什么是区块链三元悖论？

摘要

区块链每秒处理的交易数量是有限的。例如，比特币网络每秒可以处理约七笔交易。区块链技术获得普遍采用之后，数据处理能力、速度将大幅提升，使用人数增多也不会让网络变慢或费用高涨。然而，众多去中心化网络的基本设计原则侧重于提升可扩展性，往往就会弱化去中心化或安全性。这正是所谓的“区块链三元悖论”。开发人员正在尝试不同的共识机制，以及分片、侧链和状态通道等可扩展性解决方案，希望能解决此问题。

导语

简言之，区块链即为分布式数字化数据库。数据区块按时间顺序进行组织。各区块通过加密证明连接起来，并获得安全保护。这项技术在各行业得以实施，已在改变我们的工作和生活方式。

这种理念是指，安全的去中心化区块链问世之后，人们无需依赖第三方网络或市场，即可维持世界运转。但是，专家普遍认为该项技术要大规模普及的话，首先要解决一个核心问题，即备受讨论的“区块链三元悖论”问题。

以太坊联合创始人Vitalik Buterin让这一术语变得广为人知。要理解这个概念，需要先知道区块链中的三大要素：去中心化、安全性和可扩展性。“区块链三元悖论”概念指的是区块链难以让这三大属性同时达到最佳水平。一项属性增强通常会导致另一项属性削弱。

本文将研究三元悖论中的三大要素，并逐一进行详解。深入讨论每项要素及其相互结合的关系，将有助于加深我们对区块链三元悖论存在方式和原因的理解。本文还将重点提到开发人员建议的几种解决方案。

什么是去中心化？

根据设计，比特币与其他类似的区块链网络都具有去中心化性质。这类网络的整体架构不归个人或单一组织管理，而是去中心化的。网络层面向所有参与者开放。因此，控制权完全分散，而非掌控在单一实体手中。人人都能获得相同的数据。如有人按自己的意愿篡改记录，试图在系统中作弊，其他参与者则可驳回错误的数据。

这样操作的技术性较强，让我们以比特币网络为例，其中就不涉及第三方控制。我们将此与金融体系中对银行的依赖进行比较。银行增强交易双方之间的信任，并确保正确保存所有记录。但是，比特币区块链则与网络中的所有人共享数据，以确保数据在添加到数字化数据库之前得以核实确认。由此诞生了无需第三方介入的系统。

去中心化为所谓的Web3提供了可能。我们当前的互联网处于Web2阶段。Web2中的网站和应用程序全由各大公司控制，但由用户创作内容。Web3则是下一步发展趋势。在Web3互联网中，人们借助去中心化区块链技术自行掌控数据和在线生活。

但是，需要注意的一点是，这些分布式系统的运作方式需要大量参与者对所有数据的有效性达成一致，这样需要信息进行共享和处理，因此会导致交易时间变慢。所以，区块链需要扩展，即能以更快的速度处理更多数据。我们会在讨论到可扩展性时继续讲解。

此外，要想实现去中心化，必须先保障底层区块链的安全性。如果区块链缺乏安全性，不法分子将有机可趁，肆意篡改数据。这就引申到三元悖论的第二部分：安全性。

什么是区块链安全性？

如果缺乏安全性，区块链的去中心化程度再高也无济于事。稳健的区块链网络必须能抵抗恶意实体的攻击。中心化系统是封闭的，因而能够保障安全性。控制人可以保证数据不受干扰。但是，在人人都可参与的去中心化系统中，又如何实现安全性呢？

这是个复杂的话题。让我们说回比特币，以其去中心化区块链安全性为例。比特币区块链结合采用密码学与称为“工作量证明(PoW)”的网络共识机制。从密码学角度看，各个区块都有一种数字签名，或称为“哈希值”。任意修改都会改变区块的哈希值，因此每个数据区块都以无法篡改的方式进行连接。任何改变数据的尝试都会被网络的其余部分迅速识别出来。

工作量证明共识机制也在其中发挥作用，即有效保障加密货币账本的安全。理解工作量证明本身就需要大费周章，但出于本文的讲解目的，只需记住，网络成员仅能验证新交易，并将交易通过“挖矿”活动添加至账本中。这涉及到用算力来解决数学难题。计算过程中需要这些计算机执行大量的哈希运算函数。工作量证明机制虽然安全，但是相对较慢，这就引出了可扩展性问题。

另请注意，网络中参与者（节点）越多，网络就越安全。参与者人数越多，不法分子就越难有机会掌控系统。这就涉及到所谓的“51%攻击”。这个概念的大致意思是，如果单一实体（或一群不法分子）控制了区块链全网超过50%的哈希率，他们就能肆意推翻共识，并篡改链上数据，例如双花问题代币。

简言之，安全性是区块链取得成功的根基。安全性缺失，攻击者随意掌控，区块链就毫无价值可言。

什么是可扩展性？

可扩展性是指构建区块链以此提升每秒交易速度的目标。区块链技术若要服务于更广泛的社会，或数十亿用户，扩展势在必行。但是，这正是众多区块链仍在苦苦挣扎的难题。

原因在于，去中心化和安全性是区块链的根本性问题，因此总是获得优先关注。去中心化是区块链理念和目标的核心。大多数的知名区块链都坚守这一核心。如前文所述，安全性是区块链成功与否、价值所在的核心要求。

但是，优先考虑去中心化和安全性，可扩展性就成为了一项难题。单链处理交易的数量严重受限。诸如Visa这样的中心化支付系统声称每秒能处理2.4万笔交易，原因是网络封闭，不受公共节点和共识等影响。让我们对比一下各种知名的区块链。

据彭博社2022年报道：“截至9月，比特币每秒难以处理超过7笔交易，而第二大受欢迎的以太坊网络每秒交易量限制在15笔左右。与传统交易平台对比，这简直慢得让人怀疑人生。”

如前所述，由于去中心化网络中参与者处理信息的必要方式，以及工作量证明共识机制本身的性质，导致这些区块链的交易速度受限。如果社会上开始使用区块链技术的人日益增多，网络的交易处理能力受限将导致网络拥塞。

为何会存在区块链三元悖论

针对上述问题最显而易见的基本解决方案是减少确认和添加网络数据的参与者数量，以此来扩展网络和提速。但是，这样做会降低去中心化，将控制权交到少数参与者手中。参与者变少就意味着受到攻击的几率增加，还会导致安全性减弱。

三元悖论由此形成：在区块链运行原理的基本设计中，去中心化与安全性这两项必要属性紧密相连，导致可扩展性难以实现。三者处于此消彼长的状态。如何在不损及去中心化、安全性或二者兼得的情况下，推进可扩展性呢？

解决区块链三元悖论

对于三元悖论而言，没有万能的解决方案。鉴于解决该问题的重要性，社区提出了各种不同的方案，结果颇有成效。让我们概述其中的热门动态，让大家对该领域的最新进展有所了解。

1.分片

这是将区块链或其他类型的数据库拆分为较小分区的区块链，对特定数据段进行管理的方式。这种设置减轻了单链处理所有网络交易和交互的压力。每个分区的区块链称为“分片”，并自有特定的账本。这些分片之后即可自行处理交易，但由信标链或主链管理分片之间的交互。这对区块链主网做出了改变，因此，分片成为了Layer 1网络可扩展性的升级。

2.各种共识机制

比特币网络中存在三元悖论的一大原因是工作量证明确保安全性的运作方式。要实现系统安全，矿工、加密货币算法和巨大的去中心化算力缺一不可，但也导致系统缓慢。寻求其他方法来确保共识也是解决三元悖论的一种途径。这正是以太坊从工作量证明转向权益证明(PoS)的一大原因。

在权益证明区块链中，参与者须质押（锁定）自己的代币，才能参与交易验证，但无需高度专业化的矿机。在网络中新增更多的验证者则更简单方便。权益证明共识机制仅只是针对解决可扩展性的众多方法之一。

3.Layer-2解决方案

分片和各种共识机制均为所谓的Layer-1解决方案，旨在改变底层网络的基本设计。但是，其他开发人员则研究在现有网络结构上构建解决方案，试图解决三元悖论问题。换言之，他们认为解决方案在于二层网络，或称“Layer 2”。相关示例包括侧链和状态通道。

侧链本质上就是连接至主链的独立区块链。通过这种设置方式，资产可在两个链之间自由流动。重要的是，侧链可以在不同的规则下运行，实现提速和扩展。同样，状态通道是将交易从主链移除，缓解Layer 1的另一种方式。状态通道没用单独的链，而是采用智能合约，让用户无需在区块链发布交易即可相互交互。区块链只需记录通道的起始和结束。

总结

区块链三元悖论阻碍了区块链技术助推改变世界的潜力。如果区块链网络每秒只能处理少量交易来保持去中心化和安全性，那么将难以达成大规模普及。然而，从开发人员意图解决该问题提出的最新解决方案来看，区块链网络只有持续推进当下的技术进展，才有望在未来实现数据处理能力的飞跃。