什么是区块链网络拥塞？

长话短说

• 当提交到网络的交易数量超过网络的处理能力时，就会发生区块链网络拥塞。
• 交易活动增加、区块大小较小和出块时间缓慢可能会导致网络拥塞。
• 网络拥塞的后果包括交易费用增加、交易确认速度变慢以及用户体验不佳。 
• 2023 年春季，由于与 BRC-20 代币相关的交易活动增加，导致待处理交易和费用飙升，比特币网络变得拥堵。 

什么是网络拥塞？

当提交到网络的交易数量超过其处理这些交易的能力时，就会发生网络拥塞。这种现象有几个影响因素，例如市场波动等外部因素以及区块大小和区块时间等内在网络特征。 

在我们深入了解细节之前，检查将区块添加到区块链的过程至关重要。 

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。添加到链中的每个新块都是永久且不可变的。 

这些块在分散的节点网络中传播，每个节点都存储区块链的副本。在密码学和博弈论的保护下，区块链构成了比特币和以太坊等加密货币的支柱。

为了充分理解为什么区块链网络会变得拥塞，我们需要探索在网络处理交易的能力中发挥作用的关键概念：内存池、候选块、最终性和最长链原则。

什么是“内存池”？ 

内存池是指等待包含在下一个区块中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，它不会立即添加到区块链中。相反，它首先进入内存池（内存池的缩写），它本质上是所有待处理事务的等待区域。交易一旦被确认，就会从内存池中删除。 

什么是“候选块”？ 

候选区块，也称为“提议区块”，是矿工或验证者建议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包含在区块链中的未经确认的交易。

候选区块要成为确认区块，必须根据区块链的共识机制进行挖掘或验证。例如，比特币的工作量证明（PoW）共识机制让矿工可以竞争解决复杂的数学难题。第一个解决这个难题的矿工可以将他们的候选区块添加到区块链中并获得奖励。

在以太坊的权益证明（PoS）共识机制中，随机选择验证者来提出候选区块。其他验证者证明该块的有效性。当一个块收到足够的证明时，它会从候选块转换为已确认块。

区块链中的“最终性”是什么？ 

最终性是指交易或操作无法再更改或逆转。一旦交易完成，它就会永久记录在区块链上，并且无法更改或删除。

在比特币区块链中，交易被广播到网络并添加到内存池中。矿工从该池中选择并验证交易，并将它们包含在要添加到区块链的新区块中。该区块中包含的交易被视为已确认，但理论上其他矿工仍然有可能开采竞争区块。 

交易的最终性随着确认区块的数量而增加。一旦额外的六个区块被附加到包含这些交易的区块上，比特币交易通常被视为“最终”交易。由于以太坊的出块时间较短，建议进行更多数量的确认，以达到类似的“最终确定性”信心水平。

什么是“最长链”原则？ 

如上所述，多个矿工可以在相似的时间产生新的有效区块。这可能会导致区块链中出现临时分叉。

“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版本，通常是具有最长区块链的版本。结果，较短链上的“有效”块（通常称为孤儿块或陈旧块）被丢弃，并且它们的交易返回到内存池。

当网络使用工作量证明（PoW）时，以太坊使用了最长链原则。以太坊于 2022 年过渡到权益证明 (PoS) 后，网络采用了更新的分叉选择算法来衡量链的“权重”，即按验证者质押以太币余额加权的验证者投票的累积总和。

区块链网络拥堵的原因是什么？ 

当提交到网络的交易数量超过网络处理能力时，就会发生区块链网络拥塞。

区块链网络可能变得拥堵的原因有以下几个： 

需求增加

随着越来越多的人向区块链提交交易，内存池中未经确认的交易数量可能会超过单个区块中可以包含的交易数量。这对于区块大小和区块时间具有固有限制的区块链尤其重要。 

价格突然波动可能会导致交易量增加，从而导致交易活动激增或大规模采用周期的浪潮。 

小块尺寸

每个区块链都有一个块大小，它定义了块的最大大小。该块大小限制了一个块可以包含的交易数量。 

例如，比特币最初设计时的区块大小限制为 1 兆字节。2017 年，比特币实施了名为隔离见证（SegWit）的升级，以提高交易吞吐量。它将理论块大小限制增加到大约 4 MB。 

如果交易数量超过此限制，就会导致网络拥塞。

缓慢的区块时间 

区块时间是指新区块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。如果交易以更快的速度和数量创建，就会出现交易积压。

网络拥塞会带来什么后果？ 

区块链网络拥塞可能会导致多种负面后果，阻碍网络平稳运行的能力。 

交易费用增加 

矿工被激励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来激励矿工优先处理他们的交易。这可能会使区块链的使用成本比平常更高，特别是对于较小的交易。

交易确认时间延迟 

网络拥塞可能会导致交易确认和最终确定的等待时间更长。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得到确认。这可能会让用户感到沮丧。 

用户体验差 

高额费用和缓慢的确认时间可能会导致糟糕的用户体验，这可能会降低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加剧市场波动。如果有许多用户试图出售加密货币，但网络过于拥挤而无法处理这些交易，用户可能会感到恐慌并试图快速抛售其持有的加密货币。

还有其他后果，包括安全风险和网络集中化风险。具体来说，较长的确认时间会增加双花攻击的风险，而高额费用可能会导致挖矿权的集中化。  

网络拥塞的示例 

比特币和以太坊网络都经历了严重的网络拥塞。  

比特币网络拥堵

2017 年底至 2018 年初，比特币价格显着上涨，导致了迄今为止最突出的网络拥塞事件之一。比特币受欢迎程度的飙升导致需求和交易大幅增加，导致严重的延迟和令人瞠目结舌的交易费用上涨。平均交易费用一度超过 50 美元。

2023 年春季，由于与BRC-20 代币相关的交易活动增加，导致待处理交易和费用飙升，比特币网络变得拥堵。一度记录了近 40 万笔未经确认的交易，导致内存池出现瓶颈。几周内交易费用增加了 300% 以上。 

以太坊网络拥堵

以太坊网络拥塞的一个值得注意的例子发生在 2017 年，当时“CryptoKitties”项目迅速传播并显着降低了网络速度。由于DeFi 的繁荣，网络也出现了拥堵，导致 Gas 价格上涨。

任何区块链网络都可能变得拥塞。但比特币和以太坊网络的网络拥塞情况比其他区块链吸引了更多关注，因为它们因其受欢迎程度和重要性而产生了更广泛的影响。  

缓解网络拥塞的解决方案

解决区块链网络拥塞是一个复杂的问题。有多种方法，每种方法都有其优点和缺点。 

增加块大小

增加区块大小可以让每个区块处理更多交易，从而有效增加网络的吞吐量。但较大的区块需要更长的时间在网络中传播，从而增加了临时分叉的风险。它们还需要更多的存储空间，这可能会导致集中化程度的提高。

减少出块时间 

减少出块时间可以让网络更快地处理交易。然而，较短的出块时间可能会增加孤立块的数量，并可能危及安全性。

二层解决方案 

这些链下解决方案处理主区块链之外的交易并在链上记录最终状态。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，但实施起来很复杂，并且可能会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的分片的技术，每个分片都能够处理交易和智能合约。这可以显着增加网络的容量。但与第 2 层解决方案类似，分片会增加复杂性，还会带来额外的安全风险。

其他潜在的网络拥塞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。股权证明（PoS）共识机制通常比工作量证明（PoW）更快。

随着区块链技术预计在未来几年被更多用户采用，网络拥塞问题日益突出。网络有效处理大量交易的能力对于广泛采用和可用性至关重要。这对于旨在促进实时、日常交易的区块链系统尤其重要。

虽然区块链网络拥塞带来了重大挑战，但社区仍在继续开发解决方案来帮助缓解这些问题。这就是为什么围绕区块链可扩展性增强的研究处于行业前沿。