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什么是区块链三难困境?

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介绍

从根本上说,区块链是一个分布式数字数据库。数据块按时间顺序组织。这些块通过加密证明链接和保护。这项技术在不同行业的实施已经在改变我们的工作和生活方式。 

这个想法是,去中心化和安全的区块链允许一个我们不需要依赖第三方来让网络或市场运作的世界。然而,专家们普遍认为,如果要更广泛地采用这项技术,就需要解决一个核心问题。所讨论的问题被称为“区块链三难困境”。

这个术语是由以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 推广的。为了使它有意义,您需要了解区块链中需要的三个不同元素:去中心安全性可扩展性。区块链三难困境指的是区块链很难同时达到所有三个属性的最佳水平。增加一个通常会导致另一个减弱。

本文将研究三难困境中的所有三个要素,并更详细地解释每个要素是什么。更深入地讨论每一个,以及它们如何组合在一起,将导致更好地理解区块链三难困境的存在方式和原因。本文还将重点介绍开发人员建议的一些解决方案。

什么是区块链三难困境?

什么是权力下放?

比特币和类似的区块链网络在设计上是去中心化的。整个结构是这样的,没有一个人或组织负责。相反,它是去中心化的。网络层对任何想参与的人开放。因此,控制权是完全分散的,而不是由一个实体持有。每个人都可以访问相同的数据。如果有人试图通过更改对他们有利的记录来欺骗系统,那么其余参与者将拒绝错误数据。

这可能非常技术性,但让我们以比特币网络为例。没有第三方控制。将此与金融系统中银行的需求进行比较。银行加强交易人员之间的信任,并确保正确保存所有记录。然而,比特币区块链与网络上的每个人共享所有这些数据,以便在将其添加到数字数据库之前对其进行检查和确认。结果是一个不需要第三方就可以存在的系统。

去中心化提供了所谓的Web3的可能性。现在我们有了 Web2——今天的互联网。它充满了由公司控制的网站和应用程序,但以用户制作的内容为特色。Web3 是下一步。分散式区块链技术让人们可以控制自己的数据和在线生活的互联网。 

然而,需要注意的一件事是,由于这些分布式系统的工作方式——需要广泛的参与者就任何数据的有效性达成一致——由于信息需要共享的方式,交易时间可能会很慢,并且处理。因此,区块链需要扩展,也就是说能够以更快的速度处理更多的数据。我们将在讨论可伸缩性时回到这一点。

此外,去中心化的梦想只有在底层区块链是安全的情况下才会成立。如果区块链缺乏安全性,那么坏人就可以控制并更改数据以对他们有利。这就引出了三难困境的第二部分:安全性。

什么是区块链安全?

如果区块链缺乏安全性,那么它的去中心化程度并不重要。一个好的区块链网络应该能够抵抗恶意实体的攻击。集中式系统的安全性源于系统的封闭性。谁在控制谁就可以保证数据不受干扰。但是,这是如何在任何人都可以参与的去中心化系统中实现的呢?

这是一个复杂的话题,但我们可以回到比特币作为去中心化区块链安全的一个例子。比特币区块链结合使用密码学和称为工作量证明 (PoW)的网络共识机制。在密码学方面,每个块都有一种数字签名(或哈希)。每个数据块都以一种不可篡改的方式连接,因为任何更改都会改变块的哈希值。任何更改数据的尝试都会被网络的其余部分迅速识别出来。

PoW 共识机制是难题的另一部分。它有助于保护加密货币的分类帐。理解工作量证明本身就是一整篇文章,但为了我们的目的,请注意网络成员只能通过称为挖掘的活动验证新交易并将其添加到分类帐中。这涉及使用计算能力来解决数学难题。部分过程需要这些计算机执行大量哈希函数。这涉及可扩展性问题,因为 PoW 机制是安全的但相对较慢。

另请注意,网络中的参与者(节点)越多,它就越安全。参与方的数量越多,一个不良行为者就越难控制系统。这与所谓的51% 攻击有关。概述:如果单个实体(或一群不良行为者)可以控制区块链总网络哈希率的 50% 以上,那么他们将能够推翻共识并更改链的数据以使自己受益,例如双花令牌。 

简而言之,安全是区块链成功的基本要求,因为如果没有它,攻击者就可以控制链,使其变得毫无用处。

什么是可扩展性?

可扩展性是指构建一个每秒可以支持越来越多交易的区块链的目标。如果区块链技术要为更广泛的社会和可能的数十亿用户提供服务,则需要规模。但这是许多区块链仍在挣扎的地方。 

这是因为去中心化和安全性对于区块链来说是如此的基础,以至于它们往往首先被关注。去中心化是区块链精神和目标的核心,它是大多数公认区块链的核心。正如我们所讨论的,安全性是区块链成功和有用的核心要求。

然而,通过优先考虑去中心化和安全性,可扩展性成为一个挑战。链可以处理的交易数量可能受到严格限制。Visa 等集中式支付系统声称它每秒能够支持 24,000 笔交易。这是因为网络是封闭的,没有考虑公共节点和共识等因素。将其与一些最著名的区块链进行比较。 

据彭博社 2022 年报道:“截至 9 月,比特币每秒无法处理超过 7 笔交易,而第二受欢迎的网络以太坊被限制在每秒 15 笔左右——与传统交易所相比是一生。”

如前所述,由于构成去中心化网络的不同参与者需要处理信息的方式,以及 PoW 共识机制本身的性质,这些区块链交易速度是有限的。如果社会上越来越多的人开始使用区块链技术,网络将由于他们可以处理的交易数量有限而变得拥堵。

为什么存在区块链三难困境

解决上述问题的最明显和最基本的解决方案是减少确认和添加到网络数据的参与者数量,以换取更大的规模和速度。但这样做会导致权力下放减弱,控制权交给少数参与者。而且这还会导致安全性减弱,因为玩家越少意味着攻击的可能性就越大。

所以这里存在三难困境:鉴于去中心化和安全性的理想属性之间的联系,区块链如何工作的基本设计使其难以扩展。增加一个,你就会削弱另一个。如何在不损害去中心化、安全性或两者的情况下推动可扩展性? 

解决区块链三难困境

三难困境没有唯一的黄金解决方案。但考虑到解决这个问题的重要性,社区内出现了许多不同的方法,并取得了有趣的结果。让我们回顾一下一些最受欢迎的开发项目,让您了解该领域正在发生的事情:

1.分片

这是一种将区块链(或其他类型的数据库)拆分为更小的分区区块链以管理特定数据段的方法。这种设置减轻了处理网络上所有交易和交互的单链的压力。每个分区的区块链都称为分片,并有其特定的分类帐。然后这些分片可以处理自己的交易,但是信标区块链或主链管理分片之间的交互。这使得分片成为第 1 层网络可扩展性升级,因为它是对区块链主网的更改。

2.共识机制不同

比特币网络中存在三难困境的原因之一是 PoW 确保安全的工作方式。对矿工、加密算法和大量分散计算能力的需求导致了一个安全的系统,但速度很慢。寻找一种不同的方式来确保达成共识是解决三难困境的一种方法。这是以太坊从 PoW 转向权益证明(PoS) 背后的原因之一。

在 PoS 区块链中,参与验证交易的参与者必须抵押(锁定)他们的代币。不需要高度专业化的采矿机器。向网络添加更多验证器更简单、更易于访问。PoS 只是考虑可扩展性的共识机制的众多不同方法之一。 

3. Layer-2解决方案

分片和不同的共识机制都是所谓的 Layer-1 解决方案。他们希望改变底层网络的基本设计。但寻求解决三难困境的其他开发人员一直在研究建立在现有网络结构之上的解决方案。换句话说,他们认为答案在于第二层,或第 2 层。这方面的例子包括侧链和状态通道

侧链基本上是连接到主链的独立区块链。它的设置方式使资产可以在两者之间自由流动。重要的是,侧链可以在不同的规则下运行,从而实现更高的速度和规模。同样,状态通道是另一种将交易从主链上移除并减轻Layer 1压力的方式。状态通道使用智能合约而不是单独的链,使用户能够在不将交易发布到区块链的情况下相互交互。区块链只记录通道的开始和结束。

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