比特币的扩展性问题

区块链领域存在一个“不可能三角”，指去中心化、安全性和可拓展性三者最多只能的其二。比特币作为人类历史上第一种加密货币，在去中心化和安全性两个方面做到了极致，但在可拓展性层面却有所欠缺。对比特币网络来说：

每秒交易量 TPS = 每区块包含交易数 / 出块时间
每区块包含交易数 = 区块大小 / 每笔交易所占空间
目前，比特币网络大概 10 分钟出块 1 次，每个区块空间为 1 Mb。假交易的平均大小为 0.25kb，那么一个区块约包含 4000 条交易信息，计算得到的 TPS 约为 7，即每秒只能处理 7 条交易，这显然不能满足快速增长的使用需求。
为了解决比特币的可拓展性问题，人们提出了多种解决方案，基本的可以分为 Layer 1、Layer 2 扩容方案两类

Layer 1 扩容方案：分叉和隔离见证
Layer 1 指比特币区块链本身，而Layer 1扩容方案则是指修改区块链本身的性质，从而提高TPS。

根据公式TPS = 区块大小 / (出块时间 * 每笔交易所占空间) ，提高区块大小，减少出块时间，压缩交易所占空间就成为了提高比特币TPS的直接思路。但受到物理世界信息传输速度的限制，减少出块时间将会大大降低系统的安全性，人们主要考虑的是另外两种思路——扩块和压缩交易空间。

比特币分叉：扩块提高 TPS
“扩块” 就是提升每个区块的容量大小，可说是提高比特币 TPS 的最直观方案。

历史上，扩块诉求导致比特币发生两次重大分叉，因而出现 BCH 及 BCHSV 这两个新区块链及代币。分岔本质上是複製一份比特币的核心代码，并按诉求更改其中部分程式码以实现性能的优化，然该方法仍有利弊需要权衡

比特币分叉，源于社区对未来发展方向出现分歧

因为比特币是一种开源的区块链技术，它的发展由许多志同道合的社区成员共同维护。当社区成员对于比特币的未来发展方向意见分歧时，就有可能导致分叉的发生。

例如，有社区成员可能希望提升比特币的区块容量，完成更好的可扩展性，以减少交易等待时间和费用。但另一些社区成员可能认为，应保有原来的区块大小，以保证网路的安全性；又或是由于技术上的原因，对比特币的共识协议有不同看法 … 以上类似的意见分歧，就有可能导致分叉的发生。

2017 年分叉出 BCH 比特币现金，2018 年基于 BCH 分叉出 BCHSV

2017年8月，部分支持扩块升级的矿工集结算力，对比特币进行了分叉，产生了BCH（比特币 Cash），并将比特币区块大小提升到了8Mb。到了2018年11月，BCH社群中的激进成员又分叉出BCHSV，支持所谓”超大区块“乃至”无上限区块“扩容方案。

区块大小增加节点门槛提高，分叉后安全性无法保证

但最为扩容方案来说，简单加大区块容量存在诸多问题。随着单一区块大小的增加，单一节点的硬件负担也会显著提升，许多无力负担相关硬件的节点将会逐渐退出网络。

此外，区块大小增加而节点间数据传输速度、节点数据处理难以增加，这将使得比特币系统的安全性、稳定性遭到威胁。因此，大区块的扩容方案实际上是以去中心化和安全性为代价的。

Segwit 隔离见证 ：分离交易讯息以压缩数据大小
在比特币设计之初，中本聪将包含交易的区块大小限制在了1Mb，其中交易数据既包含相关交易基本信息，还包含交易参与者的签名信息。而隔离见证技术，则是通过把脚本签名从交易信息中分离出来，集中存放在区块头中，在不违背区块审核规定的情况下，变相将区块中所能包含的交易数目增加了约 40%

反映在比特币地址上，以 3 或 bc 等字符开头的是支持 Segwit 的钱包地址，以数字 1 开头的地址则是老地址

在 Blockchain.com 上查询近期的比特币出块信息，可以发现大多数区块都使用了 Segwit 技术。也由于此，这些区块的实际大小超过了1Mb。此外，2021年11月14日，比特币网络还在隔离见证的基础上进一步推动了Taproot升级，进一步提高了网络的稳定性、安全性和隐私性。

Layer2 扩容： Lighting Network 闪电网路
Layer2 扩容又称链下扩容，是指在主链外部进行扩容的性能解决方案，它通过在比特币区块链之上建立另一层网路，以提高比特币网路的交易能力和效率

常见的 Layer2 解决方案有侧链（ Side Chain ）、Plasma、状态通道（ State Channels ）、Rollup等。对于比特币而言，最主要的 Layer 2 解决方案是 2015 年诞生的 Lighting Network 闪电网络

Lighting Network 闪电网路
比特币闪电网路是一种分散式的支付系统，旨在使比特币的交易更快速、更安全、更经济。由于比特币网路的交易需要经过多个节点的确认，才能被记录到区块链上，因此交易的速度可能会很慢。

此外，每笔交易都需要付出交易费，这可能会使小额交易成本高昂。闪电网路的即是为解决以上问题而诞生

整合多用户间的支付通道，汇总交易讯息发佈至主网

其本质上是在两个用户之间创建支付通道，从而实现链下交易（ 通常是小额支付 ），进而缓解主链交易需求，确保交易能够更快被处理。闪电网络节点能将多个用户间的支付系统通道连接在一起，最后将所有的通道信息整合成一笔交易，发送到比特币主网进行永久记录

因此在支付通道中，只有第一笔和最后一笔交易在比特币区块链上生效，双方所有的其他交易都属于链下交易。

交易双方需要提交一定数量的比特币来启动支付通道，这一通道也将被保存在比特币区块链中，直至被停用或者关闭。交易双方可以在此支付通道中交易的比特币总量不超过提交的比特币数量，但可以无手续费地进行无限量笔交易。

闪电网路缺点：速度仍受限主链、节点安全性、使用门槛较高

乍看下闪电网路，似乎能很好解决比特币的扩展性 ？其实不然，它至今仍未被大幅採用，仍有以下有限制：

速度仍受限主链效能：闪电网路的交易速度仍然受到区块链的限制，最大的交易速度只有每秒数十笔
安全性问题：由于闪电网路是分散式的，因此它的安全性取决于各个节点的安全性。如果某个节点出现安全漏洞，那麽整个闪电网路就有可能受到影响
使用难度问题：目前，闪电网路仍然存在使用难度问题