甚麼是區塊鏈網路壅塞?
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甚麼是區塊鏈網路壅塞?

甚麼是區塊鏈網路壅塞?

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發佈時間 May 23, 2023更新時間 Nov 8, 2023
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摘要

  • 當提交至網路的交易數量超過網路處理能力時,便會發生區塊鏈網路壅塞。

  • 交易活動量增加、區塊尺寸較小與較慢的區塊都可能導致網路壅塞。

  • 網路壅塞的影響包含交易費用增加、交易確認速度變慢與用戶體驗低落。 

  • 2023 年春季,BRC-20 代幣相關的交易活動使得比特幣網路速度下降,導致等待處理的交易數量與費用飛速上漲。 

甚麼是網路壅塞?

當提交至網路的交易數量超過處理交易的能力時,便會發生網路壅塞。多種因素都可能造成上述現象,例如市場波動性等外部因素,以及如  區塊大小與區塊時間等網路的固有特質。 

在我們深究細節前,必須先討論將區塊加入區塊鏈的過程。 

區塊鏈技術如何運作? 

一個區塊鏈由一個鏈的區塊組成,每個區塊含有用戶創建的交易資訊。每一個新增至鏈上的區塊都是永久且不可修改的。 

這些區塊會在去中心網路的節點中散布,每個節點儲存了區塊鏈的一份拷貝。區塊鏈運用密碼學與賽局理論維持安全性,是比特幣與以太幣等加密貨幣的基礎。

為充分了解區塊鏈網路發生壅塞的原因,我們必須探索決定網路處理交易能力的重要概念:內存礦池、候選區塊、最終性與最長鏈原則。

甚麼是「內存礦池」? 

內存礦池指的是等待被加入下一個區塊的未確認交易之集合。 

舉例而言,當一筆交易在比特幣網路上被推播時,交易並不會馬上被加入區塊鏈中。相反地,交易會先進入內存礦池 (mempool, memory pool 的縮寫),基本上就是所有待處理交易的等待區。交易確認完成後,便會自內存礦池移除。 

甚麼是「候選區塊」? 

候選區塊也稱作「提案區塊」,即礦工或驗證人提案加入區塊鏈當中的區塊。這些區塊含有已推播至網路、但尚未加入區塊鏈中的未確認交易。

候選區塊成為已確認區塊前,必須根據區塊鏈共識機制進行挖礦或驗證。舉例而言,比特幣的工作量證明 (PoW) 共識機制讓礦工互相競爭,比賽誰能先解決複雜的數學難題。最先解出答案的礦工,便能將候選區塊加入區塊鏈中,並獲得獎勵。

以太坊的權益證明 (PoS) 共識機制中,會隨機選出驗證人,以提出候選區塊。其他驗證人則證明該區塊的有效性。當一個區塊獲得足量審核時,便會從候選區塊變為已確認區塊。

甚麼是區塊鏈中的「最終性」? 

最終性是指交易或操作無法再改變或復原。當交易達成最終性時,便永久記錄於區塊鏈上,並無法被改變或移除。

在比特幣區塊鏈中,交易會推播至網路中,並加入內存礦池。礦工自池中選擇並驗證交易,接著納入即將新增至區塊鏈的新區塊。包含在該區塊的交易即被認定為已確認,但理論上其他礦工仍能挖礦競爭區塊。 

交易的最終性隨已確認區塊的數量上升而增加。比特幣交易的區塊通常只要有額外六個包含交易的區塊附加其上,即可視為擁有「最終性」。因以太坊的區塊時間較短,因此建議以更多的確認數達到相同的「最終性」信心程度。

甚麼是「最長鏈」原則? 

如上所述,多組礦工可以在相近時間內產出新的有效區塊。這可能會導致區塊鏈暫時分叉。

「最長鏈」原則指的是區塊鏈有效版本是運算資源投入最多之版本的規則,通常是區塊鏈最長的那一個版本。因此,較短鏈上的「有效」區塊 – 常被稱作孤兒區塊或陳腐區塊 – 會遭到捨棄,當中保存的交易會回到內存礦池中。

以太坊在實行工作量證明 (PoW) 的時候使用了最長鏈原則。以太坊於 2022 年改採權益證明 (PoS) 後,該網路採取更新後會測量「鏈重」的分叉選擇演算法,即驗證人以太幣質押餘額加權之驗證人投票數總和。

甚麼會造成區塊鏈網路壅塞? 

提交至網路的交易數量超過網路處理能力時,便會發生區塊鏈網路壅塞。

區塊鏈網路產生壅塞亦另有其他數個原因: 

需求增加

當更多人向區塊鏈提交交易時,內存礦池中的未確認交易數量可能會超過單一區塊所能包含的數量。這對於區塊大小與區塊時間有先天限制的區塊鏈影響特別大。 

交易量增加可能來自突發的價格波動,導致交易活動暴增,或大規模採用循環。 

較小的區塊大小

每個區塊鏈都有定義區塊大小上限的區塊大小數值。這個區塊大小會限制一個區塊最多能包含幾筆交易。 

舉例而言,比特幣最初設計為區塊大小上限 1 MB。2017 年比特幣引入了隔離見證升級機制,或稱 SegWit,以改善交易流通量。此次升級將區塊尺寸的理論上限提升至大約 4MB。 

若交易筆數超過這個上限,便會導致網路壅塞。

較慢的區塊時間 

區塊時間指的是新區塊加入區塊鏈中的頻率。比特幣約莫每 10 分鐘會新增一個區塊。若交易產生的速度快上許多、交易量亦加大,交易便會開始積壓。

網路壅塞會造成甚麼問題? 

區塊鏈網路壅塞可能導致數種負面影響,限制網路流暢運行的能力。 

交易費用增加 

支付較多費用的交易會吸引礦工優先處理。因此,當區塊鏈網路發生壅塞時,用戶通常需要支付較高的交易費用,以吸引礦工優先處理他們的交易。這會造成區塊鏈使用比平時更為昂貴,對小額交易更是如此。

交易確認時間延遲 

網路壅塞可能導致交易確認與最終性等待時間延長。在極端情況下中,交易可能須等待數小時、數天甚至更長才能完成確認。這會令用戶感到煩躁。 

用戶體驗不佳 

高昂的費用與緩慢的確認速度會導致用戶體驗不佳,並可能降低區塊鏈的實用性與採納意願。

市場波動性 

壅塞可能擴大不確定性並導致市場波動。若有眾多使用者嘗試出售加密貨幣,但網路過於壅塞,無法處理交易,用戶可能會恐慌,並試圖拋售持有部位。

壅塞亦可能造成其他後果,包含安全性風險與網路中心化風險。具體而言,確認時間拉長會增加雙重支付攻擊的風險,而高昂的交易費用可能導致算力的中心化。  

網路壅塞實際案例 

比特幣與以太坊網路皆經歷過嚴重網路壅塞。  

比特幣網路壅塞

比特幣在 2017 年末至 2018 年初的價格大幅上漲導致了迄今最著名的網路壅塞事件之一。比特幣熱門度的暴增使得需求與交易量大幅增加,造成明顯的延遲與令人哭笑不得的交易手續費漲幅。平均交易手續費一度超過 50 美元。

2023 年春季時,與 BRC-20 代幣相關的交易活動令比特幣網路速度下降,導致等待處理的交易數量與費用飆升。期間一度有接近 40 萬筆未確認交易被記錄,造成內存礦池發生瓶頸。交易手續費在幾個禮拜的時間內上漲超過 300%。 

以太坊網路壅塞

以太坊網路壅塞事件有一個相當著名的案例,便是 2017 年「CryptoKitties」爆紅,大幅拖慢網路速度。DeFi 熱潮也曾經造成網路壅塞,令燃料價格上漲。

任何區塊鏈網路都可能發生壅塞。但相較其他區塊鏈,比特幣與以太坊網路的壅塞事件吸引了更多的目光,因兩者的熱門度與重要程度造成更廣泛的影響。  

緩解網路擁塞的解決方案

處理區塊鏈網路壅塞是非常複雜的問題。有數種方法可以處理這個問題,且各有優缺。 

增加區塊尺寸

增加區塊尺寸可讓每個區塊處理的交易數量增加,提升網路流通量。但較大的區塊需要更多時間在網路上進行推播,增加暫時分叉的風險。同時它也需要更多儲存空間,可能導致中心化程度上升。

降低區塊時間 

降低區塊時間可讓網路更快速的處理交易。然而,較短的方塊時間會導致孤兒區塊數量上升,並可能影響安全性。

第 2 層解決方案 

這些鏈下解決方案會在主區塊鏈之外處理交易,並將最後狀態記錄於鏈上。比特幣的閃電網路與以太坊的等離子體 (Plasma) 即是這些解決方案的實例。這些解決方案能增加可擴展性,但機制複雜,且可能產生額外的安全問題。

分片 

分片是將區塊鏈分成數個小片的技術,每片皆能處理交易與智能合約。這能顯著提升網路容量。但與第 2 層解決方案相同,分片會增加複雜度,同樣也可能產生額外安全風險。

其他網路壅塞的潛在解決方案包含:費用調整與可擴充解決方案,例如樂觀與零知識匯總。一般而言權益證明 (PoS) 共識機制運作速度比工作量證明 (PoW) 來的更快。  

總結 

鑒於區塊鏈技術在未來會有更多用戶採用,網路壅塞問題的關注度亦正在提升。網路高效處理大量交易的能力,對於廣泛採用與實用性而言至關重要。對於欲促進即時每日交易的區塊鏈系統更是如此。

雖說區塊鏈網路壅塞帶來重大挑戰,社群亦持續發展能協助緩解這些問題的解決發案。這便是為甚麼有關區塊鏈擴充性強化的研究是產業優先項目的原因。 

延伸閱讀 

什麼是區塊鏈?它是如何運作的?

什麼是區塊鏈交易手續費?

如何挖掘比特幣

比特幣的費用獎勵比是甚麼?

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