一文读懂比特币区块链扩容

我们知道，比特币的交易处理速度是有限的，这主要受限于每个区块最多储存的交易数，即区块容量，随着比特币网络的交易量越来越大，越来越多的交易不会在发生后第一时间被区块打包和确认，确认时间被延迟，从而影响了网络的正常运转。有什么方法可以解决这个问题？这篇文章将以比特币为例，聊聊区块扩容。

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一、什么是区块扩容

区块容量：区块链中的每一个区块，都是用于承载某个时间段内的交易信息和数据，每个区块根据生成时间的先后顺序，使用密码学技术串联起来，形成一个完整的区块链数据库，区块容量则代表了一个区块容纳数据的能力。

区块扩容：从字面上理解，区块扩容是指增加区块的容量。从本质上看，即通过一些方法，提高区块链交易处理能力。

二、比特币区块为什么需要扩容？

第一阶段：区块大小开始受限。比特币刚刚出现的时候，它的区块大小并没有被刻意限制，最大可达32MB。可是，当时的比特币用户量比较少，交易量也不大，平均打包的区块大小为1-2KB。有的人认为上限和实际情况相差太远（1MB=1024KB），会造成计算资源的浪费。因此，为了确保比特币网络的安全与稳定，区块大小临时限制在了1MB。

第二阶段：网络拥堵出现，交易费用提高。假设每笔交易的大小是250B（1KB=1024B），容量为1M的一个区块最多能储存约4190笔交易，根据平均10分钟产生一个区块的速度，理论上每秒最多可以处理7笔交易。随着后来比特币价格飙升，用户量越来越多，交易量越来越大，由交易速度受限引发的网络拥堵、交易费用升高等问题逐渐暴露。

第三阶段：问题突出，需求激增。随着网络拥堵问题和交易费用增加的，每秒平均处理 7 笔交易的速度已经不能满足实际需求， 如何进行区块扩容成了热点问题。

三、扩容的方案有哪些

为了解决区块容量不足的问题，曾经提出的扩容方案主要有以下几个大类：

1、提高固定上限

1）BIP100：保留 32MB 的限制，并增加一个浮动的块大小限制，大小由矿工投票决定。在连续 12000 个区块中，超过 90%的矿工投票同意即可激活此方案。

2）BIP102： 一次性将区块扩大到 2MB。只要主链中超过 95%的矿工支持即可激活此方案。

3）BIP109（Bitcoin Classic）：区块增加到 2MB，当支持该方案的算力超过 75%时可被激活。

2、可变的上限

1）BIP101（Bitcoin XT）：设定初始大小为 8MB，大小随时间发展呈线性增长。主链中连续 1000 个区块中的第750个使用BIP101规定的版本号，即可激活，缓冲时间2周。

2）BIP103：上限设为最近 11 个区块大小的中位数，或者利用代码实现，每 97 天调整一次，幅度不超过 4.4%。

3）BIP105：以 1MB 为起点，每创建一个块，矿工投票决定增加或者减少容量，调整幅度不超过10%。

4）BIP106：以 2000 个区块为周期决定区块容量扩大两倍或减半。如果 90%的区块达到了上限的90%，容量扩大两倍，如果 90%的区块小于上限的 50%， 则容量减半。

3、不改变区块大小的技术性扩容

1）BIP141（隔离见证）：通过移除比特币交易中的签名字段，使得交易记录和签名分开，实现区块大小不变的情况下变相扩容。连续两周内超过 95%的算力在区块数据中发出支持信号，则方案激活。

2）BIP148（用户激活软分叉）：由用户、交易所、支付处理商等来决定是否进行升级更改比特币网络。如果约定激活日期前没有激活，升级了 BIP148 的节点将会拒绝没有发送支持信号的区块，产生软分叉。

3）BIP91：本质上是兼容 BIP141 的 BIP148 方案，但是设定了80%的算力激活阀值。无论升级BIP91还是 BIP148，升级后的节点互相兼容，目的是为了避免产生分叉。

4）侧链扩容：通过创建点对点的侧链网络，达到扩容目的。

5）分片技术：网络中的每个区块都作为一个子区块链，最终组成一个在主链上的区块。

4、其他方案

1）香港共识：采用BIP141+硬分叉 2M，且矿工不能运行BIP109。

2）BIP141+闪电网络：主链区块大小不变，采用隔离认证+闪电网络的方案 。

3）Bitcoin Unlimited：矿工自定义单个区块大小和可接受的区块大小，产生区块后，再对区块的大小进行投票。如果发现有更长链（大于当前链4个区块），则会自动切换到最长的链上。

4）纽约共识（Segwit2X）：隔离验证激活阈值设置为80%算力，支持信号为bit4，并执行一次2MB的硬分叉扩容 。

5）UAHF（用户激活硬分叉）：之前无效的区块在flag day后生效，无需绝大多数的算力通过执行。

四、区块扩容遇到的困难

直接扩容方式：如果采用改变区块大小的直接区块扩容方式，随着区块容量的越来越大，由于需要同步大量数据，各个节点的存储压力越来越大；此外，由于区块容量增大，新区快的传播速度随之减慢，容易形成孤块或空块。

孤块：是指被遗弃的数据块。由于在同一时间内可能有多个区块同时被产生，但每一次只能有一个区块可以被连接到区块链上，而其余被遗弃的区块就是孤块。或者是在传输过程中，认为第N块个区块还没有挖出来，所以就把自己挖出的块也打包交易，作为第N个区块广播，从而导致自己的区块被孤立。

空块：是指只有1笔交易，而没有打包其它交易的块。在第N个区块还没有传完数据时，就认为已经被挖出来，于是开始在第N个区块的基础上挖第N+1个区块。

技术性扩容方式：由于存在着权利和利益的冲突，使得比特币社区容易出现一些不可调和的分歧。

五、小结

为了解决比特币区块容量问题，总的来说可划分为两大类解决方案：

一是直接改变区块的容量；

二是不改变区块容量本身，通过其他手段提高交易处理能力。

由于比特币系统去中心化的特性，无论是哪一种方法，都需要经历一个艰难的共识过程，但为了比特币的持续发展，扩容依然是必须要面对和解决的一个问题。