区块链三难困境

区块链不可能三角是一个概念，它解释了区块链在任何给定时间只能优化三个核心要素中的两个。区块链网络无法同时满足所有三个要素的原因有很多，但一个明确的原因是每个网络的不同需求。本文将解释区块链的三个核心要素——安全性、去中心化和可扩展性——如何在单个统一的区块链网络中共存。

安全性

我们已经熟悉区块链通过其密码学的使用有多么安全，但这并不能保证 100% 免受攻击，例如 51% 攻击、远程攻击和矿工可提取价值 (MEV)。以下是这些威胁的分解：

51% 攻击

当攻击者或恶意实体获得对网络计算能力或权益的 51% 的控制权时，就会发生 51% 攻击。这种类型的攻击可能发生在使用工作量证明 (PoW) 或权益证明 (PoS) 共识协议的区块链上。中本聪共识是比特币和几个其他区块链使用的机制，它将 PoW 与经济激励结合起来，以在分布式网络中的节点之间达成协议。

节点（称为矿工）必须解决复杂的计算任务（通过使用 SHA-256 算法进行哈希运算）。矿工竞争寻找一个 nonce，该 nonce 产生低于特定目标的哈希值。最长链规则是指所有节点都遵循累积工作量证明最多的链（总难度最高，而不仅仅是区块数量）的条件。如果发生分叉（几乎同时挖掘出两个区块），节点将随着时间的推移遵循更长的链。这个原则被称为概率最终性，意味着没有即时最终性——但是，添加的区块越多，以前的交易被更改或撤销的可能性就越小。通常，交易在六次确认（交易区块之后挖掘的六个区块）后被认为是安全的。

中本聪共识提供了强大的安全性。为了成功攻击网络，攻击者需要控制超过 50% 的哈希率（51% 攻击），这成本极高。但是，它仍然容易受到挖矿能力中心化的影响，大型矿池可能会控制哈希率的很大一部分。

2. 远程攻击 (PoS)

远程攻击是指攻击者创建一个比主链具有更长历史记录的区块链替代版本的情况。目标是替换合法的链并控制网络。以下是它的工作原理：

• 攻击者从一个旧区块开始，并从该点开始挖掘区块链的新版本。由于没有像 PoW 那样的能源成本，攻击者可以轻松地以极低的成本生成许多区块。
• 攻击者可能控制旧的私钥。如果发生这种情况，他们可以访问过去 token 持有者的账户，允许他们出售 coins 或创建欺诈性交易。
• 攻击者使用这些旧 coins 的所有权来验证新区块并扩展其链的版本。如果网络节点接受这个替代链，因为它更长，他们可能会将其识别为有效的链。

这种类型的攻击可能很危险，因为它可能导致区块链重组，一旦节点接受新链，就会使原始链上的所有交易无效。可能会发生双重支出，例如当攻击者在原始链上进行交易，然后用一个虚假的链替换它，其中交易从未发生过。

一些防止远程攻击的措施包括：

• 检查点 – 一些 PoS 协议实施检查点，以便在一段时间后无法修改较旧的区块。
• 最终性机制 – 以太坊上的 Casper FFG 等机制要求验证者就特定区块达成共识，从而难以更改最终确定的区块。
• 削减条件 – 如果验证者试图签署两个冲突的链，他们可能会面临处罚，从而阻止不诚实的行为。
• 受信任节点或社会共识 – 一些网络依赖受信任节点或社区协议来验证他们遵循的链是正确且合法的。

3. MEV（矿工可提取价值）

MEV 是指矿工或验证者可以通过重新排序、插入或排除区块内的交易而获得的额外利润。发生这种现象的原因是，在交易在区块链上得到确认之前，它们存在于 mempool 中，并且可以被试图利用该系统的矿工、验证者或 bot 操纵。以下是 arbitrage bot （例如抢先交易和夹层攻击）如何损害区块链安全的示例：

• 抢先交易

当 bot 或验证者看到一个待处理的交易（例如，大量 token 购买）并在其之前插入他们自己的交易时，就会发生抢先交易。这可能导致 token 价格在原始用户的交易执行之前上涨，导致他们不得不以更高的价格购买。后果包括高滑点、不公平的生态系统以及对 DeFi 平台信任度的下降。

• 夹层攻击

这是抢先交易的一种变体，其中 bot 在目标交易之前和之后都放置一个交易。

解决方案和缓解措施

诸如 MEV 保护之类的措施旨在通过允许私人交易来减少 MEV 的利用。一些项目，例如私人交易池，正在开发中，以确保用户的交易在完全处理之前对公众保持隐藏。

可扩展性

区块链中的可扩展性就像一把双刃剑——一方面，它提高了交易处理速度，但另一方面，它可能会损害去中心化。一个明显的例子是 Solana 的历史证明 (PoH) 机制，该机制允许每秒高达 65,000 笔交易 (TPS)，但由于成为验证者的高成本而牺牲了去中心化。相比之下，以太坊仅实现约 30 TPS，但拥有超过 900,000 个验证者，这使得网络明显更加去中心化。

为了在实现可扩展性的同时保持节点之间的高效通信，可以使用诸如紧凑区块和 Gossip 协议之类的技术。以下是它们的工作原理：

1. 紧凑区块

这项技术在比特币中用于在整个网络中广播新挖出的区块时减少延迟和带宽。

当矿工成功挖掘出一个新区块时，它会将该区块的紧凑版本发送给其他节点。

紧凑版本仅包括区块头和缩短的交易 ID (TXID) 列表。

接收节点随后将这些 TXID 与其 mempool 中已有的交易相匹配。

如果缺少任何交易，节点将仅请求缺失部分的完整版本。

2. Gossip 协议

这是一种通信方法，其中信息通过网络逐渐传播。

• 每个接收到新信息（例如交易或区块）的节点都会选择一个随机对等方并转发该信息。
• 接收节点然后重复相同的过程。

这个过程一直持续到网络中的所有节点都收到信息。

去中心化

去中心化是区块链的一个关键方面，因为它确保网络不受中央机构的控制。但是，区块链网络中仍然存在对中心化的担忧。有几种方法可以衡量区块链中的去中心化程度。

其中一种衡量标准是 Nakamoto Coefficient，它衡量区块链系统中的去中心化程度。这个概念由 Balaji Srinivasan 和 Leland Lee 在 2017 年的一篇论文中提出。Nakamoto Coefficient 代表控制区块链关键资源 50% 以上所需的独立实体（例如，验证者、矿池或节点）的最小数量。数量越高，系统就越去中心化。

例如，在比特币中，如果五个最大的矿池共同控制了网络哈希率的 50% 以上，那么比特币的 Nakamoto Coefficient 是 5。在权益证明 (PoS) 区块链（如以太坊）中，可以根据控制大多数 staked assets 所需的验证者数量来计算此指标。就 Solana 网络而言，该系统牺牲了去中心化以提高可扩展性，这正是区块链不可能三角所解决的困境。Solana 的去中心化程度被认为较低的原因有几个：

硬件壁垒

Solana 被认为更中心化的一个主要原因是运行验证器节点需要很高的硬件要求。Solana 使用历史证明 (PoH)，这需要等待计算来有效地验证交易。验证器必须具有高端 CPU、RAM 和存储。

CPU：最低建议是 12 核/24 线程处理器，例如 AMD Ryzen 5900X 或 Intel i9-12900K

RAM：至少 128 GB

存储：建议至少 1TB NVMe SSD

互联网带宽

由于 Solana 网络的区块链吞吐量高达每秒 65,000 笔交易 (TPS)，因此 Solana 网络上的验证器还必须具有极快的互联网连接。建议的互联网速度在 500 Mbps 到 1 Gbps 之间。这为那些无法访问高速和稳定互联网连接的人设置了额外的障碍。

• 原文链接： coinsbench.com/blockchai...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～