区块链可扩展性解决方案：第一层和第二层方案

随着区块链技术日趋成熟并日益接近主流应用，一个挑战仍在持续影响着其发展：可扩展性。

区块链的可扩展性是指网络在不牺牲速度、成本效益或安全性的前提下处理日益增长的交易量的能力，而 Web3 行业对此做出了两类主要的改进：

• 第一层（L1）解决方案是指对区块链进行的改进，旨在提升区块链本身的性能。

• 第二层（L2）解决方案在现有区块链之上构建可扩展的基础设施，用于在链下处理交易。

了解这些机制至关重要，因为它们直接关系到区块链能否支持机构级的大规模采用。

本文探讨了区块链的可扩展性挑战，分析了第一层（Layer 1）和第二层（Layer 2）的解决方案，比较了二者之间的权衡取舍，并概述了可扩展区块链基础设施的未来发展方向。

要点总结

• 区块链可扩展性三难困境迫使网络在去中心化、安全性和吞吐量之间寻求平衡。提升其中一项往往需要在另一项上做出妥协。

• 第一层解决方案通过分片、增大区块大小以及改进共识机制等技术来修改基础协议。

• 第二层解决方案在将交易处理任务卸载的同时，继承了底层区块链的安全性，其中 Rollups 是以太坊上主流的解决方案。

• 机构采用取决于可预测的成本、可靠的结算时间，以及能够在 L1 和 L2 层之间运行的安全托管基础设施。

区块链可扩展性的真正含义

区块链的可扩展性不仅涉及原始交易吞吐量，还涉及多个相互关联的因素。这些因素包括每秒交易量（TPS）能力、交易最终确认时间、在不同网络负载下的成本效率，以及参与网络所需的资源。

由于其去中心化架构，公有区块链面临着固有的限制。每个全节点都必须验证并存储所有交易，这自然对性能构成了限制。这种设计选择虽然优先考虑了安全性和去中心化，但与当今传统金融领域常见的中心化系统相比，其吞吐量受到限制。

为什么可扩展性对机构采用至关重要

对于机构而言，区块链的可扩展性直接影响生产级区块链用例在大规模部署下的可行性。可预测的交易成本有助于进行准确的财务规划，可靠的结算窗口支持资金管理运营，而可扩展的基础设施则能在无需对集成架构进行根本性调整的情况下，适应业务增长的需求。

其实际应用意义重大：需要实时结算的代币化证券、要求性能稳定的跨境支付系统，以及像 Talos 这样需要快速执行的交易平台。安全的托管解决方案发挥着至关重要的作用，使机构能够在保持运营控制的同时，安全地与高吞吐量网络进行交互。

可扩展性还会影响合规性和审计要求。能够在不降低性能的情况下处理海量数据的网络，能够提供一致且可验证的交易记录，这对监管报告和内部控制至关重要。

对于正在评估区块链整合的机构而言，网络容量不仅影响运营效率，还影响风险敞口：在市场波动期间容易出现拥堵的系统会带来交易执行的不确定性，而传统基础设施无法容忍这种不确定性。因此，区块链的可扩展性已成为尽职调查的优先事项，而不仅仅是一个纯技术层面的考量。

区块链的可扩展性挑战

要理解为什么区块链的可扩展性难以实现，就需要了解"区块链三难困境"--这是以太坊联合创始人维塔利克.布特林提出的一个框架，用于描述在去中心化、安全性和可扩展性之间寻求平衡所面临的困难。其核心思想是：区块链系统可以在其中两个属性上进行优化，但必须在第三个属性上做出妥协。

比特币和以太坊刻意将去中心化和安全性置于首位，这意味着在需求旺盛时期，由于网络拥堵，手续费会上涨，确认时间也会变长。所有这些因素都给需要可靠且可预测性能的机构带来了不确定性。

遗憾的是，其影响远不止于带来不便。手续费的上涨使得小额交易在经济上不再可行，而更长的确认时间则给任何对时间敏感的交易带来了困难。

在市场动荡时期，这些限制尤为明显，而这恰恰是可靠执行至关重要的时刻。从 2017 年 CryptoKitties 的流量激增，到以往的 NFT 铸造活动和迷因币热潮，历史上的网络拥堵事件都表明，一旦需求激增，网络会迅速变得无法使用。

对于习惯于传统金融基础设施（其吞吐量有保障且延迟可预测）的机构而言，网络性能的这种波动可能会带来困难。与能够按需调配额外容量的集中式系统不同，去中心化网络必须通过社区共识来推进升级--这一过程以月或年为单位，而非以小时为单位。 以以太坊为例，自 2015 年发布以来，它仅经历了 23 次升级。

要想让区块链技术被主流机构广泛采用，就必须解决这些局限性，同时又不损害当今 Web3 所特有的安全性和去中心化特性。

第一层可扩展性解决方案：改进基础协议

第一层解决方案通过修改区块链的基本架构来解决可扩展性问题。这些改动需要全网达成共识，且涉及相当高的技术复杂度，但能在协议层面上提升交易吞吐量和执行能力。

更大的数据块和更高的吞吐量参数

最直接的方法是增加区块大小或缩短区块生成时间，从而在单位时间内处理更多交易。然而，更大的区块需要更多的存储空间和带宽，这可能会将资源有限的参与者排除在外。

分片与并行事务处理

分片技术将区块链划分为多个较小的片段（称为"分片"），每个分片都能独立处理交易。这种并行处理架构可以在无需单个节点处理每笔交易的情况下，大幅提升网络容量。

以太坊的路线图通过"danksharding"方案引入了分片技术，该方案旨在提高 Rollup 的数据可用性。在 Dencun 升级之后，得益于手续费的大幅降低，以太坊第二层网络的总锁定价值飙升至超过 510 亿美元。

共识机制的改进

工作量证明（PoW）共识机制虽然安全性极高，但需要消耗大量计算资源，且会限制吞吐量。权益证明（PoS）及其变体则能够实现更快的区块生成时间更高每秒交易数（TPS），同时通过经济激励而非计算工作来维持安全性。 2022 年，以太坊从工作量证明（PoW）过渡到权益证明（PoS）（这一事件被称为"合并"），其能耗因此降低了 99.95%。

数据可用性与存储优化

可扩展性还取决于区块链存储和访问数据的效率。数据可用性采样使节点无需下载整个区块，即可验证区块数据是否存在。以太坊的 Proto-Danksharding 引入了"blobs"（临时数据附件），为第二层 Rollup 提供了更经济的存储方案，同时不会永久性地增加主链的负载。

第二层可扩展性解决方案：在保障安全的同时分担工作负载

第二层解决方案在现有区块链之上构建可扩展的基础设施，在链下处理交易的同时，继承了底层网络的安全性。这种方法无需修改基础协议，即可实现更快的部署。

支付通道与状态通道

状态通道允许各方在链下进行多次交易，仅在主区块链上结算最终状态。比特币的闪电网络就是这种方法的一个例子，它使已建立通道的参与者之间能够实现近乎即时支付。

卷积：乐观卷积与零知识卷积

Rollups 已成为以太坊上主流的第二层扩展方案。它们在链下执行交易，并将压缩后的交易数据发布到主链上，既继承了主链的安全性，又大幅提升了吞吐量。

乐观型 Rollup 假设交易在未被质疑的情况下均有效，并在争议窗口期间采用防欺诈机制。ZK-Rollup 则在将交易发布到主链之前，利用加密有效性证明对交易进行数学验证。

每种方案都存在取舍。乐观型 Rollup 的采用率更高，2024 年其桥接的总价值约为 1864 亿美元，而 ZK-Rollup 仅为 208 亿美元。不过，ZK-Rollup 能够实现即时最终性，避免了乐观型系统特有的 7 天提现延迟。

侧链和专用链

侧链作为具有独立共识机制的独立区块链运行，并通过桥接机制与主链相连。它们为特定用例提供了灵活性，但并未继承主链的同等安全保障。

Validium、Plasma 和混合 L2 模型

除了 Rollup 之外，其他第二层架构也提供了不同的权衡方案。Validium 将交易数据存储在链下，同时向以太坊发布有效性证明，从而在降低数据可用性保证的同时实现了更高的吞吐量。 Plasma 链构建了由子链组成的分层结构，这些子链会定期向主链提交提交，但复杂的退出机制限制了其应用范围。混合模型结合了多种方案的要素，使机构能够选择符合其特定吞吐量、成本和安全要求的基础设施。

第一层与第二层扩展策略的比较

选择第 1 层还是第 2 层方案，取决于具体需求和风险承受能力。

第一层解决方案在基础网络上提供交易处理功能，因此交易直接在主链上结算，并能受益于共识协议提供的最强安全保障。然而，对基础层协议的重大升级和变更必须得到广大网络参与者的共识，且往往推进缓慢--首先需要经过设计、测试和社区协调等环节，这一过程可能耗时数年。

第二层解决方案部署速度更快，且可根据具体应用进行定制。Arbitrum 等领先的实现方案已展现出显著的性能提升，其交易处理速度最高可达以太坊的十倍，同时将 gas 费用降低了多达 90%。

由于其安全性与去中心化特性依赖于底层区块链，因此设计良好的第二层网络在解决可扩展性问题的同时，不会牺牲其他特性。

然而，第二层技术的采用给机构参与者带来了新的考量。跨链桥的安全性依然令人担忧--跨链桥历来是攻击者的目标，因此在第一层和第二层之间转移资产时，需要对跨链桥的架构和运营方的信誉进行审慎评估。

提现时间也各不相同，乐观型 Rollup 通常需要经过七天的挑战期，资金才能转回主链，这可能会影响流动性规划。机构在选择扩展基础设施时，必须在综合考虑这些运营因素的同时，也参考基础性能指标。

随着生态系统在多个第二层网络之间碎片化，要保持无缝的用户体验和高效的资本配置变得越来越困难。机构不仅需要评估单个解决方案，还需评估它们与更广泛基础设施之间的交互方式。

区块链可扩展性的未来

未来最具前景的发展路径，或许是将第一层（Layer 1）的改进与第二层（Layer 2）的创新相结合。以太坊的路线图已经证明了这一点：通过分片技术提升基础层容量，为 Rollups 实现更高的吞吐量奠定了基础。

研究人员预测，这种综合方案最终有望支持超过 100,000 TPS，从而从根本上改变去中心化应用的实现可能性。与此同时，经过优化的第二层网络上的交易成本已降至几分之一美分，这使得区块链能够应用于更广泛的场景。

模块化区块链架构是另一项新兴趋势，它将执行、共识和数据可用性分离为各自专用的层，每层均可独立进行优化。Celestia 等项目正在开创这一方法，这有望在可扩展网络的设计和部署方面带来更大的灵活性。

可扩展性不仅仅是一个技术挑战。治理框架必须不断演进，以应对复杂的网络升级；监管政策的明确程度将影响哪些方案能获得机构层面的认可；而用户体验则将决定可扩展的基础设施能否真正转化为实际应用。

构建可扩展的生态系统需要坚实的基础

只有在安全、可靠的基础设施支持下，可扩展性才能创造价值。对于机构而言，这意味着需要具备合格的托管解决方案，该方案既能在第一层（Layer 1）和第二层（Layer 2）环境中运行，又能保持资产隔离、政策控制，并符合监管要求。

随着区块链在世界金融基础设施中占据越来越重要的地位，可扩展性将成为决定哪些网络能够成功实现机构级应用的关键因素之一。

BitGo 的受监管托管基础设施旨在为机构提供必要的运营保障，使其能够充满信心地参与可扩展的区块链网络。无论是与基础层协议交互，还是采用新兴的第二层解决方案，对于希望参与数字资产市场的机构而言，安全的托管始终至关重要。

常见问题解答

哪些因素限制了区块链的可扩展性？

主要限制包括区块大小限制、共识机制的开销，以及所有节点都必须处理每笔交易的要求。去中心化网络在吞吐量、安全性和去中心化之间存在固有的权衡关系。

第二层解决方案如何提升区块链的可扩展性？

第二层解决方案在主链之外处理交易，从而缓解拥堵并降低成本。它们会定期将聚合的交易数据结算至基础层，在继承基础层安全性的同时，实现显著更高的吞吐量。

什么是分片，它对区块链的可扩展性有何影响？

分片技术将区块链网络划分为多个较小的片段，这些片段可并行处理交易。与每个节点都验证每笔交易不同，每个分片仅处理其负责的网络活动子集，从而在保持整体安全性的同时提升网络容量。

共识机制如何影响区块链的可扩展性？

共识机制决定了网络达成有效交易共识的速度。工作量证明（PoW）系统虽以安全性为优先，但需要消耗大量资源，从而限制了吞吐量。相比之下，权益证明（PoS）机制通过经济激励而非计算工作，实现了更快的交易最终性和更高的每秒交易处理量（TPS）。

可扩展性、去中心化和安全性之间存在哪些权衡关系？

提高吞吐量通常需要将验证工作集中到更少的节点上，或者降低安全保障水平。更大的区块虽然能提升容量，但会将资源有限的参与者排除在外。成功的扩容方案旨在将这些权衡降至最低，而非完全消除，这也正是为何结合 L1 和 L2 创新的多层方案已成为首选。