什么是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞？是什么導(dǎo)致了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞？
2023年春季，與BRC-20代幣相關(guān)的交易活動(dòng)激增，比特幣網(wǎng)絡(luò)變得十分擁堵，導(dǎo)致待處理交易數(shù)量和手續(xù)費(fèi)飆升。
什么是網(wǎng)絡(luò)擁塞？
當(dāng)提交到網(wǎng)絡(luò)的交易數(shù)量超過(guò)其處理這些交易的能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這一現(xiàn)象有多種誘因，包括市場(chǎng)波動(dòng)性在內(nèi)的外部因素，以及區(qū)塊規(guī)模和出塊時(shí)間等內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)特征。
在我們深入剖析細(xì)節(jié)前，研究區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈的過(guò)程至關(guān)重要。
區(qū)塊鏈技術(shù)如何運(yùn)作？
區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊組成的鏈，每個(gè)區(qū)塊都包含用戶(hù)創(chuàng)建的交易數(shù)據(jù)。每個(gè)添加到鏈上的新區(qū)塊都是永久且不可改變的。
這些區(qū)塊在去中心化網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)上傳播，每個(gè)區(qū)塊都存儲(chǔ)了一份區(qū)塊鏈副本。區(qū)塊鏈在密碼學(xué)和博弈論的作用下形成了像比特幣與以太幣這樣的加密貨幣支柱。
為充分理解區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為何會(huì)擁塞，我們需要探索影響網(wǎng)絡(luò)處理交易能力的關(guān)鍵概念：內(nèi)存池、候選區(qū)塊、確定性以及最長(zhǎng)鏈規(guī)則。
什么是“內(nèi)存池”？
內(nèi)存池指包含在下一個(gè)區(qū)塊中的未確認(rèn)交易的集合。
例如，一筆交易在比特幣網(wǎng)絡(luò)上廣播時(shí)，不會(huì)立即添加到區(qū)塊鏈上。相反，它首先會(huì)進(jìn)入“mempool”（內(nèi)存池）（memory pool的縮寫(xiě)），本質(zhì)上是所有待處理交易的等待區(qū)域。一旦某筆交易已確認(rèn)，它將會(huì)從內(nèi)存池中刪除。
什么是“候選區(qū)塊”？
候選區(qū)塊，又稱(chēng)“提議區(qū)塊”，是礦工或驗(yàn)證者提議添加到區(qū)塊鏈中的區(qū)塊。這些區(qū)塊含已廣播到網(wǎng)絡(luò)但尚未添加到區(qū)塊鏈上的未確認(rèn)交易。
候選區(qū)塊如要成為確認(rèn)區(qū)塊，則必須根據(jù)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制挖礦或驗(yàn)證。例如，比特幣的工作量證明(PoW)共識(shí)機(jī)制讓礦工相互競(jìng)爭(zhēng)，解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題。第一個(gè)解決難題的礦工可以將他們的候選區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中并獲得獎(jiǎng)勵(lì)。
以太坊的權(quán)益證明(PoS)共識(shí)機(jī)制是隨機(jī)選擇驗(yàn)證者來(lái)提議候選區(qū)塊。由其他驗(yàn)證者證明區(qū)塊的有效性。當(dāng)一個(gè)區(qū)塊的證明足夠多時(shí)，該區(qū)塊將從候選區(qū)塊轉(zhuǎn)變?yōu)榇_認(rèn)區(qū)塊。
什么是區(qū)塊鏈的“確定性”？
確定性指交易或操作無(wú)法再更改或撤銷(xiāo)。一旦交易達(dá)成確定性，就將永遠(yuǎn)記錄在區(qū)塊鏈上，無(wú)法更改或刪除。
在比特幣區(qū)塊鏈上，交易會(huì)廣播到網(wǎng)絡(luò)上并添加到內(nèi)存池中。礦工從內(nèi)存池中選擇并驗(yàn)證交易，并將交易包含在要添加到區(qū)塊鏈上的新區(qū)塊中。包含在該區(qū)塊中的交易被視為已確認(rèn)，但理論上其他礦工仍有可能挖掘競(jìng)爭(zhēng)區(qū)塊。
交易的確定性隨著確認(rèn)區(qū)塊的數(shù)量的增加而增長(zhǎng)。當(dāng)額外六個(gè)區(qū)塊被附加到含這些交易的區(qū)塊中時(shí)，比特幣交易通常將被視為“確定”。以太坊的出塊時(shí)間較短，因此建議進(jìn)行多次確認(rèn)以達(dá)到與“確定性”相似的信任水平。
什么是“最長(zhǎng)鏈”規(guī)則？
如上所述，多個(gè)礦工可以在相似的時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)新的有效區(qū)塊。這可能會(huì)導(dǎo)致區(qū)塊鏈出現(xiàn)分叉。
“最長(zhǎng)鏈”規(guī)則是指區(qū)塊鏈的有效版本是投入最多計(jì)算工作的版本（通常是由區(qū)塊組成的最長(zhǎng)的鏈）的原則。這將導(dǎo)致較短的鏈上的“有效”區(qū)塊（通常成為孤塊或陳腐區(qū)塊）被丟棄，所含的交易也將被退回內(nèi)存池。
以太坊網(wǎng)絡(luò)使用工作量證明(PoW)時(shí)，也采用最長(zhǎng)鏈原則。2022年以太坊轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)益證明(PoS)后，該網(wǎng)絡(luò)采用了一種更新的分叉選擇算法來(lái)衡量鏈的“權(quán)重”，即驗(yàn)證者投票的累積總和，投票權(quán)重由驗(yàn)證者質(zhì)押的以太幣余額進(jìn)行加權(quán)。
是什么導(dǎo)致了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞？
當(dāng)提交到網(wǎng)絡(luò)的交易數(shù)量超過(guò)其處理的能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞。
以下是可能導(dǎo)致區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞的幾個(gè)原因：
需求增加
隨著向區(qū)塊鏈提交交易的人越來(lái)越多，內(nèi)存池中的未確認(rèn)交易數(shù)量可能會(huì)超過(guò)單個(gè)區(qū)塊中可以包含的數(shù)量。區(qū)塊規(guī)模與出塊時(shí)間有內(nèi)在限制的區(qū)塊鏈尤其受此原因影響。
價(jià)格驟然波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致交易量增多，進(jìn)而引起交易活動(dòng)激增或大規(guī)模的廣泛應(yīng)用周期。
區(qū)塊規(guī)模小
每個(gè)區(qū)塊鏈都有區(qū)塊規(guī)模定義，即區(qū)塊的最大規(guī)模。區(qū)塊規(guī)模限制了一個(gè)區(qū)塊可以包含的交易數(shù)量。
例如，比特幣最初設(shè)計(jì)為區(qū)塊規(guī)模限制為1兆字節(jié)(MB)。2017年，比特幣進(jìn)行了名為隔離見(jiàn)證即SegWit的升級(jí)，以增加交易吞吐量。此次升級(jí)理論上將區(qū)塊規(guī)模限制增加到4MB。
如果交易數(shù)量超過(guò)此限制，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。
出塊時(shí)間慢
出塊時(shí)間指新區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈上的頻率。比特幣大約每10分鐘添加一個(gè)新區(qū)塊。如果以更快的速度創(chuàng)建更多數(shù)量的交易，則交易就會(huì)積壓。
網(wǎng)絡(luò)擁塞的后果是什么？
區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞可能會(huì)導(dǎo)致一些負(fù)面后果，阻礙網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行。
交易手續(xù)費(fèi)增加
根據(jù)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，礦工會(huì)優(yōu)先考慮所付手續(xù)費(fèi)更高的交易。因此當(dāng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，用戶(hù)通常需要支付更高的交易手續(xù)費(fèi)來(lái)激勵(lì)礦工優(yōu)先處理自己的交易。這可能會(huì)導(dǎo)致使用區(qū)塊鏈的手續(xù)費(fèi)比平時(shí)昂貴，尤其是處理小額交易時(shí)。
交易確認(rèn)時(shí)間延遲
網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)導(dǎo)致交易確認(rèn)和最終確定的等待時(shí)間增加。極端情況下，交易可能在數(shù)個(gè)小時(shí)、數(shù)天甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都無(wú)法確認(rèn)。這可能會(huì)讓用戶(hù)感到失望。
用戶(hù)體驗(yàn)差
高額的手續(xù)費(fèi)與緩慢的確認(rèn)時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致交易體驗(yàn)差，從而降低區(qū)塊鏈的應(yīng)用范圍與可用性。
市場(chǎng)波動(dòng)
擁塞可能會(huì)放大不確定性并加劇市場(chǎng)波動(dòng)。如果許多用戶(hù)想出售一種加密貨幣，但網(wǎng)絡(luò)十分擁堵，處理這些交易需要很長(zhǎng)時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)恐慌，更想快速拋售他們的資產(chǎn)。
還有諸如安全風(fēng)險(xiǎn)、網(wǎng)絡(luò)中心化風(fēng)險(xiǎn)等其他后果。具體來(lái)說(shuō)，確認(rèn)時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)雙花問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)增加，而較高的手續(xù)費(fèi)可能會(huì)導(dǎo)致挖礦力算力的中心化。
網(wǎng)絡(luò)擁塞示例
比特幣和以太坊網(wǎng)絡(luò)都發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。
比特幣網(wǎng)絡(luò)擁塞
比特幣在2017年底至2018年初價(jià)格飆升，導(dǎo)致了迄今為止最著名的網(wǎng)絡(luò)擁塞事件之一。比特幣突然之間大受歡迎，導(dǎo)致了需求與交易飆升，進(jìn)而造成了交易嚴(yán)重延遲以及交易手續(xù)費(fèi)激增的現(xiàn)象。平均交易手續(xù)費(fèi)一度超過(guò)50美元。
2023年春季，與BRC-20代幣相關(guān)的交易活動(dòng)激增，比特幣網(wǎng)絡(luò)變得十分擁堵，導(dǎo)致待處理交易數(shù)量和手續(xù)費(fèi)飆升。未確認(rèn)的交易一度記錄了400,000筆，導(dǎo)致內(nèi)存池遭遇瓶頸。交易手續(xù)費(fèi)在幾周內(nèi)增加了300%。
以太坊網(wǎng)絡(luò)擁塞
以太坊網(wǎng)絡(luò)擁塞的著名示例發(fā)生在2017年，當(dāng)時(shí)“謎戀貓”項(xiàng)目走紅，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)速度。去中心化金融(DeFi)的繁榮也曾引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致燃料費(fèi)價(jià)格上漲。
任何區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)都可能會(huì)變得擁塞。但比特幣和以太坊網(wǎng)絡(luò)的擁塞較其他區(qū)塊鏈來(lái)說(shuō)更引人注目，因?yàn)槎吒軞g迎、更重要，擁塞影響的范圍更廣。
緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的解決方案
區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞的解決是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。方法有許多，但每種方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
增加區(qū)塊規(guī)模
增加區(qū)塊規(guī)模后，每個(gè)區(qū)塊可以處理更多筆交易，從而有效增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但區(qū)塊增大意味著在網(wǎng)絡(luò)中需要更長(zhǎng)的時(shí)間傳播，增加了臨時(shí)分叉的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也需要更大的存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致更加中心化。
減少出塊時(shí)間
減少出塊時(shí)間可以使網(wǎng)絡(luò)以更快的速度處理交易。然而，出塊時(shí)間減少會(huì)增加孤塊的數(shù)量，有可能危及安全。
Layer 2解決方案
鏈下解決方案處理主區(qū)塊鏈以外的交易，并在鏈上記錄其最終狀態(tài)。比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)和以太坊的等離子體就是鏈下解決方案示例。這些解決方案可以提高可擴(kuò)展性，但實(shí)施起來(lái)很復(fù)雜，并且會(huì)引起額外的安全問(wèn)題。
分片
分片是將區(qū)塊鏈分為較小的幾個(gè)碎片的技術(shù)，每個(gè)碎片都能處理交易和智能合約。這一方法可以顯著增加網(wǎng)絡(luò)的容量。但與Layer 2解決方案類(lèi)似，分片增加了復(fù)雜性，可能會(huì)引起額外的安全風(fēng)險(xiǎn)。
其他有望解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題的解決方案有手續(xù)費(fèi)調(diào)整和擴(kuò)展解決方案，包括樂(lè)觀匯總(Optimistic Rollup)和零知識(shí)匯總(Zero-knowledge Rollup)。普遍認(rèn)為權(quán)益證明(PoS)共識(shí)機(jī)制比工作量證明(PoW)速度更快。
結(jié)語(yǔ)
區(qū)塊鏈技術(shù)有望在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，因此網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題會(huì)愈發(fā)突出。網(wǎng)絡(luò)有效處理大量交易的能力對(duì)于其廣泛應(yīng)用與可用性至關(guān)重要。尤其對(duì)致力于促進(jìn)實(shí)時(shí)日常交易的區(qū)塊鏈系統(tǒng)更加重要。
在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)的同時(shí)，社區(qū)在繼續(xù)開(kāi)發(fā)緩解這些問(wèn)題的解決方案。這也是針對(duì)增強(qiáng)區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性的研究一直處于行業(yè)重要地位的原因。
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