什么是区块链可扩展性？

了解区块链的各个层次

如果您以任何方式研究过加密货币或区块链，您可能遇到过第一层和第二层协议等术语。 您是否对这些层是什么以及它们为何存在感到好奇？ 让我们在本文中讨论区块链层架构。

区块链技术是几种当前技术（密码学、博弈论等）的独特组合，具有广泛的可能应用，例如加密货币。 编码和解码数据是一门称为密码学的数学和计算学科。 研究理性决策者之间战略互动的数学模型被称为博弈论。 区块链通过带来透明度和安全性来消除中介、降低成本并提高效率。

分布式账本技术 (DLT) 在一组用户之间存储经过加密验证的信息，这些用户通过预先确定的网络协议达成一致，而无需中央机构的监督。 将这些技术结合在一起可以促进人们或各方之间的信任，否则他们将没有动力这样做。 它们使区块链网络能够在用户之间安全地交换价值和数据。

由于没有中央权威，区块链必须非常安全。 它们还必须具有极高的可扩展性，以处理不断增长的用户、交易和其他数据。 层的诞生是出于对可扩展性的需求，同时保持一流的安全性。

什么是区块链可扩展性？

区块链技术中的术语“扩展”是指系统吞吐量的增加，以每秒交易数衡量。 随着加密货币在日常生活中的广泛采用，现在需要区块链层来提高网络安全、记录保存和其他功能。

系统每秒处理的事务数称为“吞吐量”。 Visa 的 VisaNet 电子支付网络每秒可以处理超过 20,000 笔交易，而比特币 (BTC) 的主链每秒不能处理超过 7 笔交易。

区块链是去中心化生态系统的第一层。 第二层是与第一层结合使用的第三方集成，以增加节点数量，从而提高系统吞吐量。 目前有许多第二层区块链技术正在实施。 这些解决方案中使用智能合约来自动化交易。

随着比特币成为商业世界中更重要的力量，区块链开发商正试图扩大区块链治理的范围。 他们希望通过开发区块链层和优化第二层可扩展性来减少处理时间并提高 TPS。

区块链三难困境（trilemma）

区块链三难困境指的是一种普遍持有的观点，即去中心化网络在任何给定时间只能提供三个好处中的两个，即去中心化、安全性和可扩展性。

计算机科学家在 20 世纪 80 年代设计了一致性、可用性和分区容错性 (CAP) 定理来表达也许是这些困难中最重要的一个。 CAP 定理指出，去中心化数据存储，如区块链，只能同时满足上述三个保证中的两个。

在当前分布式网络的背景下，这个定理演变成区块链三难困境。 普遍持有的观点是，公共区块链基础设施必须牺牲安全性、去中心化或可扩展性。

因此，区块链技术的制胜法宝是在广泛分散的网络上创建一个安全无懈可击的网络，同时还要处理互联网规模的交易吞吐量。

在深入研究三难困境的动态之前，让我们用一般术语定义可扩展性、安全性和去中心化：

可扩展性、安全性和去中心化之间的相互作用

要结算交易，网络必须首先就其有效性达成一致。 如果系统有大量成员，此协议可能需要一些时间。 因此，我们可以证明，当安全参数相同时，可扩展性与分散性成反比。

现在，假设两个工作量证明区块链都具有相同的去中心化程度，并将安全性视为区块链的哈希率。 确认时间随着哈希率的增加而减少，而可扩展性随着安全性的增加而增加。 因此，可扩展性和安全性与持续的去中心化是相称的。

因此，区块链无法同时针对所有三个所需功能进行优化，迫使它做出权衡。 这个以太坊是三难困境的最新例子。 由于去中心化金融 (DeFi) 应用程序的兴起，今年夏天以太坊平台的使用量激增。 以太坊只能发展到此为止。

由于需求增加，交易费用已经上涨到一些人无法参与区块链的地步。 增加的以太坊费用是三难困境的一个例子，因为我们可以看到以太坊无法在不牺牲安全性或去中心化的情况下进行扩展。

以太坊的重点是去中心化和安全性，每秒的交易数量是有限的（可扩展性）。 用户支付更高的费用以鼓励矿工优先处理他们的交易。 同样，去中心化和安全性优先于比特币的可扩展性。

众所周知，比特币和以太坊等区块链的可扩展性目前是有限的。 因此，由初创公司、公司和技术专家组成的全球社区正在疯狂研究第 1 层和第 2 层解决方案，以解决区块链三难困境。

第 1 层区块链网络旨在提高速度、安全性和可扩展性； 第 2 层是指可用于扩展现有区块链网络可扩展性的技术增强和产品。 在这两层之间取得完美平衡可能会改变区块链采用和去中心化网络扩展的游戏规则。

开发人员正在从各种角度解决这个问题。 比特币现金 (BCH) 增加了区块大小以提高比特币的可扩展性，但是，没有证据表明它正在变得越来越流行。

比特币试图通过在现有区块链层之上添加一个层来解决这个问题。 根据扩展解决方案背后的想法，第二层解决方案将大量交易捆绑在一起，只是偶尔查询底层区块链。 以太坊正在采用混合方法通过分片扩展基础层区块链，社区期待着几个第二层解决方案以进一步提高吞吐量。

区块链架构的分层结构

在区块链架构的分布式网络中，每个网络参与者维护、授权和更新新条目。 具有特定顺序交易的区块集合代表了区块链技术的结构。 这些列表可以保存为平面文件（txt 格式）或简单的数据库。 区块链架构可以是公共的、私有的或联盟的。

区块链的分层架构分为六层。

硬件基础设施层

区块链的内容存储在这个可爱星球上某处数据中心的服务器上。 客户端在浏览网页或使用任何应用程序时向应用程序服务器请求内容或数据，这被称为客户端-服务器架构。

客户端现在可以与对等客户端连接并共享数据。 对等 (P2P) 网络是一大群共享数据的计算机。 区块链是一种点对点计算机网络，可以在共享账本上以有序的方式计算、验证和记录交易。 结果，创建了一个分布式数据库，存储所有数据、交易和其他相关数据。 节点是 P2P 网络中的计算机。

数据层

区块链的数据结构表示为交易排序的区块链列表。 区块链的数据结构由两个基本元素组成：指针和链表。 链表是包含数据和指向前一个块的指针的链接块的列表。

指针是一个变量，它引用另一个变量的位置，链表包含数据和指向前一个块的指针。 Merkle 树是哈希的二叉树。 每个区块包含 Merkle 树的根哈希和前一个区块的哈希、时间戳、随机数、区块版本号和当前难度目标等信息。

对于区块链系统，Merkle 树提供安全性、完整性和不可反驳性。 区块链系统建立在 Merkle 树、密码学和共识算法之上。 因为它是链中的第一个，创世块，第一个块，不包含指针。

为了保护区块链中包含的数据的安全性和完整性，需要对交易进行数字签名。 私钥用于签署交易，任何拥有公钥的人都可以验证签名者。 数字签名检测信息操纵。 因为加密数据也被签名以太坊私链如何确认区块，所以数字签名确保了身份。 因此，任何操作都会使签名无效。

无法找到数据，因为它已加密。 即使被抓到，也无法再被篡改。 发件人或所有者的身份也受到数字签名的保护。 因此，签名在法律上与其所有者相关联，不容忽视。

网络层

网络层，通常称为P2P层，负责节点间的通信。 发现、交易和区块传播都由网络层处理。 传播层是这一层的别称。

这个 P2P 层确保节点可以找到彼此并交互、传播和同步，以保持区块链网络处于合法状态。 P2P 网络是一种计算机网络以太坊私链如何确认区块，其中节点分布并共享网络的工作量以实现共同的目的。 区块链交易由节点执行。

共识层

共识层对于区块链平台的存在至关重要。 共识层是任何区块链中最必要和最关键的层，无论是以太坊、超级账本还是其他区块链。 共识层负责验证区块，对它们进行排序并确保每个人都同意。

应用层

智能合约、链代码和去中心化应用程序 (DApp) 构成了应用程序层。 应用层协议进一步细分为应用层和执行层。 应用层包括最终用户用来与区块链网络通信的程序。 脚本、应用程序编程接口 (API)、用户界面和框架都是它的一部分。

区块链网络充当这些应用程序的后端技术，它们通过 API 与之通信。 智能合约、底层规则和链代码都是执行层的一部分。

尽管事务从应用层移动到执行层，但它在语义层得到验证和执行。 应用程序向执行层发出指令，执行层执行交易并确保区块链的最终性。

区块链层解释第 0 层

区块链零层由有助于使区块链成为现实的组件组成。 它是允许比特币、以太坊和其他区块链网络运行的技术。 第 0 层组件包括使第 1 层能够顺利运行的互联网、硬件和连接。

一级

这是基础层，其安全性基于其不变性。 当人们说以太坊时，他们指的是以太坊网络或第 1 层。 该层负责共识过程、编程语言、区块时间、争议解决以及维护区块链网络基本功能的规则和参数。 它也被称为实现层。 比特币是第 1 层区块链的一个例子。

一级问题

这些扩展解决方案一起使用时，可以提高网络的吞吐量。 然而，随着区块链用户数量的增加，第一层似乎不够用。 过时且笨拙的工作量证明共识过程仍在第 1 层区块链上使用。

虽然此方法比其他方法更安全，但它受到速度的限制。 矿工需要使用计算能力来解决密码算法。 因此，从长远来看，需要更多的计算能力和时间。 此外，随着用户数量的增加，第一层区块链的工作量也会增加。 结果，处理速度和容量变慢。

可能的解决方案

Proof of Authority 是以太坊 2.0 将采用的另一种共识。 这种共识方法根据网络参与者的抵押品对新的交易数据块进行身份验证，从而提高程序的效率。

分片是解决第一层区块链问题负担的扩展解决方案。 简而言之，分片将验证和验证交易的任务划分为更小、更易于管理的块。 因此，工作负载可以分布在整个网络中，以使用更多节点的计算能力。 由于网络并行处理这些分片，因此可以顺序并同时处理多个事务。

二楼

基础层之上的覆盖网络称为 L2 解决方案。 该协议通过从基础层删除一些交互来利用第二层来提高可扩展性。 因此，主区块链协议上的智能合约只处理存取款，并确保链下交易的合规性。 比特币的闪电网络是第二层区块链的一个例子。

那么，第 1 层和第 2 层区块链之间有什么区别？ 区块链是去中心化生态系统的第一层。 第二层是与第一层结合使用的第三方集成，以增加节点数量，从而提高系统吞吐量。 目前有许多第二层区块链技术正在实施。

第 2 层扩展解决方案

近年来，第 2 层协议迅速流行，尤其是当它们已被证明是解决 PoW 网络扩展问题的最有效解决方案时。 以下部分解释了各种第二层缩放解决方案。

嵌套区块链

嵌套的第二层区块链在彼此之上运行。 本质上，第一层建立设置，而第二层进行编程。 在一条主链上，可能有多个区块链层。 将其视为典型的业务结构。

管理层不是让一个人（例如经理）完成所有工作，而是将任务委托给下属，下属在完成后向管理层汇报。 因此，管理员的工作量减少了，同时可扩展性增加了。 例如，OMG Plasma 项目作为以太坊主协议的二级区块链，允许更便宜和更快的交易。

状态通道

状态通道通过各种方式促进区块链和链下交易通道之间的双向通信，从而提高整体交易容量和速度。 要通过状态通道验证交易，矿工不需要立即参与。

相反，它是通过多重签名或智能合约机制保护的网络相邻资源。 当一个交易或一批交易在状态通道上完成时，“通道”的最终“状态”及其所有固有的转换都会发布到底层区块链。

状态通道的示例包括比特币的闪电网络和以太坊的雷电网络。 在三难困境中，状态通道放弃一些去中心化以换取更高的可扩展性。

侧链

侧链是与区块链一起运行的交易链，用于批量交易。 侧链有自己的共识方法，可以针对速度和可扩展性进行调整，实用代币通常用作侧链和主链之间数据传输机制的一部分。 主链的主要功能是提供通用安全和争议解决。

侧链在几个重要方面不同于状态通道。 首先，侧链交易在参与者之间不是私密的； 相反，它们在分类账上公开发布。 此外，侧链上的安全漏洞不会影响主链或其他侧链。 从头开始构建侧链需要大量时间和工作。

概括

Rollups 是一种第 2 层区块链扩展解决方案，它在第 1 层网络外部执行交易，然后将交易中的数据上传到第 2 层区块链。 第一层可以保证摘要的安全，因为数据驻留在基础层上。

用户可以从汇总中受益，因为它们有助于提高交易吞吐量、开放参与和降低天然气成本。

三楼

应用层通常称为第 3 层或 L3。 L3 项目充当用户界面，同时掩盖了通信渠道的技术方面。 如区块链架构的分层结构中所述，L3 应用程序赋予区块链在现实世界中的适用性。

区块链三难困境能否解决？

导致区块链的分布式数据存储面临的问题传递给区块链。 为了更好地理解这些困难和相关问题，创造了“区块链三难困境”一词来对它们进行分组。 虽然“三难困境”一词依然存在，但区块链三难困境只是一种猜想。 根据早期数据，该假设可能是准确的，但既没有得到证实也没有被推翻。 尽管 Layer 1 和 Layer 2 解决方案取得了一些成功，但还需要做更多的研究。

综上所述

区块链企业现在不太可能采用加密货币主流的原因之一是可扩展性。 随着对加密货币需求的增长，扩展区块链协议的压力也随之增加。 因为两个区块链级别都有其自身的局限性，最终的解决方案将是开发一个可以解决可扩展性三难困境的系统。

第一层至关重要，因为它是去中心化系统的基础。 通过第二层协议解决底层区块链的可扩展性问题。 不幸的是，大多数第 3 层协议 (DApp) 目前仅在第 1 层上运行，绕过了第 2 层。这些系统没有像我们希望的那样工作也就不足为奇了。

第 3 层应用程序至关重要，因为它们有助于开发区块链的真实用例。 然而，与传统网络相比，它们不会像其底层区块链那样获得那么多的价值。

译者注：

深入来说，区块链结构共有5层，分别是数据层、网络层、共识层、激励层和应用层。 随着以太坊上智能合约的迅速兴起，区块链系统建立了一种新的结构：即在激励层和应用层之间增加了一个合约层。 然而，由于区块链的三难困境，可扩展性一直是一个难以逾越的难题。 随着越来越多的用户进入区块链，可能会在结构中引入更多的层次。