能会影响其他方面，从而导致所谓的“可扩展性三难困境”。

可扩展性三难困境由以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 提出，它指出区块链系统最多只能同时实现以下三个特性中的两个：

难点在于如何同时优化这三个特性。提高吞吐量可能需要更大的区块，从而有利于可扩展性，但这通常需要更多的计算能力，导致节点参与中心化，削弱去中心化。

同样，增加共识步骤可以增强安全性，但可能会降低可扩展性。

随着区块链在各行各业（从金融到供应链）的应用日益广泛，解决可扩展性问题至关重要。开发者和研究人员正在积极探索创新方法，以在保持区块链核心价值的同时扩展其网络规模。

由于区块链的基本设计选择优先考虑去中心化和安全性，因此扩展区块链网络本身就非常困难。这些设计原则带来了区块链的一些最大优势——例如不可篡改性和无需信任——但也限制了处理速度和数据存储。

任何区块链网络的核心都是共识机制，即参与者就账本状态达成一致的方法。诸如工作量证明 (PoW) 和权益证明 (PoS) 等常用机制需要大量的计算或分布式验证工作来确保所有交易的合法性。

虽然这些机制可以防止欺诈和篡改，但它们也会引入延迟。以比特币为例，平均出块时间为 10 分钟，这限制了交易的最终确认速度。

增加区块大小以容纳更多交易或许有所帮助，但这也会给节点带来更大的数据负载，从而降低参与度，并可能导致控制权集中化。

另一个障碍是新区块在整个网络中传播所需的时间。在去中心化系统中，节点必须跨越分散的地理位置进行通信。更大的区块需要更长的传播时间，这会增加孤块和共识问题的可能性，从而损害可靠性和效率。

区块链数据在每个完整节点上冗余存储。随着区块链的增长，运行节点所需的存储和带宽也会增加。如果没有进行适当的平衡，这将导致能够运行节点的个人数量减少，再次损害去中心化。例如，以太坊已经引入了“状态租金”提案来解决阻碍扩展的数据存储过剩问题。

实现可扩展性改进通常需要修改区块链的核心协议。这些更改往往会导致“硬分叉”，从而分裂现有的链和生态系统。这可能会造成混乱、碎片化以及社区共识的丧失。在实现可扩展升级的同时保持向后兼容性仍然是一项重大挑战。

扩展工作可能会无意中引入额外的攻击途径。例如，侧链和 Rollup 等二层解决方案部分在链下运行，并且可能继承比主链更弱的安全假设。如何在不增加系统脆弱性的前提下确保更广泛的可扩展性，一直是开发人员持续关注的问题。

总之，每次尝试扩展区块链解决方案都必须权衡各种利弊。无论是通过协议优化还是链下解决方案，开发人员都必须在提升全球分布式环境中的性能的同时，维护区块链的两大支柱——安全性和去中心化。

没有一种解决方案适用于所有网络，因此不同平台上的策略也多种多样。

加密货币因其去中心化特性，以及全天候开放的市场运作，提供了高回报潜力和更大的财务自由。然而，由于其极高的波动性和缺乏监管，加密货币也属于高风险资产。主要风险包括快速亏损和网络安全漏洞。成功的关键在于制定清晰的投资策略，并使用不会影响您财务稳定的资金进行投资。

鉴于上述挑战，开发者们采取了多种方法来扩展区块链网络。这些解决方案旨在解决交易量、共识效率和数据存储等痛点。它们大致可分为链上扩展、链下扩展以及混合模型。

状态通道：状态通道允许交易双方在链下进行交易，并将最终结果提交到主链，从而显著降低拥塞。例如比特币的闪电网络和以太坊的雷电网络。
Plasma 和 Rollups：Plasma 链作为半自治的子链运行，在将交易结算到主链之前对其进行打包。Rollups（乐观或零知识）压缩交易数据并在链下进行处理，同时将证明存储在链上。

Layer 2 方案越来越受欢迎，因为它们允许在不改变基础协议的情况下显著提高交易容量。