区块链可扩展性概述

可扩展性通常指的是一个系统能够应对需求增长的能力。在计算领域，你可以通过升级硬件来提高机器的性能，从而加快执行某些任务的速度。当我们谈到区块链的可扩展性时，我们指的是增加其处理更多交易的能力。

像比特币这样的协议有许多优点，但可扩展性并不是其中之一。如果比特币运行在一个中心化的数据库上，管理员可以相对容易地增加速度和吞吐量。但比特币的价值主张（如抗审查性）要求许多参与者同步区块链的副本。

区块链可扩展性问题

运行一个比特币节点相对便宜，甚至简单的设备也可以做到。但由于成千上万的节点需要保持同步，它们的容量存在一定的限制。

对链上可处理交易数量设置了上限，以防止数据库增长到难以处理的大小。如果它增长得太快，节点将无法跟上。此外，如果区块太大，它们就无法在网络中快速传递。

因此，我们发现自己面临着某种瓶颈。区块链可以被视为一个按设定时间间隔出发的火车服务。每节车厢的座位有限，旅客必须竞标才能保证获得座位。如果每个人都想同时上车，票价就会很高。同样，一个网络被待处理的交易堵塞时，用户需要支付更高的费用来确保他们的交易及时被处理。

一个解决方案是增加车厢的大小。这将意味着更多的座位，更高的吞吐量，以及更便宜的票价。但不能保证座位不会像以前一样迅速填满。车厢不能永久扩大，就像区块或gas限制不能无限扩展一样。后者使得节点留在网络上变得更加昂贵，因为它们需要更昂贵的硬件来保持同步。

以太坊创建者维塔利克·布特林提出了可扩展性三难困境（Scalability Trilemma）来描述区块链面临的挑战。他认为协议必须在可扩展性、安全性和去中心化之间做出权衡。这些因素在某种程度上是相互矛盾的——过于关注其中两个属性，第三个属性就会很差。

因此，许多人认为可扩展性应该在链外实现，而安全性和去中心化应该在区块链本身最大化。

什么是链外扩展解决方案？

链外扩展指的是允许在不增加区块链负担的情况下执行交易的途径。连接到链的协议允许用户发送和接收资金，而这些交易不会出现在主链上。我们将深入探讨两个最显著的进展：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。然而，它并不是一个独立的平台，因为它以某种方式与主链挂钩。主链和侧链是可互操作的，意味着资产可以在这两者之间自由流动。

确保资金可以跨链转移的方式有很多。在某些情况下，资产通过存入一个特殊地址从主链转移。它们并不是真的被发送过去——而是被锁定在该地址上，并且在侧链上发行相应的金额。一个更直接（尽管是中心化的选项）是将资金发送给一个托管人，托管人会用存款换取侧链上的资金。

侧链如何运作？

假设我们的朋友爱丽丝有五个比特币。她想用它们换取五个等值单位的比特币侧链——我们称之为侧币。所涉及的侧链使用双向挂钩，意味着用户可以将他们的资产从主链转移到侧链，反之亦然。

请记住，侧链是一个独立的区块链。因此，它将有不同的区块、节点和验证机制。为了获得她的侧币，爱丽丝会将她的五个比特币发送到另一个地址。这个地址可能由某人拥有，一旦他们收到比特币，就会将五个侧币记入她的侧链地址。或者，它可能具备某种最小信任设置，一旦软件检测到付款，侧币就会自动记入。

爱丽丝现在已经将她的币转换为侧币，但她总是可以逆转这个过程以取回她的比特币。现在她已经进入了侧链，她可以在这个独立的区块链上自由交易。她可以发送侧币或从其他人那里接收侧币，就像在主链上一样。

例如，她可以向鲍勃支付一个侧币以换取一件币安连帽衫。当她想回到比特币时，她可以将剩余的四个侧币发送到一个特殊地址。交易确认后，四个比特币将被解锁并发送到她在主链上控制的地址。

为什么使用侧链？

你可能会想这有什么意义。为什么爱丽丝不直接使用比特币区块链呢？

答案是侧链可能能够做比特币做不到的事情。区块链是精心设计的权衡系统。虽然比特币是最安全和去中心化的加密货币，但它在吞吐量方面并不是最佳的。虽然比特币交易比传统方法快，但与其他区块链系统相比仍然相对较慢。区块每十分钟挖掘一次，当网络拥堵时，费用可能会显著增加。

诚然，对于小额日常支付，可能不需要这种级别的安全性。如果爱丽丝在支付一杯咖啡时，她不会站在那里等待交易确认。她会耽误排队，而且她的饮料在交付时会变冷。

侧链不受相同规则的约束。事实上，它们甚至不需要使用工作证明（Proof of Work）来运作。你可以使用任何共识机制，信任单一验证者，或调整任何数量的参数。你可以添加主链上不存在的升级，产生更大的区块，并强制执行快速结算。

有趣的是，侧链即使出现严重错误也不会影响底层链。这允许它们被用作实验平台，并推出否则需要网络大多数人共识的功能。

只要用户对权衡感到满意，侧链可能是在有效扩展方面迈出的重要一步。主链节点不需要存储来自侧链的每一笔交易。爱丽丝可以用一个比特币交易进入侧链，执行数百次侧币交易，然后退出侧链。就比特币区块链而言，她只执行了两次——一次进入和一次退出。

以太坊的Plasma类似，但有一些主要区别。了解更多：什么是以太坊Plasma？

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的目的相同，但它们在根本上非常不同。像侧链一样，它们将交易推离主链，以防止区块链膨胀。然而，与侧链不同的是，它们不需要一个独立的区块链来运作。

支付通道使用智能合约，使得用户可以在不将他们的交易发布到区块链的情况下进行交易。它通过使用软件强制执行的两方协议来实现这一点。

支付通道如何运作？

在像Lightning Network这样流行的模型中，两个参与方首先将币存入他们共同拥有的地址。这是一个多签名地址，需要两个签名才能动用资金。因此，如果爱丽丝和鲍勃创建了这样的地址，只有在他们两者都同意的情况下，资金才能被转移出去。

假设他们各自存入10个BTC，现在这个地址持有20个BTC。他们可以轻松地保持一个开始时显示爱丽丝和鲍勃各有10个BTC的余额表。如果爱丽丝想给鲍勃一个币，他们可以更新余额表为爱丽丝有9个BTC，鲍勃有11个BTC。他们在继续更新这些余额时，不需要发布到区块链上。

然而，当时间到来时，假设爱丽丝有5个BTC，鲍勃有15个BTC。他们可以创建一个将这些余额发送到双方拥有的地址的交易，签署并广播它。

爱丽丝和鲍勃可能在他们的余额表上记录了十次、一百次或一千次交易。但就区块链而言，他们只执行了两次链上操作：一次是初始资金交易，一次是在完成后重新分配余额。除了这两次之外，所有其他交易都是免费且几乎即时的，因为它们发生在链外。无需支付矿工费用，也无需等待区块确认。

当然，上述例子需要双方合作，这对于陌生人来说并不是理想的情况。然而，可以使用特殊机制来惩罚任何欺诈尝试，因此双方可以在没有信任的情况下安全地进行互动。

支付路由

显然，支付通道对于预期有大量交易的两方来说是方便的。但它变得更好。这些通道可以形成一个网络，这意味着爱丽丝可以支付给她没有直接连接的参与方。如果鲍勃与卡罗尔开通了一个通道，爱丽丝可以在有足够容量的情况下支付给卡罗尔。她会将资金推到鲍勃通道的这一侧，鲍勃反过来会将资金推到卡罗尔的。如果卡罗尔与另一位参与者丹连接，可以做同样的事情。

这样的网络会演变成一个分布式拓扑结构，每个人连接到多个对等方。通常会有多条到达目的地的路线，用户将能够选择最有效的一条。

结语

我们讨论了两种允许在不增加底层区块链负担的情况下进行交易的可扩展性方法。侧链和支付通道技术尚未成熟，但它们越来越多地被希望绕过基础层交易缺点的用户所利用。

随着时间的推移和更多用户加入网络，重要的是要维护去中心化。这只有通过限制区块链的增长，使新节点能够轻松加入，才能实现。链外可扩展性解决方案的支持者相信，随着时间的推移，主链将仅用于结算高价值交易，或用于进出侧链和开闭通道的挂钩操作。