所有公共區塊鏈設計的都圍繞一個核心理念 —— 解決“區塊鏈三難困境”。 “區塊鏈三難困局”指的是沒有區塊鏈能夠同時完善去中心化、安全性和可擴展性三個指標項。
什麼是區塊鏈可擴展性？
區塊鏈技術中的“擴展”一詞是指系統吞吐量（throughput rate；以系統每秒處理的交易量來衡量）的提升。
隨著加密貨幣在日常生活中的廣泛採用，區塊鏈層需要改善網絡安全、記錄保存和其他功能。舉個例子，Visa 的 VisaNet 電子支付網絡每秒可以處理超過 20,000 筆交易，但比特幣 ( BTC ) 的主鏈每秒不能處理超過 7 筆交易。
區塊鍊是去中心化生態系統的 Layer 1。Layer 2 是與第一層結合使用的第三方整合，以增加節點數量，從而提高系統吞吐量。越來越多 Layer 2 區塊鏈技術被應用，這些解決方案中會使用智能合約來自動化交易。
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隨著比特幣發展成為商業世界中更重要的力量，區塊鏈開發人員正試圖擴大區塊鏈管理的範圍。他們希望通過開發區塊鏈層和優化 Layer 2 的可擴展性來減少處理時間並提高 TPS，即系統每秒處理的交易量（Transactions Per Second）。
區塊鏈結構設計面對的三難困境
區塊鏈三難困境是指一個普遍觀點：沒有區塊鏈能夠同時完善去中心化、安全性和可擴展性三個指標項。
在理論計算機科學中有一個 CAP 定理（CAP theorem），又稱布魯爾定理（Brewer’s theorem），它指出對於一個分布式計算系統來說，不可能同時滿足以下三點：
- 一致性（Consistency）：等同於所有節點訪問同一份最新的數據副本
- 可用性（Availability）：每次請求都能獲取到非錯的響應——但是不保證獲取的數據為最新數據
- 分區容錯性（Partition tolerance）：以實際效果而言，分區相當於對通信的時限要求。系統如果不能在時限內達成數據一致性，就意味著發生了分區的情況，必須就當前操作在C和A之間做出選擇
在當前分佈式網絡的背景下，這個定理演變成了區塊鏈的三難困境。普遍持有的觀點是，公共區塊鏈基礎設施設計必須犧牲安全性、分散性或可擴展性其中之一。
所有公共區塊鏈設計的都圍繞一個核心理念 —— 解決“區塊鏈三難困境”。因此可以概括，區塊鏈技術發展追求的“終極聖杯”就是在一個安全且廣泛分散的網絡，同時還能處理互聯網規模的交易吞吐量。
在這次的區塊淺釋中，ADAC 跟大家討論一下三個層面各自的優勢，重要性，以及它們的權衡利弊，通過例子來說明現時區塊鏈技術設計面對的三難困境。
首先，需大致定義一下可擴展性、安全性和去中心化的含義：
- 可擴展性：區塊鏈容納更高交易量的能力
- 安全性：保護區塊鏈上的數據免受各種攻擊的能力，或區塊鏈對雙重支付的防禦
- 去中心化：確保網絡不受較少實體控制的一種網絡冗餘
我們可以比特幣區塊鍊為例來解釋這三個曾面之間的較量：
比特幣的突破在於它在沒有中央實體的情況下解決了雙重支付問題。 “沒有中心實體”是關鍵，因為在中心化環境時，雙重支付只是一個微不足道的問題。當沒有中心化實體時，信任最小化的實現意味著比特幣依賴於多個礦工，而不是一個結算所/清算中心單位。比特幣引入了區塊延遲，以確保大多數礦工有足夠的時間來驗證交易。這意味著犧牲速度是確保信任最小化或去中心化的有意識選擇，而提高速度或可擴展性最簡單的方法就是扭轉引入時間延遲來確保去中心化的決定。
可擴展性、安全性和去中心化之間的相互作用？
網絡首先需要就交易的有效性達成一致才能進行結算。 如果系統中有大量參與者，協議可能需要時間達成。因此，在給定類似的安全參數的情況下，我們可以看到可擴展性與去中心化是成反比的。
如果假設有兩個去中心化程度相同的工作量證明（PoW）區塊鏈，我們可以將安全性視為區塊鏈的算力（哈希率 hash rate）。 如果算力越高，確認時間越短，且可擴展性隨著安全性而增加。 因此，在恆量去中心化的情況下，可擴展性和安全性是成正比的。
因此，可以概括出，區塊鏈不能同時優化其三個所需的品質，而必須做出權衡。以太坊（Ethereum）是三難困境的一個例子：
隨著去中心化金融（DeFi）應用的興起，以太坊平台的使用量激增。但是由於以太坊達到一個無法擴展超出的定點，需求的激增將交易費用推高到讓一些用戶無法與區塊鏈交互的程度。以太坊上增加的費用是三難困境的一個例證，我們可以觀察到 以太坊在不放棄安全性或去中心化的情況下無法擴展。
在以太坊的情況，重點放在了去中心化和安全性上，限制每秒的交易數量（可擴展性）。用戶支付更高的費用來激勵礦工優先考慮他們的交易。以太坊和比特幣都是將去中心化和安全性排在了比可擴展性優先的位置。
三難之各個指標項的重要性
去中心化
去中心化網絡強調區塊鏈在各個層面上依賴足夠多的利益相關者的能力，如礦工的數量、全節點的數量、地理分佈、活躍開發者的數量，等等。 去中心化是一個頻譜概念，並非所有區塊鏈都有相同的程度去中心化。
去中心化網絡的優勢：
- 去中心化允許在不強制用戶信任單個實體的情況下保持共識
- 去中心化增加了系統的穩健性，使網絡能夠抵抗審查，從而允許任何人使用網絡來提升產權
去中心化網絡的缺點和困難：
- 去中心化引入了延遲並減慢了網絡速度
- 去中心化很昂貴，因為引入了冗餘，因此不適用於所有應用程序
可擴展性
可擴展性是指區塊鏈系統支持規模增長（更多用戶、更多用例和最終更多交易）、在不影響性能的情況下應對大規模採用的能力。它本質上歸結為減少交易的結算時間以增加 TPS 或吞吐量。
提高可擴展性的兩種主要方式（或這兩種方式組合）：
- 減少審查交易的實體數量（去中心化上妥協）
- 減少出塊時間（需要降低網絡的難度，犧牲安全性）
以可擴展性為重點的網絡的優勢：
- 允許網絡支持大量交易
- 在安全性不是主要關注點的應用程序中很有用，例如社交消息應用程序
以可擴展性為重點的網絡的缺點：
- 如上，可擴展性可能是以安全為代價的
- 隨著網絡擴展，共識機制也需要擴展，導致可能以中心化為代價
安全性
安全性是區塊鏈保持交易不可撤銷性的能力。它通過迫使網絡參與者花費資源來獲得獎勵來做到這一點。網絡參與者花費的資源越多，區塊鏈就越安全。
曾有黑客重新組織了 4000 多個以太坊經典 (ETC) 中的區塊，成功雙花了價值接近 200 萬美元的 ETC。為什麼黑客成功攻擊了網路？因為獲得全網 51% 以上算力的成本與被盜價值相比微不足道。簡而言之，這 4000 個區塊中的財富遠遠超過了網絡參與者部署的資源。
以安全性為中心的區塊鏈的優勢：
- 實現更快、更便宜的大額價值轉移
- 公共區塊鏈的安全性來自網絡參與者——更高的安全性意味著更高的網絡效應，不易複製
以安全性為中心的網絡的缺點：
- 需要更多資源，即更多投資
所以，有解決方案嗎？
眾所周知，比特幣和以太坊等區塊鏈的可擴展性目前是有限的。初創、企業和技術專家組成的全球社區正在瘋狂地研究第一層和第二層解決方案，以解決區塊鏈的三難困境。
第一層（Layer 1）區塊鍊網絡旨在提高速度、安全性和擴展性。第二層（Layer 2）是指可用於擴展現有區塊鍊網絡可擴展性的增強技術和產品。在兩層之間取得完美平衡可能會改變區塊鏈採用和分散網絡擴展的遊戲規則。
開發人員正在從各種角度處理這個問題。比如，比特幣現金（BCH）增加區塊大小是為了提高比特幣的可擴展性。但暫時我們還沒有看到一個可擴展性解決方案是完美的。
下一篇區塊淺釋，我們來接續講解新手入門必須了解的區塊鏈科技和結構！
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