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区块链网络拥堵是什么？

当提交到网络的交易数量超过了网络处理这些交易的能力时，就会发生网络拥堵。这种现象有几个导致因素，包括市场波动等外部因素，以及区块大小和区块时间等网络内在特性。在详细探讨之前，我们需要先了解区块是如何被添加到区块链中的。

区块链技术如何运作？

区块链由一系列区块组成，每个区块包含用户创建的交易数据。每个新区块一旦添加到链中，就是永久且不可变的。这些区块在去中心化的节点网络中传播，每个节点都存储一份区块链的副本。区块链通过密码学和博弈论来保护，是比特币和以太坊等加密货币的基础。为了充分理解为什么区块链网络会出现拥堵，我们需要探讨一些关键概念，这些概念影响着网络处理交易的能力：内存池、候选区块、最终性和最长链原则。

什么是“内存池”？

内存池是指等待被纳入下一个区块的未确认交易的集合。例如，当一笔交易在比特币网络上广播时，它不会立即被添加到区块链中。相反，它首先进入内存池（即记忆池），这是所有待处理交易的等待区。一旦交易被确认，它就会从内存池中移除。

什么是“候选区块”？

候选区块，也称为“提议区块”，是矿工或验证者提出要添加到区块链中的区块。这些区块包含已广播到网络但尚未被纳入区块链的未确认交易。为了使候选区块成为确认区块，它必须根据区块链的共识机制被挖掘或验证。例如，比特币的PoW共识机制让矿工竞争解决复杂的数学难题。第一个解决难题的矿工可以将他们的候选区块添加到区块链并获得奖励。在以太坊的PoS共识机制中，验证者被随机选中提出候选区块。其他验证者对区块的有效性进行证明。当一个区块获得足够的证明时，它就从候选区块转变为确认区块。

区块链中的“最终性”是什么？

最终性是指一笔交易或操作无法再被更改或撤销。一旦交易达到了最终性，它就会被永久记录在区块链上，且无法被更改或移除。在比特币区块链中，交易被广播到网络并添加到内存池中。矿工从这个池中选择并验证交易，并将它们包含在新的区块中，添加到区块链中。该区块中的交易被视为已确认，但理论上其他矿工仍有可能挖掘一个竞争区块。交易的最终性随着确认区块的增加而增加。比特币交易通常在包含这些交易的区块上再追加六个区块后被视为“最终”。由于以太坊的区块时间较短，建议需要更多的确认才能达到类似的“最终性”信心水平。

什么是最长链原则？

正如上文所述，多个矿工可以在相近的时间内生产出新的有效区块。这可能导致区块链的临时分叉。最长链原则是指区块链的有效版本是投入最多计算工作的那一个，通常是具有最长区块链的版本。因此，较短链上的“有效”区块——通常称为孤块或过时区块——会被丢弃，其交易会被退回到内存池。以太坊在使用PoW时采用了最长链原则。在2022年过渡到PoS后，网络采用了一种更新的分叉选择算法，该算法测量链的“权重”，即验证者投票的累积总和，按验证者质押的以太坊余额加权计算。

什么导致区块链网络拥堵？

区块链网络拥堵发生在提交到网络的交易数量超过了网络处理这些交易的能力时。区块链网络可能变得拥堵的原因有几个：

需求增加

随着更多人向区块链提交交易，内存池中的未确认交易数量可能会超过单个区块所能包含的数量。这对于区块大小和区块时间有内在限制的区块链尤其相关。交易量的增加可能是由价格波动引发的交易活动激增或大规模采用周期的浪潮驱动的。

区块大小小

每个区块链都有一个定义区块最大大小的区块大小限制。这个区块大小限制了每个区块可以包含的交易数量。例如，比特币最初设计的区块大小限制为1兆字节。2017年，比特币实施了一个名为隔离见证（SegWit）的升级，以提高交易吞吐量。它将理论上的区块大小限制提高到约4兆字节。如果交易数量超过了这个限制，就会导致网络拥堵。

区块时间慢

区块时间是指新区块被添加到区块链的频率。比特币大约每10分钟添加一个新区块。如果交易的创建速度和数量远远超过这个速度，就会有一系列交易积压。

网络拥堵的后果是什么？

区块链网络拥堵可能导致几个负面后果，阻碍网络顺利运作。

交易费用增加

矿工有动机优先处理支付更高费用的交易。因此，当区块链网络变得拥堵时，用户通常需要支付更高的交易费用，以激励矿工优先处理他们的交易。这可能会使使用区块链变得比平时更昂贵，特别是对于小额交易而言。

交易确认时间延长

网络拥堵可能导致交易确认和最终性的等待时间延长。在极端情况下，交易可能需要几个小时、几天甚至更长时间才能确认。这可能会引起用户的挫败感。

用户体验差

高费用和缓慢的确认时间可能导致用户体验差，这可能减少区块链的采用和可用性。

市场波动

拥堵可能会放大不确定性并促成市场波动。如果有许多用户试图卖出一种加密货币，但网络过于拥堵无法处理这些交易，用户可能会恐慌并迅速尝试抛售他们的持有物。

还有其他后果，包括安全风险和网络中心化风险。具体来说，更长的确认时间可能增加双重支付攻击的风险，而高费用可能导致挖矿力量的中心化。

网络拥堵的例子

比特币网络拥堵

2017年末至2018年初比特币的显著价格上涨导致了迄今为止最突出的网络拥堵事件之一。比特币的流行激增导致需求和交易量大幅增加，导致显著的延迟和交易费用激增。有一段时间，平均交易费用超过50美元。在2023年春季，比特币网络由于与BRC-20代币相关的交易活动增加而变得拥堵，导致待处理交易和费用激增。有一次，记录了近40万未确认交易，导致内存池出现瓶颈。交易费用在几周内增加了300%以上。

以太坊网络拥堵

以太坊网络拥堵的一个显著例子发生在2017年，当时“加密猫”项目迅速传播并显著减缓了网络。还有由于DeFi热潮导致的网络拥堵，导致gas价格上涨。任何区块链网络都可能变得拥堵。但比特币和以太坊网络上的网络拥堵实例比其他区块链更引人注目，因为它们由于其流行性和重要性而产生了更广泛的影响。

缓解网络拥堵的解决方案

增加区块大小

增加区块大小可以使每个区块处理更多的交易，有效地增加网络的吞吐量。但更大的区块需要更长时间通过网络传播，增加了临时分叉的风险。它们还需要更多的存储空间，这可能导致增加中心化。

减少区块时间

减少区块时间可以使网络更快地处理交易。然而，较短的区块时间可能会增加孤块的数量，并可能危害安全性。

第二层解决方案

这些链外解决方案在主区块链之外处理交易，并将最终状态记录在链上。比特币的闪电网络和以太坊的Plasma就是这些解决方案的例子。这些解决方案可以提高可扩展性，但实施起来复杂，并可能引入额外的安全问题。

分片

分片是一种将区块链分成几个较小分片的技术，每个分片都能够处理交易和智能合约。这可以显著增加网络的容量。但与第二层解决方案类似，分片增加了复杂性，也可能引入额外的安全风险。

其他潜在的解决网络拥堵的解决方案包括费用调整和扩展解决方案，包括乐观和零知识汇总。PoS共识机制通常比PoW更快。

结语

随着未来几年更多用户预计将采用区块链技术，网络拥堵问题变得越来越突出。网络高效处理大量交易的能力对于广泛采用和可用性至关重要。这对于打算促进实时、日常交易的区块链系统尤为相关。虽然区块链网络拥堵带来了重大挑战，但社区仍在继续开发解决方案以帮助减轻这些问题。这就是为什么关于区块链可扩展性增强的研究处于行业的前沿。