如何解决日益拥堵的区块链网络的扩容问题？

4.1 链上扩容

Layer 1 扩容比特币扩容方案有哪些，即链上（On-Chain）扩容，通过优化完善公链基础协议，提高可扩展性。 具体包括数据层改进方案、网络层改进方案和共识层改进方案。

（一）数据层改进方案

包括区块扩容、隔离见证（SegWit，隔离见证）和有向无环图（DAG，Directed Acyclic Graph）等方案。

1) 扩展块。 区块扩容方案是增加区块容量，使单个区块包含的交易数量相应增加，从而达到扩容的目的。 以BCH为例，2017年BCH区块大小提升至8M，今年5月再次提升至32M。 理论上，当平均出块间隔一定时，网络TPS上限与出块大小成正比。 BCH在今年9月进行的压力测试也证明其单区块交易承载能力高于BTC。 但由于上述节点处理能力和算力中心化等问题，区块大小无法无节制地扩展。 因此，这种方式一方面效率提升有限，另一方面可能导致算力中心化的问题。

例：客车由一层变为两层，乘客空间变大，可以搭载更多的乘客。

2) 隔离见证。 打包到区块中的交易数据包括数字签名（scriptSig）和其他交易信息。 数字签名占所有交易数据空间的60-70%，但数字签名仅在验证阶段需要。 隔离见证是隔离（隔离）数字签名（见证）和其他交易数据，增加单个区块可容纳的交易数量，变相“收缩”交易数据来扩大区块大小。 例如，BTC采用了隔离见证方式的扩展。 与区块扩容方案一样，Segregated Witness 对处理效率的提升也是有限度的。

例：在客车容量不变的情况下，将乘客的行李全部放在车顶，这样可以运载更多的乘客。

3) DAG。 DAG是无环的有向图，即从一个顶点沿着几条边（有向），但永远不能回到原点（无环）。 以IOTA为例，当一个节点发起一笔交易时，只需要在网络中找到任意两笔交易，验证它们的合法性，指向它们并向网络广播即可。 这笔交易会以同样的方式进行验证，验证的次数越多，交易的状态就越稳定。 DAG避免了网络延迟和数据同步带来的时间浪费，可以做到高并发。 主要问题包括双花和影子链攻击。

概括

随着区块链技术的普及，btc、ETH等主流公链的交易量不断增加，ETH链上一些现象级DApp火爆，区块链网络拥堵现象逐渐显现。 为了去中心化和保障网络安全，公链形成了一定的共识机制。 同时，区块间隔时间和区块大小的限制，使得可处理的交易数量不足以支持高并发应用，区块链扩容势在必行。

我们借鉴计算机网络通信架构的OSI模型，将区块链逻辑架构分为三层。 对现有的扩容方案进行了不同层次的改进，分为layer 0扩容、链上扩容和链下扩容。 其中，链上扩展通过改变基础协议来提高区块链的效率。 链下扩容不改变基础协议，在应用层进行改变，提高可扩展性。 Layer 0 扩展通过改变区块链的底层数据传输协议来提高区块链的可扩展性。

链上扩展方案包括数据层改进方案、共识层改进方案和网络层改进方案。 基本思想是增加区块大小（直接和变相）或减少区块验证传播时间和共识形成时间。

链下扩容方案主要包括四种方式：状态通道、侧链、跨链和链下计算。 其思路是将链上的部分交易转移到链下执行，减轻链上的处理压力，提高整体效率。

到目前为止，每个扩展解决方案都提供了提高可扩展性的解决方案。 目前也出现了多种方案的组合来提高可扩展性，比如多种共识机制的组合，ETH规划中的共识机制改进与分片相结合等。

这些方案都存在不同程度的优缺点，部分方案的技术实现较为复杂，实施难度较大。 根据不同的应用场景和需求，选择合适的区块链扩容技术或解决当前区块链网络拥塞问题的主要方式。

风险提示：现有方案尚未完全成熟，实施难度较大

目录

1 拥挤的区块链

2 公链安全与效率的妥协是拥塞的根源

3 扩张差异

4 现有扩建计划

4.1 链上扩容

4.2 链下扩容

4.3 Layer 0 扩展

5 总结

文本

1 拥挤的区块链

btc：高达190,000多笔未确认交易。 BTC区块大小上限为1MB，每10分钟左右产生一个区块。 根据历史数据，BTC的TPS（Transactions Per Second，每秒交易处理量）约为3.5（理论TPS可达7）。 交易量小的时候不存在拥塞问题，但是随着交易量激增，拥塞就越来越明显。 根据 Blockchain.info 数据，BTC 未确认交易的最高数量约为 190,000。

ETH：一只猫造成的拥堵。 2017年11月底，虚拟养猫游戏CryptoKitties（又称“云养猫”）上线后人气过高，导致ETH网络严重拥堵。 2017 年 12 月 5 日，ETH 未处理交易数量达到峰值 19,800。

伴随拥堵而来的另一个问题是交易费用的上涨。 交易签署后进行广播，进入矿工节点的交易池进行打包。 矿工会优先处理手续费较高的交易。 当出现拥堵时，费用较低的交易很难及时得到确认。 以BTC为例，当出现拥堵时，按照法币标准，单笔交易手续费最高可达162美元左右（数据来源：Blockchain.info）。

拥挤的区块链网络似乎无法满足基本的交易需求，扩容势在必行，那么扩容是什么？ 区块链领域的拓展重点在于如何“在更短的时间内实现更多的交易”，增强区块链的可扩展性。 可扩展性是指系统、网络或流程处理不断增加的工作量的能力，或者扩展以适应增长的潜力。

2 公链安全与效率的妥协是拥塞的根源

BTC的区块大小约为1MB，区块间隔平均为10分钟左右。 但为什么是 1MB 和 10 分钟？ 为什么不能通过增加区块大小或者缩短区块间隔来加快交易确认的效率呢？

(1) 由于每笔交易都需要经过网络中每个全节点的处理和验证，因此区块越大，传播到全网所需的时间就越长。

根据 Decker 和 Wattenhofer 在 2013 年对 BTC 的研究，一个区块的平均扩散时间大约等于 2 秒加上 0.08 秒/KB，即 1MB 的区块扩散大约需要 84 秒。 Rizun 在 2015 年对 BTC 的研究表明，随着交易扩散技术的改进，扩散时间降低到大约 0.008 秒/KB，即扩散一个 1MB 的区块大约需要 10 秒。 随着节点数量的增加，区块链会变慢，因为节点之间的延迟会随着新节点的数量呈对数增长。

(2) 更大的块大小和太短的块生成间隔将不可避免地导致孤块率增加。

区块间隔主要由验证时间、传播时间和共识时间（BTC情况下的PoW时间）组成，验证时间和传播时间之和远小于10分钟。根据公式

影响分叉概率的因素包括 t90th 和 tB，其中 t90th 是新区块传播到 90% 以上节点所需的时间，tB 是区块间隔。 在其他条件不变的情况下，分叉概率随着t90th的增加而增加，随着tB的减少而增加。

增加区块大小会增加传播时间（即 t90th 增加），这和缩短区块间隔（即 tB 减少）都意味着分叉的概率增加，即在一个新的区块被完全广播到​​全网之前，还会有另一个街区。 矿工在相同高度生产另一个新区块的可能性增加，导致网络孤块率增加。

(3) 区块大小增加和区块间隔缩短带来的运营成本增加可能导致算力中心化。

过大的区块大小带来的另一个问题是增加了全节点的运行成本。 如果按块大小计算为1MB，一年大约需要50GB的存储空间。 如果其他条件不变，块越大，存储成本和带宽成本就越高。 成本的上升和孤块率的增加可能会进一步导致普通计算机用户甚至小型矿池的退出，从而导致算力中心化和安全性减弱的趋势。

BTC的选择是网络效率和网络安全之间的折衷。 虽然1MB和10分钟不一定是最好的选择，但是通过缩短出块间隔和扩大出块确实可以提高交易处理能力，事实上人们已经这样做了，但是这样可以达到的提速是毕竟是有限的比特币扩容方案有哪些，公链的去中心化运行是效率和去中心化之间的折衷。

与BTC相比，ETH的出块间隔缩短为15秒，并且没有出块大小的限制。 ETH拥堵的原因是什么？

虽然 ETH 没有区块大小限制，但是有一个“block GasLimit”（区块燃料限制）。 ETH 中的任何交易都需要 gas（燃料）才能进行。 Gas对应于BTC交易中直接以BTC支付的手续费。 其实gas也需要用ETH购买。 请注意，区块 GasLimit 与交易中的 gasLimit 不同。 交易gasLimit是指交易者在交易中设置的gas使用限额，而区块GasLimit是指每个区块可以使用的最大gas limit。

例如交易池中有3笔交易，分别消耗10gas、20gas、30gas，当前区块GasLimit为60gas，则可以将以上3笔交易打包。 如果区块 GasLimit 为 40，则最多只能打包两笔交易。 打包。

也就是说，ETH在有限的时间（15秒）内只能处理有限数量的交易（由区块GasLimit决定）。 如果交易数量超过其承载能力，仍然会造成拥堵。

另外值得一提的是，ETH的GasLimit本身就有自动调整机制和矿工投票机制。

自动调整机制是指当父块的gas使用量超过父块GasLimit的2/3时，当前块的GasLimit会以一定的速度增加，但最大值不能超过TGL(TargetGasLimit, target气体限制）。 TGL由矿工投票决定，最小值不能小于MGL（MinGasLimit，最低gas limit）。 MGL 的初始默认值为 5000（创世块的 GasLimit）。 但自动调整相对较慢，当交易量在短时间内急剧增加时，很难快速调整。

矿工投票机制意味着矿工可以投票决定TGL的大小。 如果当前区块的 GasLimit 小于 TGL，则增加区块的 GasLimit 以尽快达到 TGL。 但是，一个区块中打包的交易信息越多，区块越大，传播时间越长，会导致叔块率上升，损害矿工利益。 因此，虽然有投票机制，但矿工投票增加TGL的意愿并不强。

注：孤立块在 ETH 中被称为“叔块”。 在 BTC 中，孤立块被丢弃，发现孤立块的矿工没有奖励。 但是ETH的15秒出块间隔导致大量的分叉和孤块，降低了整个网络的安全性。 因此，ETH鼓励矿工在新区块中引用叔块，发现叔块也可以获得奖励。

3 扩张差异

区块链扩张是大势所趋，但如何扩张存在巨大分歧。

构建可扩展的中心化网络并不难，难的是实现可扩展性、去中心化和安全性的完美结合。 构建可扩展的中心化网络并不困难。 现有的中心化支付系统已经做到了这一点。 比如2017年双十一期间支付宝的TPS达到了25.6万。（当然TPS也不是越高越好，就像在小镇上修一条10车道的马路没有太大的实际意义。）对于传统的中心化系统，可以通过增加更多的服务器来实现扩展。 在去中心化的世界中，人们不得不面临去中心化、安全和高效之间的权衡。

区块链可扩展性不可能三角（Scalability Trilemma）是指区块链系统一般只能实现去中心化、安全性和可扩展性两个属性。 如果要显着提高可扩展性，就必须牺牲安全性和去中心化。

三难困境声称区块链系统最多只能具有以下三个属性中的两个：去中心化、可扩展性、安全性。

——分片FAQ

Btc和ETH注重安全性和去中心化，一定程度上牺牲了可扩展性。 事实上，它们的颠覆意义并不在于交易性能本身。 市场上有一些新项目以牺牲去中心化或安全性为代价来提高可扩展性，但它们是否有效还有待验证。

4 现有扩建计划

我们参照计算机网络通信架构的OSI模型，将区块链逻辑架构分为三层。 其中，第0层（Layer 0）对应OSI模型的第1-4层（底层协议），包括传输层。 第 1 层和第 2 层对应于 OSI 模型的第 5-7 层（上层协议）。 第一层（Layer 1）包括数据层、网络层、共识层和激励层，第二层（Layer 2）包括合约层和应用层。

各种扩展方案旨在改进区块链逻辑架构的不同部分。 根据区块链逻辑架构不同部分的改进，扩容方案可以分为三类，即layer 0扩容、layer 1扩容和layer 2扩容。 Layer 0扩展是通过改变区块链底层数据传输协议来提高可扩展性； Layer 1扩展通过改变公链的基本协议，如区块数据结构、共识机制、激励措施等，提高可扩展性； Layer 2 扩容不改变公链的基础协议，在应用层通过链下方式提高可扩展性。