区块链可扩展性:何时,何地,如何?

区块链Scalability,一个非常现实的问题

(如果您想帮助解决问题,请查看我们的区块链价格并开始试验)

区块链可扩展性:何时,何地,如何?

加密货币正变得越来越主流。事实上,让我们来看看比特币和以太坊的流行程度。这是多年来跟踪的每日比特币交易数量的K线走势图:

区块链可扩展性:何时,何地,如何?

图片提供:维基百科

在这里,我们有多年来每月的以太坊交易数量:

区块链可扩展性:何时,何地,如何?

图片提供:Etherscan

现在,这可能看起来非常令人印象深刻,但事实上,加密的初始设计并不适合广泛使用和改编。虽然交易数量较少时可以管理,但随着它们越来越流行,出现了许多问题。

  • 培养成为区块链开发者
  • 加密的可扩展性问题
  • 好吧,那么以太坊呢?
  • 这对Blockchain可扩展性意味着什么?
  • 达成共识的时间
  • 那么Blockchain可伸缩性问题的解决方案是什么?
  • Segwit的优点和缺点
  • 股权证明
  • 这对块链可扩展性有何帮助。
  • 拆分
  • 第一级
  • 离线国家频道
  • 什么是闪电网络?
  • Plasma
  • 展望未来
  • 培养成为区块链开发者

培养成为区块链开发者立即开始免费试用加密的可扩展性问题

对于比特币和以太币与更多主流系统(如Visa和PayPal)竞争,他们需要在交易时间方面认真加强他们的游戏。虽然paypal每秒管理193笔交易,Visa管理每秒1667笔交易,但以太坊每秒只进行20笔交易,而比特币每秒管理高达7笔交易这些数字可以改进的唯一方法是它们的可扩展性。

如果我们要对加密货币中的主要可扩展性问题进行分类,它们将是:

  • 花费时间将事务放入块中。
  • 是时候达成共识了。

在交易所进行交易的时间

在比特币和以太币中,当矿工将交易数据放入他们已开采的区块时,交易就会进行。因此,假设Alice想要向Bob发送4 BTC,她会将此交易数据发送给矿工,然后矿工将其放入他们的区块中,交易将被视为完成。

然而,随着比特币变得越来越流行,这变得更加耗时。此外,交易费也很小。你看,当矿工开采一块时,他们就成了那个街区的临时独裁者。如果您希望您的交易通过,您将不得不向负责的矿工支付费用。这种“收费”称为交易费。

交易费用越高,矿工就越快将其交给他们。虽然这对拥有庞大的比特币存储库的人来说是好的,但它可能不是最具经济可行性的选择。事实上,这是一个有趣的研究。这是人们在支付尽可能低的交易费用时必须等待的时间:

区块链可扩展性:何时,何地,如何?

如果您支付尽可能低的交易费用,那么您必须等待13分钟的中间时间才能完成交易。

通常情况下,交易必须等到开采新区块(比特币为10分钟),因为旧区块会填满交易。比特币的大小限制为1百万桶(这将在以后扩展),严重限制了其交易承载能力。

好吧,那么以太坊呢?

从理论上讲,以太坊应该每秒处理1000笔交易。然而,在实践中,以太坊每个区块限制了670万个气体限制。

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要了解“气体”的含义,请考虑这种情况。爱丽丝已经为鲍勃签了一份智能合约。 Bob认为合约中的元素将耗费X量的天然气。气体意味着鲍勃的计算工作量。因此,他将向Alice收取他用完的气量。

这是汽油价格K线走势图的样子:

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图片提供:Etherscan。

这对Blockchain可扩展性意味着什么?

由于每个区块都有一个气体限制,矿工只能添加其气体需求加起来等于或小于区块的气体限制的交易。

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图片提供:Hackernoon

再一次,经历的一些交易是有限的。

达成共识的时间

目前,所有基于区块链的货币都被构造为对等网络。参与者,即节点,没有任何额外的特权。我们的想法是建立一个平等主义的网络。没有中央权威,也没有任何等级制度。它是一种扁平拓扑。

由于一个简单的原因,所有去中心化的加密货币都是这样构建的,以保持其理念。我们的想法是建立一个货币体系,每个人都被视为平等,没有管理机构,可以根据一时兴起决定货币的价值。比特币和以太坊都是如此。

现在,如果没有中央实体,系统中的每个人怎么会知道某个交易发生了?网络遵循八卦协议。想想八卦是如何传播的。假设Alice向Bob发送了3个ETH。离她最近的节点会知道这个,然后他们会告诉最接近他们的节点,然后他们会告诉他们的邻居,这将继续蔓延,直到每个人都知道。节点基本上是你的爱管闲事,烦人的亲戚。

请记住,节点遵循无信任的系统。这意味着,仅仅因为节点A表示事务有效并不意味着节点B会认为它是如此。节点B将执行自己的一组计算,以查看事务是否实际有效。这意味着,每个节点必须拥有自己的区块链副本才能帮助他们这样做。可以想象,这使得整个过程非常缓慢。

问题是,与其他技术不同,加密货币网络中节点数量越多,整个过程就越慢。共识以线性方式发生,意味着,假设有3个节点A,B和C.

为了达成共识,首先A将进行计算和验证,然后B将执行相同的操作然后C.

但是,如果系统中有一个名为“D”的新节点,那么会向共识系统添加一个节点,这将增加整个时间段。随着加密货币变得越来越流行,交易时间变得越来越慢。

这对于以太坊尤其是一个问题,因为它在所有加密货币中拥有最多的节点。由于ICO热潮,每个人都希望拥有一块以太坊,这显着增加了网络中的节点数量。事实上,截至2017年5月,与比特币的7000个相比,以太坊拥有25,000个节点这超过3次。事实上,从4月到5月的节点数量增加了81%……这几乎是两倍

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图片提供:Trust Nodes。

那么Blockchain可伸缩性问题的解决方案是什么?

以太坊和比特币都提出了许多已经或即将实施的解决方案。让我们来看看一些主要的。

我们将涉及的是:

  • Segwit。
  • 块大小增加。
  • 拆分。
  • 股权证明。
  • Off Chain State Channels。
  • Plasma

Segwit(仅限比特币)

Blockstream的Peter Wiulle博士设想Segwit是侧链的特征之一,它将与主比特币区块链平行。

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激活Segwit aka Segregated Witness意味着每个事务的所有签名数据将从主链移动到侧链。签名数据是什么意思?让我们看一下交易的幕后数据:

交易详细信息代码

这是事务在代码表单中的样子。假设Alice想要向Bob发送0.0015 BTC,为此,她发送的输入值为0.0015770 BTC。这是交易细节的样子:

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图片提供:djp3 youtube频道。

你看到的第一件事:

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事务的名称是输入和输出值的哈希值。

  • Vin_sz是输入数据的数量,因为Alice仅使用其先前的一个事务发送数据,它是1。
  • Vout_sz是2,因为唯一的输出是Bob和更改。

这是输入数据:

查看输入数据? Alice仅使用一个输入事务,因为vin_sz为1.输入数据为0.0015770 BTC。

输入数据下面是她的签名数据(请记住下一节的内容)

所有这些都是输出数据:

  • 数据的第一部分表示Bob获得了0.0015 BTC。
  • 第二部分表示0.00005120 BTC是Alice收到的变化。
  • 现在,请记住我们的输入数据是0.0015770 BTC?这大于(0.0015 + 0.00005120)。这两个价值的不足是矿工收集的交易费。

这是简单交易的解剖。

那么激活Segwit会发生什么?

这个签名数据的问题在于它非常笨重。实际上,交易占用的65%的数据是由于签名。此数据仅适用于初始验证过程,以后根本不需要。

那么激活Segwit会发生什么?

签名数据将从主链移动到并行链中的扩展块:

这将做的是它将释放块本身的大量空间以进行更多交易。

设想签名数据将以侧链中的Merkle树的形式排列。交易的Merkle根与coinbase交易一起被放置在块中(每个块中的第一个交易基本上表示块奖励)。然而,在这样做时,开发人员偶然发现了一些意想不到的事情。他们发现,在将merkle root置于特定位置时,他们会以某种方式增加整体块大小限制,而不会增加块大小限制

截至2017年8月24日,segwit在比特币上被激活。让我们看看Segwit对此有何看法:

什么是Segwit?初学者速成价格

图片提供:segwit.co

Segwit的优点和缺点

segwit的优点:

  • 增加块可以执行的多个事务。
  • 降低交易费用。
  • 减少每笔交易的规模。
  • 现在可以更快地确认交易,因为等待时间将减少。
  • 有助于比特币的可扩展性。
  • 由于每个区块的交易数量将增加,因此可能会增加矿工可能收取的总费用。
  • 删除交易延展性并帮助激活闪电协议(稍后将详细介绍)
  • 消除二次散列问题:二次散列是一个随块大小增加而出现的问题。问题是在某些事务中,签名散列是二次方的

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图片提供:Bitcoincore.org

基本上,将块中的事务量加倍会使一些事务加倍,这反过来会使每个事务中的签名数据量翻倍。这将使交易更加笨重并且大量增加交易时间。这为可能想要向区块链发送垃圾邮件的恶意方打开了大门。

Segwit通过更改签名哈希的计算来解决这个问题,从而使整个过程更加高效。

塞维特的缺点:

  • 现在,矿工将获得每笔交易的较低交易费用。
  • 实现很复杂,所有钱包都需要自己实现segwit。他们很可能第一次没有做到这一点。
  • 它将显着增加资源的使用,因为容量,交易,带宽一切都会增加。
  • 随着比特币现金节目的创建,它最终分裂了比特币核心社区。
  • Segwit的另一个问题是维护。包含签名数据的侧链也需要由矿工维护。然而,与主要的区块链不同,矿工在这样做时没有经济利益,需要无偿地进行,或者需要考虑一些奖励计划来激励矿工。

块大小增加

现在,由于比特币和以太币的主要问题是限制块,我们为什么不增加它们呢?比特币不应该有1 MB的限制,但是Satoshi被迫放弃它,因为他们不希望比特币被垃圾邮件交易所困扰。

虽然这在实践中听起来可能是一个好主意,但实现这一点却不过如此。事实上,这已经在比特币社区引起了很多争论,双方热情地争论支持和反对块大小的增加。让我们检查一下这些论点:

块大小增加的参数

  • 由于交易费用将减少,矿工将失去激励:由于块大小将增加交易将很容易插入,这将显着降低交易费用。人们担心这可能会使矿工们感到厌烦,他们可能会转向更环保的牧场。如果矿工数量减少,那么这将降低比特币的总体哈希值。
  • 比特币不应该用于日常用途:社区的一些成员不希望比特币用于日常交易。这些人认为比特币的目的不仅仅是普通的日常货币。
  • 它将拆分社区:块大小的增加将不可避免地导致系统中的分叉,这将产生两个并行比特币,从而在此过程中分裂社区。这可能会破坏社区的和谐。
  • 这将导致中心化程度的提高:由于网络规模将增加,挖矿所需的处理能力也将增加。这将取消所有小型挖矿池,并将挖矿权力专门用于大型水矿池。这反过来会增加中心化,这与比特币的本质背道而驰。

块大小增加的参数

  • 块大小的增加实际上对矿工的利益起作用:增加块大小意味着增加每块的交易,这反过来会增加矿工通过开采块的交易费用。
  • 对于“普通人”来说,比特币需要增长更多,更容易获得。如果块大小没有改变那么交易费用将会越来越高。当这种情况发生时,普通人永远无法使用它,它将仅由富人和大公司使用。这从来就不是比特币的目的。
  • 这些变化不会一下子发生,它们会逐渐发生。人们对块大小变化的最大担心是,太多的东西会同时受到影响,并且会造成严重的中断。然而,那些“专业阻止规模增加”的人认为这是一种毫无根据的恐惧,因为大多数变化将在一段时间内得到处理。
  • 已经有很多对块大小增加的支持,而那些不与时俱进的人可能会落后。
  • Segwit不是永久修复。

无论如何,在2017年5月21日,纽约协议发生,决定Segwit将被激活,块大小将增加到200mb。

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图片提供:DCG中的文章。

对Segwit激活的想法不满意的人从主链分叉并制造了块大小限制为8 mb的Bitcoin Cash。

还提出了以太坊的块大小增加,但由于很多原因,人们在写作时并不真正热衷于在以太坊这样做:

  • 首先,阻碍以太坊可扩展性的主要因素是节点之间的共识速度。增加块大小仍然无法解决此问题。实际上,随着每个块的事务数量的增加,每个节点的计算和验证数量也将增加。
  • 为了适应越来越多的事务,需要定期增加块大小。这将使系统更加中心化,因为普通计算机和用户将无法下载和保存这种庞大的区块链。这违背了区块链的平等主义精神。
  • 最后,块大小的增加只会通过硬分叉发生,这可能会分裂社区。上一次在以太坊发生重大难民事件时,整个社区都出现了分歧,并且出现了两种不同的货币。人们并不真的希望这种情况再次发生。

股权证明

从工作证明到股权证明的变化

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现在最重要的事情之一就是以太坊从工作证明转变为股权证明。

  • 工作证明:这是大多数加密货币如以太坊和比特币到目前为止所遵循的协议。这意味着矿工通过使用专用硬件解决加密货币拼图来“挖矿”加密货币。
  • 利益证明:该协议将使整个挖矿过程成为虚拟。在这个系统中,我们有验证器而不是矿工。它的工作方式是,作为一个验证器,你首先必须把你的一些以太锁作为质押。在这样做之后,您将开始验证块,这基本上意味着如果您看到任何您认为可以附加到区块链的块,您可以通过下注来验证它。何时,如果该块被追加,您将获得与您投资的比例成比例的奖励。但是,如果您在错误或恶意区块上下注,您投入的股份将被剥夺。

为了实现“利益证明”,以太坊将使用Casper一致性算法。在一开始它将是一个混合风格系统,其中大多数交易仍将完成工作风格的证明,而每100个交易将成为股权证明。这将做的是,它将提供真实的世界测试,以证明以太坊平台的股权。但这对于以太坊意味着什么?这个协议的优点是什么?让我们来看看。

股权证明的优点

  • 降低整体能源和货币成本:世界上的比特币矿工每小时花费大约50,000美元用电。那是每天120万美元,每月3600万美元,每年约4.5亿美元只要把头放在那些数字和浪费的电量上。通过使用“股权证明”,您可以使整个过程完全虚拟化,并切断所有这些成本。
  • 没有ASIC优势:由于整个过程将是虚拟的,因此不依赖于谁拥有更好的设备或ASIC(专用集成电路)。
  • 使51%的攻击更难:51%的攻击发生在一群矿工获得超过世界散射能力的50%时。使用股权证明可以抵消这种攻击。
  • 无恶意验证器:任何将资金锁定在区块链中的验证人都会确保他们不会向链中添加任何错误或恶意的块,因为这意味着他们投入的全部股权将被剥夺。
  • 块创建:更快地创建更新的块和整个过程。 (下一节将详细介绍)。
  • 可伸缩性:通过引入“分片”概念使区块链可扩展(稍后将详细介绍)。

这对块链可扩展性有何帮助。

引入股权证明将使区块链变得更快,因为检查谁拥有最多的股份然后查看谁具有最大的散列能力要简单得多。这使得达成共识变得更加简单。此外,实施“股权区块链证明”是Serenity不可或缺的一部分,Sehereity是以太坊的第四种也是最后一种形式(稍后会详细介绍)。

同时,股权证明使分片的实施更容易。在工作量证明系统中,攻击者更容易攻击可能没有高哈希值的单个分片。

此外,在POS中,矿工不会收取过块费用,而且他们只能通过交易费赚取。这会激励他们增加块大小以进行更多交易(通过天然气管理)。

股权证明的未来是什么?

截至目前,Casper第一阶段将在区块链上实施,其中每100个区块将通过股权证明进行检查。来自以太坊基金会的Yoichi Hirai一直在通过数学bug探测器运行casper脚本,以确保它完全没有bug。

最终,计划是通过股权证明来推动大部分区块创建,以及他们计划做的方式……进入冰河时代。 “冰河时代”是一个困难的定时炸弹,它将使挖矿成倍增加。具有不可能的高难度将大大降低散列率,这反过来将降低整个区块链和在其上运行的DAPPS的速度。这将迫使所有参与以太坊的人继续进行股权证明。

然而,这整个过渡并非没有障碍。人们最担心的一个问题是矿工可能会在冰河时代开始之前的某个时刻强行进行链条硬化,然后继续挖矿该链条。这可能是灾难性的,因为这意味着可能有3个不同的以太坊链同时运行:以太坊经典,以太坊的工作证明和以太坊的质押证明。

这是目前的所有猜测。目前,事实是,对于可扩展的模型,以太坊使用质押证明来获得所需的速度和灵活性至关重要。

拆分

以太坊面临的最大问题是交易验证的速度。网络中的每个完整节点都必须下载并保存整个区块链。分片的作用是将事务分解为分片并在网络中传播。节点并排处理各个分片。这反过来又减少了总的时间。

想象一下,以太坊已被分裂成数千个岛屿。每个岛屿都可以做自己的事情。每个岛屿都有自己独特的特征,每个岛屿上的人,即帐户,都可以相互作用,他们可以自由地沉迷于其所有的功能。如果他们想与其他岛屿联系,他们将不得不使用某种协议。

所以,问题是,这将如何改变区块链?

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比特币或以太坊(预分片)中的正常块是什么样的?

因此,有一个块头和包含块中所有事务的主体。所有事务的Merkle根将在块头中。

现在,想一想。

  • 比特币真的需要块吗?
  • 它真的需要一个区块链吗?
  • Satoshi可以通过在较新的交易中包含先前交易的哈希来简单地建立一系列交易,从而形成“交易链”。

他们在块中安排这些事务的原因是创建一个级别的交互并使整个过程更具可伸缩性。以太坊建议的是,他们将此变为两个层次的互动。

第一级

第一级是交易组。每个分片都有自己的事务组。

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图片提供:Hackernoon

事务组分为事务组头和事务组体。

交易组标题

  • 标题分为不同的左右部分。

左派:

  • Shard ID:事务组所属的分片的ID。
  • Pre state root:这是应用事务之前的shard 43的根状态。
  • 发布状态根:应用事务后,这是分片43的根状态。
  • 收据根:应用了分片43中所有事务之后的收据根。

正确的部分:

  • 正确的部分充满了随机验证器,需要验证分片本身的事务。它们都是随机选择的。

交易集团正文

  • 它具有分片本身中的所有事务ID。

第一级的属性

  • 每个事务都指定它所属的分片的ID。
  • 属于特定分片的事务表明它发生在两个特定分片原生的帐户之间。
  • 事务组具有仅属于该分片ID并且对其唯一的事务。
  • 指定前后状态根。

现在,让我们来看看顶层又是第二层。

二级

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图片提供:Hackernoon。

不,不要害怕它比看起来更容易理解。

有正常的块链,但现在它包含两个主要的根:

  • 国家根
  • 事务组根目录

状态根代表整个状态,正如我们之前所见,状态被分解为分片,分片包含它们自己的子状态。

事务组根包含该特定块内的所有事务组。

二级属性

  • 第二级就像一个简单的区块链,它接受交易组而不是交易。
  • 仅当以下情况时,事务组才有效:a)预状态根与全局状态中的分片根匹配。
    b)事务组中的签名都经过验证。
  • 如果事务组进入,则全局状态根成为该特定分片ID的后状态根。

那么跨分片通信是如何发生的呢?

现在,还记得我们岛上的比喻吗?

碎片基本上就像岛屿。那么这些岛屿如何相互沟通?请记住,分片的目的是使许多并行事务同时发生以提高性能。如果以太坊允许随机的交叉分片通信,则会破坏分片的整个目的。

那么跨分片通信需要遵循什么协议?

以太坊选择遵循交叉分片通信的收据范例。看一下这个:

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图片提供:hackernoon

正如您在此处所看到的,可以通过事务组Merkle root中的多个Merkle树轻松访问每个单独的事务接收。分片中的每个事务都将执行两项操作:

  • 更改它所属的分片的状态
  • 生成收据

这是另一个有趣的信息。收据存储在分布式共享内存中,可以通过其他分片查看,但不能修改。因此,交叉分片通信可以通过这样的收据发生:

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图片提供:Hackernoon

实施分片有哪些挑战?

  • 需要有一种机制来知道哪个节点实现了哪个分片。这需要以安全有效的方式完成,以确保并行化和安全性。
  • 根据Vlad Zamfir的说法,需要首先实施股权证明,以便更容易分割。在工作量证明系统中,使用较少的哈希值攻击分片会更容易。
  • 节点在无信任系统上工作,这意味着节点A不信任节点B,无论信任如何,它们都应达成共识。因此,如果将一个特定事务分解为分片并分发到节点A和节点B,则节点A必须提供某种证明机制,以便它们完成对分片的部分工作。

离线国家频道

什么是国家频道?

状态通道是参与者之间的双向通信通道,使得它们能够在区块链之外进行通常发生在区块链上的交互。这将做的是,它会以指数方式减少交易时间,因为您不再依赖像矿工这样的第三方来验证您的交易。

那么做一个脱链国家渠道的要求是什么?

  • 区块链状态的一部分通过多签名或某种智能合约锁定,这是由一组参与者商定的。
  • 参与者通过彼此签署交易而彼此互动,而不向矿工提交任何内容。
  • 然后将整个事务集添加到区块链中。

根据Slock.it创始人Stephan Thual,参与者预先决定了州立频道。它可能是:

  • 时间过去了,例如。参与者可以同意打开州频道并在2小时后关闭它。
  • 它可以基于完成的交易总额,例如。在价值100美元的交易发生后关闭了连锁店。

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图片提供:Stephan Tual Medium Article

所以,在上图中。我们有一辆直接与充电器相互作用的汽车,总共可以获得价值39.19美元的交易。最后,在一系列交互之后,整个事务块被添加到区块链中。想象一下,如果他们必须通过区块链运行每一笔交易,会花多少时间

比特币希望实施的脱链状态通道是闪电网络。

什么是闪电网络?

闪电网络是一种脱链微支付系统,其设计使区块链中的交易更快。它由Joseph Poon和Tadge Dryja在他们的白皮书中概念化,旨在解决块大小限制和事务延迟问题。它在比特币之上运行,通常被称为“第2层”。正如Jimmy Song在他的中篇文章中所说:

“闪电网络通过创建双重签名的交易来工作。也就是说,我们有一个新的支票,要求双方签字才能有效。该检查指定从一方发送到另一方的数量。由于新的小额支付是从一方到另一方,支票上的金额会发生变化,双方都会签署结果。“

该网络将使Alice和Bob能够彼此进行交易,而不会被第三方(即矿工)俘虏。为了激活它,交易需要在Alice和Bob广播到网络之前签署。这种双重签名对于交易的完成至关重要。

但是,这是我们面临另一个问题的地方。

由于双重检查在很大程度上依赖于事务标识符,如果由于某种原因标识符被更改,这将导致系统中的错误,并且Lightning Network将不会激活。如果您想知道事务标识符是什么,它是事务名称,也就是输入和输出事务的哈希。

这是事务标识符。

名为“Transaction Malleability”的错误可能导致事务标识符发生更改。但是,这不再是问题,因为Segwit激活会消除此错误。

以太坊还计划激活类似闪电网络的东西,称为“Raiden”。

Plasma

等离子以及闪电网络/ Raiden将为以太坊架构引入一个全新的层:

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图片提供:中等。

等离子是一系列在根链(主要的以太坊区块链)之上运行的契约。如果要设想建筑和结构,那么将主要区块链和Plasma区块链视为一棵树。主要的区块链是根,而等离子链又名子区块链是分支。

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这大大减少了主链的负荷。分支机构会定期向主链发送报告。事实上,您可以将根链视为最高法院,并将所有分支机构视为从主要法院获得权力的下级法院。

所有分支链都可以发布自己独特的令牌,可以激励链验证器来处理链并确保它没有故障。每个分支都有自己独立的数据,当它确实需要向主链提交一些数据时,它不会暴跌所有内容,只是将博客标题哈希提交给主链。

等离子不仅在主链中节省了大量空间,而且还以指数方式增加了事务处理速度。如果实施得当,这可能是有史以来对以太坊和加密货币所做的最具革命性的改变之一。

展望未来

加密货币,特别是比特币和以太币正变得越来越主流。为了跟上增加的使用量,他们需要在可扩展性方面认真加强。幸运的是,有一些有趣的解决方案可以给他们一些非常有趣的结果。他们能真正解决可扩展性问题吗?还有待观察。

资讯来源:由0x资讯编译自BLOCKGEEKS。原文链接:https://blockgeeks.com/guides/blockchain-scalability/,版权归作者所有,未经许可,不得转载
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