当提交到网络的交易数量超过其处理能力时，就会发生区块链网络拥塞。交易活动增加、区块规模较小以及出块时间较慢都会导致网络拥塞。网络拥塞会导致交易手续费增加、交易确认速度减慢以及用户体验差等。2023年春季，与BRC-20代币相关的交易活动激增，比特币网络变得十分拥堵，导致待处理交易数量和手续费飙升。

什么是网络拥塞？

当提交到网络的交易数量超过其处理这些交易的能力时，就会发生网络拥塞。这一现象有多种诱因，包括市场波动性在内的外部因素，以及区块规模和出块时间等内在网络特征。

在我们深入剖析细节前，研究区块添加到区块链的过程至关重要。

区块链技术如何运作？

区块链是由区块组成的链，每个区块都包含用户创建的交易数据。每个添加到链上的新区块都是永久且不可改变的。

这些区块在去中心化网络上的节点上传播，每个区块都存储了一份区块链副本。区块链在密码学和博弈论的作用下形成了像比特币与以太币这样的加密货币支柱。

为充分理解区块链网络为何会拥塞，我们需要探索影响网络处理交易能力的关键概念：内存池、候选区块、确定性以及最长链规则。

什么是“内存池”？

内存池指包含在下一个区块中的未确认交易的集合。

例如，一笔交易在比特币网络上广播时，不会立即添加到区块链上。相反，它首先会进入“mempool”（内存池）（memory pool的缩写），本质上是所有待处理交易的等待区域。一旦某笔交易已确认，它将会从内存池中删除。

什么是“候选区块”？

候选区块，又称“提议区块”，是矿工或验证者提议添加到区块链中的区块。这些区块含已广播到网络但尚未添加到区块链上的未确认交易。

候选区块如要成为确认区块，则必须根据区块链的共识机制挖矿或验证。例如，比特币的工作量证明(PoW)共识机制让矿工相互竞争，解决复杂的数学难题。第一个解决难题的矿工可以将他们的候选区块添加到区块链中并获得奖励。

以太坊的权益证明(PoS)共识机制是随机选择验证者来提议候选区块。由其他验证者证明区块的有效性。当一个区块的证明足够多时，该区块将从候选区块转变为确认区块。

什么是区块链的“确定性”？

确定性指交易或操作无法再更改或撤销。一旦交易达成确定性，就将永远记录在区块链上，无法更改或删除。

在比特币区块链上，交易会广播到网络上并添加到内存池中。矿工从内存池中选择并验证交易，并将交易包含在要添加到区块链上的新区块中。包含在该区块中的交易被视为已确认，但理论上其他矿工仍有可能挖掘竞争区块。

交易的确定性随着确认区块的数量的增加而增长。当额外六个区块被附加到含这些交易的区块中时，比特币交易通常将被视为“确定”。以太坊的出块时间较短，因此建议进行多次确认以达到与“确定性”相似的信任水平。

什么是“最长链”规则？

如上所述，多个矿工可以在相似的时间段内生产新的有效区块。这可能会导致区块链出现分叉。

“最长链”规则是指区块链的有效版本是投入最多计算工作的版本（通常是由区块组成的最长的链）的原则。这将导致较短的链上的“有效”区块（通常成为孤块或陈腐区块）被丢弃，所含的交易也将被退回内存池。

以太坊网络使用工作量证明(PoW)时，也采用最长链原则。2022年以太坊转变为权益证明(PoS)后，该网络采用了一种更新的分叉选择算法来衡量链的“权重”，即验证者投票的累积总和，投票权重由验证者质押的以太币余额进行加权。

是什么导致了区块链网络拥塞？

当提交到网络的交易数量超过其处理的能力时，就会发生区块链网络拥塞。

以下是可能导致区块链网络拥塞的几个原因：

需求增加

随着向区块链提交交易的人越来越多，内存池中的未确认交易数量可能会超过单个区块中可以包含的数量。区块规模与出块时间有内在限制的区块链尤其受此原因影响。

价格骤然波动可能会导致交易量增多，进而引起交易活动激增或大规模的广泛应用周期。

区块规模小

每个区块链都有区块规模定义，即区块的最大规模。区块规模限制了一个区块可以包含的交易数量。

例如，比特币最初设计为区块规模限制为1兆字节(MB)。2017年，比特币进行了名为隔离见证即SegWit的升级，以增加交易吞吐量。此次升级理论上将区块规模限制增加到4MB。

如果交易数量超过此限制，就会导致网络拥塞。

出块时间慢

出块时间指新区块被添加到区块链上的频率。比特币大约每10分钟添加一个新区块。如果以更快的速度创建更多数量的交易，则交易就会积压。

网络拥塞的后果是什么？

区块链网络拥塞可能会导致一些负面后果，阻碍网络的平稳运行。

交易手续费增加

根据奖励机制，矿工会优先考虑所付手续费更高的交易。因此当区块链网络发生拥塞时，用户通常需要支付更高的交易手续费来激励矿工优先处理自己的交易。这可能会导致使用区块链的手续费比平时昂贵，尤其是处理小额交易时。

交易确认时间延迟

网络拥塞会导致交易确认和最终确定的等待时间增加。极端情况下，交易可能在数个小时、数天甚至更长时间内都无法确认。这可能会让用户感到失望。

用户体验差

高额的手续费与缓慢的确认时间可能会导致交易体验差，从而降低区块链的应用范围与可用性。

市场波动

拥塞可能会放大不确定性并加剧市场波动。如果许多用户想出售一种加密货币，但网络十分拥堵，处理这些交易需要很长时间，可能会导致用户恐慌，更想快速抛售他们的资产。

还有诸如安全风险、网络中心化风险等其他后果。具体来说，确认时间可能会导致出现双花问题的风险增加，而较高的手续费可能会导致挖矿力算力的中心化。

网络拥塞示例

比特币和以太坊网络都发生过严重的网络拥塞。

比特币网络拥塞

比特币在2017年底至2018年初价格飙升，导致了迄今为止最著名的网络拥塞事件之一。比特币突然之间大受欢迎，导致了需求与交易飙升，进而造成了交易严重延迟以及交易手续费激增的现象。平均交易手续费一度超过50美元。

2023年春季，与BRC-20代币相关的交易活动激增，比特币网络变得十分拥堵，导致待处理交易数量和手续费飙升。未确认的交易一度记录了400,000笔，导致内存池遭遇瓶颈。交易手续费在几周内增加了300%。

以太坊网络拥塞

以太坊网络拥塞的著名示例发生在2017年，当时“谜恋猫”项目走红，极大地降低了网络速度。去中心化金融(DeFi)的繁荣也曾引起网络拥塞，导致燃料费价格上涨。

任何区块链网络都可能会变得拥塞。但比特币和以太坊网络的拥塞较其他区块链来说更引人注目，因为二者更受欢迎、更重要，拥塞影响的范围更广。

缓解网络拥塞的解决方案

区块链网络拥塞的解决是一个复杂的问题。方法有许多，但每种方法都各有其优缺点。

增加区块规模

增加区块规模后，每个区块可以处理更多笔交易，从而有效增加网络的吞吐量。但区块增大意味着在网络中需要更长的时间传播，增加了临时分叉的风险；同时也需要更大的存储空间，导致更加中心化。

减少出块时间

减少出块时间可以使网络以更快的速度处理交易。然而，出块时间减少会增加孤块的数量，有可能危及安全。

Layer 2解决方案

链下解决方案处理主区块链以外的交易，并在链上记录其最终状态。比特币的闪电网络和以太坊的等离子体就是链下解决方案示例。这些解决方案可以提高可扩展性，但实施起来很复杂，并且会引起额外的安全问题。

分片

分片是将区块链分为较小的几个碎片的技术，每个碎片都能处理交易和智能合约。这一方法可以显著增加网络的容量。但与Layer 2解决方案类似，分片增加了复杂性，可能会引起额外的安全风险。

其他有望解决网络拥塞问题的解决方案有手续费调整和扩展解决方案，包括乐观汇总(Optimistic Rollup)和零知识汇总(Zero-knowledge Rollup)。普遍认为权益证明(PoS)共识机制比工作量证明(PoW)速度更快。

结语

区块链技术有望在未来几年实现更广泛的应用，因此网络拥堵问题会愈发突出。网络有效处理大量交易的能力对于其广泛应用与可用性至关重要。尤其对致力于促进实时日常交易的区块链系统更加重要。

在区块链网络拥塞带来了巨大的挑战的同时，社区在继续开发缓解这些问题的解决方案。这也是针对增强区块链可扩展性的研究一直处于行业重要地位的原因。