摘要

當提交到網絡的交易數量超過其處理能力時，就會發生區塊鏈網絡擁塞。

交易活動增加、區塊規模較小以及出塊時間較慢都會導致網絡擁塞。

網絡擁塞會導致交易手續費增加、交易確認速度減慢以及用戶體驗差等。

2023年春季，與BRC-20代幣相關的交易活動激增，比特幣網絡變得十分擁堵，導致待處理交易數量和手續費飆升。

什麼是網絡擁塞？

當提交到網絡的交易數量超過其處理這些交易的能力時，就會發生網絡擁塞。這一現象有多種誘因，包括市場波動性在內的外部因素，以及區塊規模和出塊時間等內在網絡特徵。

在我們深入剖析細節前，研究區塊添加到區塊鏈的過程至關重要。

區塊鏈技術如何運作？

區塊鏈是由區塊組成的鏈，每個區塊都包含用戶創建的交易數據。每個添加到鏈上的新區塊都是永久且不可改變的。

這些區塊在去中心化網絡上的節點上傳播，每個區塊都存儲了一份區塊鏈副本。區塊鏈在密碼學和博弈論的作用下形成了像比特幣與以太幣這樣的加密貨幣支柱。

為充分理解區塊鏈網絡為何會擁塞，我們需要探索影響網絡處理交易能力的關鍵概念：內存池、候選區塊、確定性以及最長鏈規則。

什麼是“內存池”？

內存池指包含在下一個區塊中的未確認交易的集合。

例如，一筆交易在比特幣網絡上廣播時，不會立即添加到區塊鏈上。相反，它首先會進入“mempool”（內存池）（memory pool的縮寫），本質上是所有待處理交易的等待區域。一旦某筆交易已確認，它將會從內存池中刪除。

什麼是“候選區塊”？

候選區塊，又稱“提議區塊”，是礦工或驗證者提議添加到區塊鏈中的區塊。這些區塊含已廣播到網絡但尚未添加到區塊鏈上的未確認交易。

候選區塊如要成為確認區塊，則必須根據區塊鏈的共識機制挖礦或驗證。例如，比特幣的工作量證明(PoW)共識機制讓礦工相互競爭，解決複雜的數學難題。第一個解決難題的礦工可以將他們的候選區塊添加到區塊鏈中並獲得獎勵。

以太坊的權益證明(PoS)共識機制是隨機選擇驗證者來提議候選區塊。由其他驗證者證明區塊的有效性。當一個區塊的證明足夠多時，該區塊將從候選區塊轉變為確認區塊。

什麼是區塊鏈的“確定性”？

確定性指交易或操作無法再更改或撤銷。一旦交易達成確定性，就將永遠記錄在區塊鏈上，無法更改或刪除。

在比特幣區塊鏈上，交易會廣播到網絡上並添加到內存池中。礦工從內存池中選擇並驗證交易，並將交易包含在要添加到區塊鏈上的新區塊中。包含在該區塊中的交易被視為已確認，但理論上其他礦工仍有可能挖掘競爭區塊。

交易的確定性隨著確認區塊的數量的增加而增長。當額外六個區塊被附加到含這些交易的區塊中時，比特幣交易通常將被視為“確定”。以太坊的出塊時間較短，因此建議進行多次確認以達到與“確定性”相似的信任水平。

什麼是“最長鏈”規則？

如上所述，多個礦工可以在相似的時間段內生產新的有效區塊。這可能會導致區塊鏈出現分叉。

“最長鏈”規則是指區塊鏈的有效版本是投入最多計算工作的版本（通常是由區塊組成的最長的鏈）的原則。這將導致較短的鏈上的“有效”區塊（通常成為孤塊或陳腐區塊）被丟棄，所含的交易也將被退回內存池。

以太坊網絡使用工作量證明(PoW)時，也採用最長鏈原則。2022年以太坊轉變為權益證明(PoS)後，該網絡採用了一種更新的分叉選擇算法來衡量鏈的“權重”，即驗證者投票的累積總和，投票權重由驗證者質押的以太幣餘額進行加權。

是什麼導致了區塊鏈網絡擁塞？

當提交到網絡的交易數量超過其處理的能力時，就會發生區塊鏈網絡擁塞。

以下是可能導致區塊鏈網絡擁塞的幾個原因：

需求增加
隨著向區塊鏈提交交易的人越來越多，內存池中的未確認交易數量可能會超過單個區塊中可以包含的數量。區塊規模與出塊時間有內在限制的區塊鏈尤其受此原因影響。

價格驟然波動可能會導致交易量增多，進而引起交易活動激增或大規模的廣泛應用周期。

區塊規模小
每個區塊鏈都有區塊規模定義，即區塊的最大規模。區塊規模限制了一個區塊可以包含的交易數量。

例如，比特幣最初設計為區塊規模限制為1兆字節(MB)。2017年，比特幣進行了名為隔離見證即SegWit的升級，以增加交易吞吐量。此次升級理論上將區塊規模限制增加到4MB。

如果交易數量超過此限制，就會導致網絡擁塞。

出塊時間慢
出塊時間指新區塊被添加到區塊鏈上的頻率。比特幣大約每10分鐘添加一個新區塊。如果以更快的速度創建更多數量的交易，則交易就會積壓。

網絡擁塞的後果是什麼？

區塊鏈網絡擁塞可能會導致一些負面後果，阻礙網絡的平穩運行。

交易手續費增加

根據獎勵機制，礦工會優先考慮所付手續費更高的交易。因此當區塊鏈網絡發生擁塞時，用戶通常需要支付更高的交易手續費來激勵礦工優先處理自己的交易。這可能會導致使用區塊鏈的手續費比平時昂貴，尤其是處理小額交易時。

交易確認時間延遲

網絡擁塞會導致交易確認和最終確定的等待時間增加。極端情況下，交易可能在數個小時、數天甚至更長時間內都無法確認。這可能會讓用戶感到失望。

用戶體驗差

高額的手續費與緩慢的確認時間可能會導致交易體驗差，從而降低區塊鏈的應用範圍與可用性。

市場波動

擁塞可能會放大不確定性並加劇市場波動。如果許多用戶想出售一種加密貨幣，但網絡十分擁堵，處理這些交易需要很長時間，可能會導致用戶恐慌，更想快速拋售他們的資產。

還有諸如安全風險、網絡中心化風險等其他後果。具體來說，確認時間可能會導致出現雙花問題的風險增加，而較高的手續費可能會導致挖礦力算力的中心化。

網絡擁塞示例

比特幣和以太坊網絡都發生過嚴重的網絡擁塞。

比特幣網絡擁塞

比特幣在2017年底至2018年初價格飆升，導致了迄今為止最著名的網絡擁塞事件之一。比特幣突然之間大受歡迎，導致了需求與交易飆升，進而造成了交易嚴重延遲以及交易手續費激增的現象。平均交易手續費一度超過50美元。

2023年春季，與BRC-20代幣相關的交易活動激增，比特幣網絡變得十分擁堵，導致待處理交易數量和手續費飆升。未確認的交易一度記錄了400,000筆，導致內存池遭遇瓶頸。交易手續費在幾週內增加了300%。

以太坊網絡擁塞

以太坊網絡擁塞的著名示例發生在2017年，當時“謎戀貓”項目走紅，極大地降低了網絡速度。去中心化金融(DeFi)的繁榮也曾引起網絡擁塞，導致燃料費價格上漲。

任何區塊鏈網絡都可能會變得擁塞。但比特幣和以太坊網絡的擁塞較其他區塊鏈來說更引人注目，因為二者更受歡迎、更重要，擁塞影響的範圍更廣。

緩解網絡擁塞的解決方案

區塊鏈網絡擁塞的解決是一個複雜的問題。方法有許多，但每種方法都各有其優缺點。

增加區塊規模

增加區塊規模後，每個區塊可以處理更多筆交易，從而有效增加網絡的吞吐量。但區塊增大意味著在網絡中需要更長的時間傳播，增加了臨時分叉的風險；同時也需要更大的存儲空間，導致更加中心化。

減少出塊時間

減少出塊時間可以使網絡以更快的速度處理交易。然而，出塊時間減少會增加孤塊的數量，有可能危及安全。

Layer 2解決方案
鏈下解決方案處理主區塊鏈以外的交易，並在鏈上記錄其最終狀態。比特幣的閃電網絡和以太坊的等離子體就是鏈下解決方案示例。這些解決方案可以提高可擴展性，但實施起來很複雜，並且會引起額外的安全問題。

分片

分片是將區塊鏈分為較小的幾個碎片的技術，每個碎片都能處理交易和智能合約。這一方法可以顯著增加網絡的容量。但與Layer 2解決方案類似，分片增加了複雜性，可能會引起額外的安全風險。

其他有望解決網絡擁塞問題的解決方案有手續費調整和擴展解決方案，包括樂觀匯總(Optimistic Rollup)和零知識匯總(Zero-knowledge Rollup)。普遍認為權益證明(PoS)共識機制比工作量證明(PoW)速度更快。

結語

區塊鏈技術有望在未來幾年實現更廣泛的應用，因此網絡擁堵問題會愈發突出。網絡有效處理大量交易的能力對於其廣泛應用與可用性至關重要。尤其對致力於促進實時日常交易的區塊鏈系統更加重要。
在區塊鏈網絡擁塞帶來了巨大的挑戰的同時，社區在繼續開發緩解這些問題的解決方案。這也是針對增強區塊鏈可擴展性的研究一直處於行業重要地位的原因。