从广义上讲,可扩展性指的是系统处理不断增长的需求的能力。在计算机领域,您可以通过硬件升级来提高计算性能和加快任务处理速度。在讨论区块链的可扩展性时,通常意味着提高系统性能以处理更多交易。
比特币等协议有许多优势,但在可扩展性方面存在不足。如果比特币在集中式数据库上运行,管理员可以轻松提高处理速度和吞吐量。然而,比特币的价值主张(如抗审查性)要求多个参与者协作维护区块链的副本。
区块链的可扩展性问题
运行比特币节点的运营成本相对较低,即使是低配设备也可以参与。但是,需要保持数千个节点的最新状态,这限制了系统的容量。
为了控制链上处理的交易数量,区块通常会被限制。如果数据量增长太快,节点可能跟不上。此外,过大的区块也可能使网络上的快速传播变得困难。
在这一点上,网络可能会遇到瓶颈。可以将区块链比作一个固定发车间隔的火车服务。每节车厢的座位有限,乘客必须竞价购票。如果所有人都想上车,票价自然会上涨。同样,拥堵的网络会迫使用户支付更高的费用来优先处理他们的交易。
一种解决方案是增加车厢的容量。随着座位数量的增加,乘客流量也会增加,导致票价下降。但是,车厢的容量仍然有限,就像区块的最大尺寸和交易费用不能无限增加一样。这会增加网络内节点的成本,因为他们只能通过硬件升级来保持同步。
以太坊创始人Vitalik Buterin提出了"可扩展性三难困境",突出了区块链面临的挑战。他认为,协议必须在可扩展性、安全性和去中心化之间取得平衡。这三个方面是相互排斥的;如果任何两个被过度强调,第三个就会不可避免地受到影响。
因此,许多人认为可扩展性可能通过链下实现,而安全性和去中心化应该在区块链本身上得到最大优化。
什么是链下扩展解决方案?
链下扩展指的是支持交易执行而不增加区块链负担的方法。链上协议允许用户发送和接收资金,但交易并不会立即出现在主链上。在这方面,我们将探讨两个值得注意的进展:侧链和支付通道。
侧链简介
什么是侧链?
侧链是一个独立的区块链,但并非完全独立于主链,而是以某种方式与主链相连。主链和侧链可以相互操作,允许资产在它们之间自由流动。
有几种方式可以转移资金。在某些情况下,资金可以存入特定地址,将资产从主链转移到侧链。在这种情况下,资金并没有真正移动,而是被锁定在地址中,侧链收到相应的金额。一种更直接的方法(可能更集中)是将资金发送给托管人,托管人然后促进与侧链的资金交换。
侧链如何工作
假设Alice有5个比特币,她希望将它们兑换成比特币侧链(称为"侧链币")上等值的货币。我们讨论的这个侧链是双向挂钩的,允许用户在主链和侧链之间转移资产。
侧链是一个独立的区块链,有不同的区块、节点和验证机制。要获得侧链币,Alice必须将她的5个比特币发送到另一个地址。这个地址可能属于另一个用户。一旦收到比特币,地址所有者将在Alice的侧链地址上记入5个侧链币。此外,这个地址可能使用无信任设置,软件会在检测到付款后自动记入侧链币。
侧链扩展
一旦Alice将比特币转换为侧链币,她也可以逆转这个过程,将侧链币转换回比特币。拥有侧链资产后,她可以在这个独立的区块链上自由交易。与主链类似,她可以向他人发送或接收侧链币。
例如,她可能支付Bob一个侧链币来购买Binance的一件连帽衫。当她想转换回比特币时,她可以将剩余的4个侧链币发送到一个特定的地址。交易确认后,4个比特币将被解锁并转移到她在主链上控制的地址。
为什么使用侧链?
您可能会想,为什么需要侧链?Alice不能完全依赖比特币区块链吗?
答案是侧链可能提供比比特币更多的功能。侧链是精心设计的链下交易系统。虽然比特币是最安全的去中心化加密货币,但它在吞吐量方面并不领先。尽管比特币交易速度比传统方式快,但与其他区块链系统相比还是有些慢。每10分钟就会挖出一个新区块,在网络拥塞期间,交易费用可能会大幅上升。
但是,日常小额支付并不一定需要如此高的安全性。如果Alice去买咖啡,她肯定不想等待交易确认。如果交易被排队等待确认,她的咖啡可能已经凉了。
侧链不受这些规则的约束。它们甚至可以在不使用工作量证明的情况下运行。用户可以自由选择共识机制,信任单一验证者,或调整各种参数。侧链可以实施主链不支持的升级,生成更大的区块,并实现更快的结算。
有趣的是,即使在侧链上发生严重错误,也不会影响基础链。这使得侧链可以作为实验平台,测试应该占据网络中多数共识的功能。
如果用户满意于链下交易,侧链可能代表了有效扩展的重要一步。主链节点不需要存储来自侧链的所有交易。Alice可以用一笔比特币交易进入侧链,进行数百笔侧链币交易,然后退出。对于比特币区块链来说,她只执行了两个操作:一个进入,一个退出。
支付通道简介
什么是支付通道?
支付通道在可扩展性方面与侧链发挥类似的功能,但它们在本质上是不同的。与侧链类似,支付通道将交易与主链分离,以防止区块链无限扩张。但是,支付通道不依赖于独立的区块链。
通过智能合约,支付通道使用户能够在不直接发布这些交易到区块链上的情况下进行交易。参与者可以使用软件协议完成交易。
支付通道如何工作
在流行的闪电网络模型中,双方首先将代币存入一个共享地址。这是一个多重签名地址,需要双方同意才能访问资金。因此,如果Alice和Bob创建了这样一个地址,资金只能在他们双方同意的情况下移动。
假设他们都存入10个比特币到这个地址;那么余额就是20个比特币。他们可以轻松确认初始余额,Alice和Bob各持有10个比特币。如果Alice需要向Bob转移1个代币,她可以更新账本:Alice的余额变为9个比特币,而Bob的余额增加到11个。他们可以更新各自的余额,而无需在区块链上发布交易。
在完成所有交易后,假设Alice持有5个比特币,Bob持有15个。他们可以创建一笔交易,将这些余额发送到各自的地址,签名并在链上广播。
Alice和Bob可以在账本中记录数十、数百甚至数千笔交易,但在区块链上,他们只需执行两个操作:一个是初始资金交易,另一个是在交易完成后重新分配余额。除了这两个操作外,所有其他交易都发生在链下,几乎不产生费用,并且可以快速完成。双方不需要支付矿工费或等待区块确认。
当然,上述示例假设交易双方彼此了解并密切合作,这可能不适合陌生人。但是,可以采用特殊机制来防止欺诈,使得即使是不熟悉的各方也可以安全地进行交易。
支付路径
对于经常交易的用户来说,支付通道显然更有效率和方便。这种方法正在不断完善。这些通道网络可以扩展,使Alice能够向与她没有直接连接的收款人进行支付。如果存在Bob和Carol之间的支付通道,只要有足够的容量,Alice就可以通过Bob的通道向Carol支付。在Bob将资金转入Carol的通道后,Carol也可以与其他参与者进行交易。
这种网络结构最终将演化为分布式拓扑,每个人都可以连接到多个对等节点。用户可以自由选择在众多支付通道中最有效的路径。
结论
在本文中,我们讨论了两种可扩展性解决方案,它们都促进了交易,而不增加基础区块链的负担。尽管侧链和支付通道还未完全成熟,但越来越多寻求避免基础层交易缺点的用户开始采用这些技术。
随着时间的推移,更多用户将加入网络,保持去中心化至关重要。为实现这一目标,区块链容量的增长可能会受到限制,以允许新节点随时加入。链下可扩展性解决方案的支持者认为,随着技术的进步,主链未来可能只处理高价值交易,或仅用于连接/断开侧链和开启/关闭支付通道。
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