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一文介紹什么是區(qū)塊鏈可擴展性？初學者完整指南

2025-08-04 10:30:26 | 來源： | 作者：佚名

區(qū)塊鏈技術為傳統(tǒng)的中心化賬本系統(tǒng)提供了一種替代方案，它能夠?qū)崿F(xiàn)安全透明的交易，而無需依賴單一的控制機構,其安全性基于強大的加密方法和去中心化的網(wǎng)絡結(jié)構，從而防止數(shù)據(jù)篡改和審查,盡管區(qū)塊鏈擁有這些優(yōu)勢，但它在可擴展性和性能方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)，一文介紹

區(qū)塊鏈技術為傳統(tǒng)的中心化賬本系統(tǒng)提供了一種替代方案，它能夠?qū)崿F(xiàn)安全透明的交易，而無需依賴單一的控制機構。其安全性基于強大的加密方法和去中心化的網(wǎng)絡結(jié)構，從而防止數(shù)據(jù)篡改和審查。盡管區(qū)塊鏈擁有這些優(yōu)勢，但它在可擴展性和性能方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)，限制了其高效處理海量交易的能力。與傳統(tǒng)的 Web 2.0 系統(tǒng)相比，有限的交易吞吐量和較慢的處理速度阻礙了該技術在高需求應用中的廣泛應用。

好消息是，Web3 行業(yè)正在積極努力解決這些限制。雖然最好的區(qū)塊鏈在可擴展性方面仍然遠不及最快的 Web 2.0 系統(tǒng)，但過去幾年已經(jīng)出現(xiàn)了許多解決方案來彌補這一差距。

在本文中，我們討論了區(qū)塊鏈可擴展性的概念，解釋了其潛在問題，并概述了在保持網(wǎng)絡完整性的同時改進它的主要技術。

關鍵要點：

區(qū)塊鏈可擴展性是指網(wǎng)絡在不影響速度、成本、安全性或去中心化的情況下處理不斷增長的交易的能力。
提高可擴展性的關鍵方法包括第 1 層共識升級、通過分片進行并行處理、第 2 層解決方案（例如側(cè)鏈和匯總）、可互操作鏈的生態(tài)系統(tǒng)和模塊化區(qū)塊鏈架構。
解決方案包括第 1 層改進（例如權益證明 (PoS)、分片和 SegWit 以增強基礎鏈性能）和第 2 層解決方案（例如側(cè)鏈和匯總（樂觀和零知識）以卸載交易）。

什么是區(qū)塊鏈可擴展性？

區(qū)塊鏈是一種去中心化的數(shù)字賬本，它無需依賴任何中央機構，即可安全透明地記錄交易。 2009年，比特幣（BTC）的誕生標志著第一個由加密技術保障的去中心化網(wǎng)絡的誕生，實現(xiàn)了點對點的數(shù)字貨幣轉(zhuǎn)賬。雖然比特幣的去中心化模式是一個革命性的概念，但很快人們就意識到，區(qū)塊鏈每秒只能處理約7筆交易（TPS），因此與傳統(tǒng)的企業(yè)級Web 2.0系統(tǒng)相比，其可擴展性有限。

在此背景下，區(qū)塊鏈可擴展性是指網(wǎng)絡在保持速度和安全性的同時提高交易吞吐量的能力。TPS 是衡量可擴展性的關鍵指標，它表明在整個網(wǎng)絡層面上每秒可以處理的交易數(shù)量。更高的 TPS 使區(qū)塊鏈能夠支持更多用戶和應用程序，而不會出現(xiàn)瓶頸或成本過高。

實現(xiàn)區(qū)塊鏈可擴展性的挑戰(zhàn)與所謂的“區(qū)塊鏈三難困境”息息相關。這一概念凸顯了同時優(yōu)化區(qū)塊鏈三個核心屬性（去中心化、安全性和可擴展性）的難度。提升其中一兩個屬性通常需要犧牲第三個屬性。例如，通過集中控制來提高 TPS 可能會損害去中心化和安全性。

近期區(qū)塊鏈發(fā)展

繼比特幣之后，以太坊（ETH，2015 年推出）等較新的區(qū)塊鏈也試圖通過支持更復雜的應用程序和智能合約來提高性能，但與領先的 Web 2.0 系統(tǒng)相比，它們的可擴展性仍然有限。

近期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡在性能方面取得了顯著進步。Solana (SOL )于 2020 年推出，常被認為是熱門公鏈中可擴展性最強的，其聲稱在理想條件下可支持高達 65,000 TPS 的性能。雖然這是一個顯著的提升——尤其是相對于比特幣微弱的 7 TPS——但 Solana 和類似平臺仍然遠遠落后于強大的 Web 2.0 計算基礎設施。相比之下，亞馬遜網(wǎng)絡服務 (AWS) 和谷歌云等主流云服務提供商可以通過在龐大的數(shù)據(jù)中心之間分配工作負載，每秒處理數(shù)百萬筆交易或請求。

雖然區(qū)塊鏈確實通過去中心化和安全性提供了獨特的優(yōu)勢，但與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其可擴展性仍然是一個主要瓶頸。

為什么可擴展性在區(qū)塊鏈中很重要？

區(qū)塊鏈的可擴展性至關重要，因為緩慢的交易速度和有限的容量會造成瓶頸，阻礙該技術的廣泛應用。當區(qū)塊鏈處理交易速度過慢時，用戶體驗就會受到影響，應用程序也難以獲得發(fā)展。這個問題在去中心化金融(DeFi) 和游戲等速度和響應能力至關重要的領域尤為明顯。

DeFi 平臺依賴快速的交易確認來執(zhí)行交易、貸款和其他金融操作。緩慢的處理速度可能會導致用戶請求與實際執(zhí)行之間的延遲，并使用戶面臨價格滑點或交易失敗等風險。這些問題可能導致用戶感到沮喪、資金損失并錯失良機，所有這些都會阻礙用戶依賴基于區(qū)塊鏈的金融服務。

同樣，基于區(qū)塊鏈的游戲也需要快速、無縫的互動來保持玩家的參與度。響應延遲的游戲往往會很快失去用戶，因為體驗達不到傳統(tǒng)游戲平臺設定的實時性預期。如果沒有可擴展性的提升，區(qū)塊鏈游戲?qū)⒂肋h難以與 Web 2.0 同行競爭。

除了這些面向消費者的應用之外，可擴展性不足也限制了區(qū)塊鏈在企業(yè)領域的應用。許多企業(yè)需要能夠即時處理大量交易，同時又能保持安全性和透明度的系統(tǒng)。區(qū)塊鏈有限的吞吐量和較高的延遲常常令企業(yè)用戶感到沮喪。因此，許多公司不愿大規(guī)模實施區(qū)塊鏈解決方案，因為當前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡無法與現(xiàn)有中心化基礎設施的速度和容量匹敵。

簡而言之，提升區(qū)塊鏈的可擴展性對于充分釋放其在金融、游戲、社交、企業(yè)和眾多其他領域的潛力至關重要。顯然，如果可擴展性沒有顯著提升，區(qū)塊鏈將繼續(xù)面臨被主流接受的障礙，最終只能成為一項受少數(shù)市場（即其狂熱愛好者）青睞的小眾技術。

區(qū)塊鏈可擴展性問題

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可擴展性問題體現(xiàn)在幾個具體且反復出現(xiàn)的方式上：交易吞吐量有限、確認時間過長以及擁堵期間的高昂費用。這些問題既影響用戶，也影響開發(fā)者，造成摩擦，阻礙了區(qū)塊鏈技術在日常應用中的廣泛應用。

網(wǎng)絡交易速度和容量

大多數(shù)第一代區(qū)塊鏈，包括比特幣和以太坊，都采用一種結(jié)構，即網(wǎng)絡上的所有節(jié)點都必須處理和驗證每筆交易。這種架構保留了去中心化和安全性，但限制了在一定時間間隔內(nèi)可以確認的交易數(shù)量。當需求超過網(wǎng)絡容量時，交易就會開始排隊，用戶被迫等待或競爭以獲得優(yōu)先處理的交易。

高額交易費

這種競爭直接導致了第二個問題：高昂的交易費用。區(qū)塊鏈通常采用一種優(yōu)先考慮愿意支付更多費用的用戶的收費機制。在流量高峰期，費用可能會急劇飆升，導致簡單的操作變得成本高昂，小用戶通常難以承受。這種動態(tài)導致一些區(qū)塊鏈應用成本過高，尤其是在 DeFi 平臺中，因為這些平臺通常需要多次交易才能完成一項操作。

如今，這個問題最明顯的表現(xiàn)或許是以太坊的高昂交易費，在網(wǎng)絡需求旺盛時，交易費可能會飆升至兩位數(shù)美元。雖然截至 2025 年中期，以太坊的典型交易費已降至 1 美元以下，但在網(wǎng)絡擁堵期間， DeFi 和NFT領域的一些復雜交易費用可能超過 95 美元。

確認時間長

第三個主要問題是確認時間過長，當網(wǎng)絡擁堵導致交易在隊列中延遲時，就會出現(xiàn)這種情況。與中心化系統(tǒng)（交易處理幾乎可以即時完成）不同，區(qū)塊鏈依賴于區(qū)塊生成周期和驗證者的可用性。在出塊速度較慢或容量有限的區(qū)塊鏈上，確認延遲會變得更加頻繁，有時甚至會持續(xù)幾分鐘甚至幾小時。這些延遲會造成不確定性，擾亂用戶體驗，并增加交易失敗或過期的可能性。

這三個可擴展性問題共同構成了一個自我強化的循環(huán)：擁堵會導致費用上升并減慢確認速度，進而抑制使用并削弱人們對區(qū)塊鏈應用的信任。對于開發(fā)者而言，這些限制限制了可以構建和擴展哪些類型的去中心化應用程序(DApp)。對于用戶而言，它們創(chuàng)造了一個緩慢、昂貴且不可預測的環(huán)境。如果不加以解決，這些限制將繼續(xù)阻礙區(qū)塊鏈與 Web 2.0 快速而強大的基礎設施競爭。

區(qū)塊鏈可擴展性解決方案

為了實現(xiàn)更快、更低成本的交易、快速的最終確定性和更高的吞吐量，各種區(qū)塊鏈可擴展性解決方案已被提出并實施。這些解決方案通常側(cè)重于對基礎 Layer 1 鏈進行架構修改，或者保持 Layer 1 的完整性，并通過 Layer 2 技術擴展網(wǎng)絡功能。

第 1 層解決方案

Layer 1解決方案是協(xié)議層面的變革，它直接修改區(qū)塊鏈的架構，以提高吞吐量和性能。這些變革會影響交易在網(wǎng)絡上的處理、驗證和存儲方式。

共識機制改進

共識機制決定了區(qū)塊鏈中的節(jié)點如何就交易的有效性和賬本的狀態(tài)達成一致。世界上最古老的區(qū)塊鏈——比特幣區(qū)塊鏈，采用工作量證明(PoW) 共識機制，該機制提供了強大的安全性，但吞吐量低且能耗高。作為業(yè)內(nèi)最早實施的共識模型，PoW 至今仍廣受歡迎，除了比特幣之外，比特幣現(xiàn)金 (BCH)、狗狗幣 (DOGE)、萊特幣 (LTC) 等網(wǎng)絡也采用了該機制。

實現(xiàn) Layer 1 更高可擴展性的一個關鍵方法是從 PoW 轉(zhuǎn)向更新、更可擴展的共識算法。其中最常見的或許是權益證明 (PoS)，目前已被以太坊 (ETH) 和許多其他支持智能合約的網(wǎng)絡所采用。

PoS 允許驗證者根據(jù)其質(zhì)押（即鎖定在網(wǎng)絡上的代幣持有量）來處理和證明交易區(qū)塊，從而減輕了計算負擔。相比之下，PoW 則要求區(qū)塊驗證者（在基于 PoW 的區(qū)塊鏈上通常稱為礦工）解決復雜且耗能的數(shù)學難題，才能將新區(qū)塊添加到網(wǎng)絡賬本中。從 PoW 到 PoS 的轉(zhuǎn)變提高了新區(qū)塊鏈的效率，降低了能耗，同時也提升了整體的可擴展性。

其他注重性能的共識機制，例如波場(TRX) 等網(wǎng)絡使用的委托權益證明 (DPoS) 和 Solana (SOL) 使用的歷史證明 (PoH)，進一步優(yōu)化了區(qū)塊生產(chǎn)和可擴展性。這些替代方案優(yōu)先考慮更高的交易容量，因此對于需要實時或近實時性能的應用程序來說極具吸引力。

分片

分片是一種將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡劃分為更小、更易于管理的部分（稱為分片）的方法。每個分片處理各自的一組交易，并維護總數(shù)據(jù)的一個子集，從而減少單個節(jié)點的負載并提高整體網(wǎng)絡吞吐量。

分片技術不再要求所有節(jié)點驗證每筆交易，而是允許跨多個組件并行處理。這顯著增加了可同時處理的交易數(shù)量。以太坊的長期可擴展性路線圖包含全面實施分片技術，預計將在保持去中心化和安全性的同時，成倍提升其交易容量。

雖然分片技術是一個很有前景的解決方案，但它也帶來了一些挑戰(zhàn)，例如跨分片通信和數(shù)據(jù)一致性。盡管如此，它仍然是區(qū)塊鏈擴容的同時，保證安全分布式驗證的最有效的 Layer 1 解決方案之一。

隔離見證（SegWit）

隔離見證（SegWit）的引入是為了解決比特幣區(qū)塊大小限制問題，它將關鍵元數(shù)據(jù)（簽名數(shù)據(jù)）與核心交易數(shù)據(jù)分離。通過將簽名移出主交易區(qū)塊，可以為其他交易提供更多空間，從而有效提高吞吐量。

隔離見證 (SegWit) 減少了交易規(guī)模，并有助于防止某些類型的交易干擾。此升級允許每個區(qū)塊容納更多交易，并提高了整個網(wǎng)絡的區(qū)塊傳播效率。

隔離見證最初是為比特幣網(wǎng)絡提出的，于2017年5月在萊特幣上首次啟用，幾個月后也應用于比特幣網(wǎng)絡。隔離見證雖然在相對較慢的區(qū)塊鏈上有所提升，但并未對區(qū)塊鏈的可擴展性產(chǎn)生重大影響。

第 2 層解決方案

Layer 2解決方案在現(xiàn)有區(qū)塊鏈上運行，處理主 Layer 1 網(wǎng)絡之外的大部分交易，并定期在其上結(jié)算最終結(jié)果。這種方法在保持底層網(wǎng)絡安全性和去中心化的同時，也顯著提高了交易速度并減少了擁堵。最常見的 Layer 2 可擴展性解決方案包括側(cè)鏈和 Rollup（見下文）。

側(cè)鏈

側(cè)鏈是一條獨立的區(qū)塊鏈，與主 Layer 1 鏈并行運行，并通過雙向橋接器或錨點與其連接。資產(chǎn)可以在主區(qū)塊鏈網(wǎng)絡和側(cè)鏈之間移動，從而允許在側(cè)鏈上執(zhí)行交易和智能合約。

側(cè)鏈允許在不影響主鏈穩(wěn)定性的情況下，嘗試不同的共識模型、區(qū)塊大小或特定于應用程序的邏輯。它們可以更快地處理交易，并且成本更低，然后將最終結(jié)果提交給主區(qū)塊鏈。

側(cè)鏈的一個限制是它們不能繼承主鏈的全部安全保障。側(cè)鏈的安全性依賴于其自身的驗證器集或共識模型，因此側(cè)鏈需要引入一個單獨的信任層。

匯總

Rollups 將多筆交易捆綁（或“匯總”）成一個批次，然后發(fā)布到主區(qū)塊鏈。計算和存儲在鏈下處理，只有摘要數(shù)據(jù)和證明記錄在鏈上。這顯著降低了基礎層的負載，同時確保了主網(wǎng)絡的安全性。

目前主要使用的 Rollup 類型有兩種：樂觀 Rollup 和零知識 (ZK) Rollup。樂觀 Rollup 默認假設發(fā)布到底層區(qū)塊鏈的交易有效，并依賴 Layer 1 驗證者提供的錯誤證明來捕獲任何無效活動。零知識 Rollup 使用加密證明來驗證批次中的所有交易，因此比樂觀 Rollup 提供更快的交易結(jié)算速度，但技術復雜性更高。

Rollup 已經(jīng)在以太坊上部署并取得了顯著成效，它不僅為用戶帶來了更快、更便宜的交易，還緩解了底層網(wǎng)絡的擁堵。Rollup 代表了在不犧牲去中心化和安全性的情況下實現(xiàn)擴展的最有前景的方向之一。

新興的可擴展性方法

互操作性協(xié)議

互操作性協(xié)議通過使多個區(qū)塊鏈能夠高效通信和共享數(shù)據(jù)，提供了另一種實現(xiàn)可擴展性的途徑。這些系統(tǒng)并非只擴展單個鏈，而是創(chuàng)建由專用鏈組成的網(wǎng)絡，這些鏈可以在保持協(xié)調(diào)的同時，彼此分擔工作。例如，Polkadot (DOT) 生態(tài)系統(tǒng)使用中央中繼鏈連接稱為平行鏈的獨立網(wǎng)絡，使它們能夠并行處理交易，同時受益于共享的安全性。

Cosmos (ATOM) 通過其跨鏈通信 (IBC) 協(xié)議采用了類似的模型，連接生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各個區(qū)塊鏈，盡管不像 Polkadot 那樣擁有中心化的主鏈。這些網(wǎng)絡擴展了整個生態(tài)系統(tǒng)（而非單條鏈）的總交易容量，從而提供了一種靈活的可擴展性方法?；ゲ僮餍詤f(xié)議也為針對特定用例進行優(yōu)化的特定應用鏈奠定了基礎。

模塊化區(qū)塊鏈

模塊化區(qū)塊鏈通過將傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的單片結(jié)構分解為獨立的專用層來解決可擴展性問題。模塊化架構并非由單一的區(qū)塊鏈處理執(zhí)行、共識和數(shù)據(jù)可用性，而是將這些任務分配給不同的組件。例如，Celestia (TIA) 主要關注數(shù)據(jù)可用性，允許其他網(wǎng)絡獨立處理執(zhí)行和結(jié)算。這種分離機制允許每個層針對其特定功能進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)更好的擴展性。

總結(jié)

可擴展性仍然是區(qū)塊鏈開發(fā)中最持久的挑戰(zhàn)之一。雖然比特幣、萊特幣和以太坊等早期網(wǎng)絡為去中心化系統(tǒng)奠定了基礎，但其有限的容量促使人們不斷努力提高吞吐量、降低費用并實現(xiàn)大規(guī)模采用。從第一層升級和第二層擴展框架到模塊化設計和互操作性網(wǎng)絡，在協(xié)議和基礎設施層面都出現(xiàn)了各種解決方案。

每種方法都有其優(yōu)缺點，但它們共同推動著行業(yè)走向更高效、更可擴展的架構。隨著區(qū)塊鏈社區(qū)不斷測試、改進和應用這些方法，去中心化系統(tǒng)與傳統(tǒng) Web 2.0 系統(tǒng)之間的差距將進一步縮小。希望有一天，區(qū)塊鏈能夠成為對可擴展性要求高的應用的首選基礎設施，涵蓋企業(yè)解決方案、金融、游戲、社交網(wǎng)絡等各個領域。

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