摘要
區塊鏈每秒只能處理有限數量的交易。例如，比特幣網路每秒可以處理大約七筆交易。如果要在全球範圍內採用區塊鏈技術，它應該能夠以更快的速度處理更多資料，以便更多人可以使用網路，而不會變得太慢或太昂貴而無法使愈。然而，許多去中心化網路的基本設計都說明增加可擴展性往往會削弱去中心化或安全性。這就是所謂的區塊鏈三難困境。希望解決這個問題的開發人員正在嘗試不同的共識機制和可擴展性解決方案，例如分片、側鏈和狀態管道。
前言
基本上，區塊鏈是一個分散式數位資料庫。資料區塊按時間順序組織。區塊間由加密證明彼此連結並確保安全。這項技術在不同產業中應用正在改變了我們工作和生活的方式。
理想狀態下，一個去中心化的安全區塊鏈能讓網路或市場不需依賴第三方就能運作。然而，專家們普遍認為，如果要更廣泛地採用這項技術，有一個核心問題需要解決。這個問題就是所謂的「區塊鏈三難困境」。
這個詞彙因以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 而廣為流傳。若要釐清其定義，您需要了解區塊鏈中所需的三個不同元素：去中心化、安全性和可擴展性。區塊鏈三難困境是指區塊鏈很難在三種屬性上同時達成最佳水準。提升其中一項通常會導致必須在另一項上妥協。
本文將研究三難困境中的三個元素，並且更詳盡地解釋每個元素的內涵。更深入探討每個元素，以及它們如何彼此配合，可以讓大家更了解區塊鏈三難困境如何存在以及存在的原因。本文也將闡釋開發人員所建議的一些解決方案。
什麼是去中心化？
比特幣和類似的區塊鏈網路在設計上是去中心化的。整體結構設計使得沒有個人或組織可以主導。相反地，它是去中心化的。網路層對任何想要參與的人開放。因此，控制權完全分散，並非由單一實體持有。每個人都可以存取相同的資料。如果有人嘗試藉由變更對他們有利的記錄來欺瞞系統，其他參與者將會拒絕這筆有缺陷的資料。
這樣的做法非常需要技術性，但讓我們以比特幣網路為例。沒有第三方控制。將這一點與金融體系中對銀行的需求進行比較。銀行強化交易雙方對彼此的信任，並確保正確保存所有記錄。然而，比特幣區塊鏈會和網路上的所有人分享該筆資料，因此資料在新增至數位資料庫之前可供檢視和確認。結果會導致系統不需要第三方也能存在。
去中心化促成了所謂 Web3 的可能性。目前我們有的是 Web2 — 目前的網際網路。充滿由企業控制的網站和 App，但是精選內容可由用戶製作。Web3 是下一個步。在這類網際網路中，去中心化區塊鏈技術可讓人們掌控自己的資料和線上生活。
然而，需要注意的是，由於這些分散式系統的運作方式 — 需要廣泛的參與者同意任何資料的有效性 — 資訊必須經過分享和處理，所以交易可能很緩慢。因此，區塊鏈必須擴展，也就是說能夠以更快的速度處理更多資料。我們在討論可擴展性的時候會再次說明這一點。
此外，只有在基礎區塊鏈安全的情況下，才能維持去中心化的夢想。如果區塊鏈缺乏安全性，那麼不良行為者可以控制並更改對他們有利的資料。結果導致三難困境的第二部分：安全性。
什麼是區塊鏈安全性？
如果缺乏安全性，無論區塊鏈有多去中心化都沒有用。一個好的區塊鏈網路應該能抵禦來自惡意實體的攻擊。中心化系統具備安全性的原因在於封閉系統。無論誰主控，都能保證資料不會遭到干擾。但是在任何人都能參與的去中心化系統中要如何達成這個目標？
這是一個複雜的話題，但我們可以再用比特幣做為去中心化區塊鏈安全性的例子。比特幣區塊鏈由密碼學和名為工作量證明 (PoW) 的網路共識機制組合而成。在密碼學方面，每個區塊都有一種數位簽名 (或雜湊)。每個資料區塊都以不可篡改的方式連接，因為任何更改都會改變區塊的雜湊值。任何更改資料的嘗試很快就被網路的其他成員發現。
PoW 共識機制是這個拼圖的另一部分。它有助於確保加密貨幣分類帳的安全。要了解工作量證明需要整篇文章才能說明，但是針對我們的目的，請注意網路成員只能驗證新交易，並透過所謂的挖礦動作將交易新增到分類帳。這個動作包含使用運算能力解決數學難題。這個過程需要以電腦執行無數的雜湊函數。這樣又會造成可擴展性的問題，因為 PoW 機制雖然安全但是卻非常緩慢。
另外請注意，網路中有越多參與者 (節點)，代表它越安全。參與方數量越大，惡意行為者就越難掌控這個系統。這和所謂的 51% 攻擊相關。整體而言：如果單一實體 (或惡意行為者集團) 可以掌控區塊鏈總網路雜湊率的 50% 以上，他們就能凌駕共識，更改鏈中的資料讓自己獲利，例如以代幣進行雙重支付。
簡而言之，安全性是成功區塊鏈的基本要求，沒有安全性，攻擊者就能掌控區塊鏈，使其無法發揮功能。
什麼是可擴展性？
可擴展性指的是建構區塊鏈的目標，使其每秒能夠支援越來越多交易。區塊鏈技術需要擴展，才能為更廣泛的社群提供服務，可能是數十億用戶。但這一點是許多區塊鏈仍在努力的部分。
這是因為去中心化和安全性是區塊鏈的基礎要素，所以往往成為優先重視的焦點。去中心化對於區塊鏈的精神和目標至關緊要，所以大部分知名區塊鏈都以其為核心。如同我們先前所說，安全性是區塊鏈要成功並發揮效果的核心條件。
然而，優先考慮去中心化和安全性，就會讓可擴展性成為一個挑戰。一個鏈可以處理的交易數量可能會受到嚴重限制。Visa 等中心化支付系統表示，它每秒能夠支援 24,000 筆交易。這是因為網路是封閉的，不受公共節點和共識等考量的限制。將這一點拿來和一些最知名的區塊鏈做比較。
據彭博社在 2022 年的報導：「截至 9 月，比特幣每秒無法處理超過七筆交易，而第二大人氣網路以太坊也受限於每秒約 15 筆 — 與傳統交易所相比，這是天壤之別。
如前所述，由於資訊必須由構成去中心化網路的不同參與者處理，這個方式以及 PoW 共識機制本身的性質都對區塊鏈交易速度造成限制。如果社群中有越來越多人開始使用區塊鏈技術，網路將因為它們可以處理的交易數量有限而變得壅塞。
區塊鏈三難困境的存在原因
針對上述問題，最明顯和最基本的解決方案是將進行確認並新增至網路資料的參與者數量減少，以換取更大的擴展性和速度。但這樣做會導致去中心化削弱，控制權轉移給少數參與者。這樣也會導致安全性減弱，因為參與者越少就代表受到攻擊的機會越高。
這就是三難困境：有鑒於去中心化和安全性所需屬性之間的關係，區塊鏈運作方式的基本設計使其難以擴展。強化其中一項，就必須在另一項上妥協。如何在不損害去中心化、安全性或兩者皆不受影響的情況下推動可擴展性？
解決區塊鏈三難困境
三難困境並沒有黃金解決方案。但有鑒於解決這個問題的重要性，社群內有許多不同的方法，並且導致有趣的結果。讓我們概述一些最受歡迎的發展，讓您了解該領域正在發生的事情：
1. 分片
這個方法將區塊鏈 (或其他類型的資料庫) 分割成較小區的區塊鏈，可管理特定資料類別。這個方法可以減少單一個鏈在網路上處理所有交易和互動的壓力。每個區塊鏈分區都稱為一個分片，具備其特定的分類帳。這些分片就能處理自己的交易，但是信標鏈或主鏈仍可管理分片之間的互動。這樣使得分片成為第 1 層網路可擴展性升級，這是區塊鏈主網的改變。
2. 不同的共識機制
比特幣網路中存在三難困境的原因之一是因為 PoW 確保安全的方式。對礦工、加密貨幣演算法和大量去中心化計算能力的需求成就了系統的安全性，但速度很慢。找到一種不同的方法來達成共識是解決三難困境的其中一種方法。這是以太坊從 PoW 轉向權益證明 (PoS) 的原因之一。
在 PoS 區塊鏈中，參與驗證交易的參與者必須質押 (鎖定) 他們的代幣。不需要高度專業化的採礦機。在網路新增更多驗證人更簡單、更容易達成。PoS 只是其中一種考慮到可擴展性的共識機制。
3. 第 2 層解決方案
分片和不同的共識機制都是所謂的第 1 層解決方案。他們希望改變基礎網路的基本設計。但其他企圖解決三難困境的開發人員一直在研究建構在現有網路結構上的解決方案。換句話說，他們認為答案在於第二層，即第 2 層。這方面的範例包括側鏈和狀態通道。
側鏈基本上是連接到主鏈的個別區塊鏈。它的設置方式使資產可以在兩者之間自由流動。重要的是，側鏈可以在不同的規則下運行，從而實現更優越的速度和擴展性。同樣地，狀態通道是將交易從主鏈上移開並減輕第 1 層壓力的另一種方式。狀態通道使用智能合約，而不是個別的鏈，使用戶能夠和彼此互動，而無需將他們的交易發佈到區塊鏈。區塊鏈只記錄通道的開始和結束。
總結
區塊鏈三難困境阻礙了區塊鏈發揮潛力，使其無法成為改變世界的技術。如果區塊鏈網路每秒只能處理少量交易以維持去中心化和安全性，那麼將很難實現大規模採用。然而，開發人員目前為了解決問題而提出的解決方案，都說明區塊鏈帶來的技術進步只會持續發展，這些網路未來將能夠處理更多資料。