股权证明、分片、状态通道、侧链：一个完整的子部门已经出现，以解决区块链的三难困境并优化网络以供主流使用。
区块链三难困境指的是一种广泛持有的信念，即在任何给定时间，去中心化网络在去中心化、安全性和可扩展性方面只能提供三个好处中的两个。然而，去中心化生态系统的持续创新导致了各种各样的第 1 层和第 2 层解决方案，这些解决方案正在克服这些障碍，一劳永逸地解决三难困境。
尽管区块链技术在从金融到艺术的各个行业中证明了其卓越的实用性，但与中心化网络相比，去中心化网络的底层结构也面临着独特的挑战。早在 1980 年代，计算机科学家就开发了所谓的 CAP 定理来阐明可能是这些挑战中最大的挑战。根据 CAP 定理，去中心化数据存储——区块链是其中的一个迭代——只能同时提供三个保证中的两个：一致性、可用性和分区容错性（CAP）。在现代分布式网络的背景下，该定理已经演变为区块链三难困境。人们普遍认为，公共区块链必须牺牲其基础设施的安全性、去中心化或可扩展性。
与主导中央网络基础设施（如 VISA 或互联网）的客户端-服务器关系不同，公共区块链网络利用分散的共识机制。这意味着管理一个广泛分布的节点网络，以在能够抵御外部攻击的基础设施上达成数据共识，同时保持透明度和公平、开放的访问。这是一个挑战！例如：虽然比特币是去中心化且安全的，但它每秒只能处理大约七笔交易 (TPS)。企业区块链，如Hyperledger 的 Fabric是安全的，可以处理高交易吞吐量，但集中在数量非常有限的达成共识的节点上。快速、去中心化但不安全的区块链很容易受到长期站不住脚的黑客攻击。
因此，在广泛分散的网络上实现具有防水安全性的网络，同时能够管理互联网规模的交易吞吐量是区块链技术的圣杯。一个由企业、初创企业和技术人员组成的全球社区正在狂热地开发第 1层和第 2 层解决方案，以解决区块链这一三难困境。第 1 层是指为速度、安全性和增长而构建的区块链网络。第 2 层是指可与现有区块链网络一起使用以提高其可扩展性的技术优化和产品。在两层之间实现适当的平衡可能会成为采用区块链技术和去中心化网络发展的爆炸性催化剂。
在我们开始破译潜在的解决方案之前，了解区块链三难困境的每个组成部分很重要。
去中心化是区块链技术的核心精神，并推动整个生态系统的项目。应用分散的流程和技术消除了跨行业中介的作用，并以许多不同的方式表现出来。例如：通过将银行机构从金融工具中移除，去中心化金融 (DeFi) 平台能够将利润和治理分配给用户和更广泛的社区，而不是中介。在更基础的层面上，去中心化网络众包共识，这意味着没有一个实体可以控制或审查通过它进行交易的数据。然而，实现最佳去中心化往往会降低网络吞吐量。随着越来越多的矿工 通过共识保护网络，交易速度下降——这被认为是广泛采用的障碍。
为了增加区块链网络上的网络吞吐量，有一种动力去减少区块链节点在地理上、数量上或两者上的分布。然而，这种向更大集中度的转变会降低工作量证明(PoW) 网络的安全性。当在节点分布有限的开放网络上达成共识时，更有可能发生51% 攻击，因为黑客可以更轻松地积累散列能力。通过压倒网络，黑客可以劫持网络并操纵交易以获取经济利益。例如：2020 年 8 月，以太坊经典（ETC）区块链- 与以太坊本身无关 - 遭受了 3 次 51% 攻击，重组了 4,000 多个区块，从而允许犯罪者操纵数据并双花其 ETC 货币，导致网络价值数百万美元的损失。区块链安全是不可妥协的关键网络方面。
区块链协议的可扩展性是指其支持高交易吞吐量和未来增长的能力。这意味着随着用例的扩展和区块链技术的加速采用，可扩展区块链的性能不会受到影响。据说随着采用率的增加而表现不佳的区块链缺乏可扩展性。区块链三难困境告诉我们，更大的可扩展性是可能的，但安全性、去中心化或两者都会因此而受到影响。可扩展性是区块链网络与传统的中心化平台合理竞争的唯一途径，这些平台的网络结算时间和可用性在这一点上要优越得多。尽管许多区块链平台已经建立了去中心化和安全性，但实现可扩展性仍然是当今领先的去中心化网络面临的主要挑战。
那么我们如何才能解决区块链的三难困境，同时实现去中心化、安全性和可扩展性呢？答案以第 1 层和第 2 层解决方案的形式出现。
在去中心化的生态系统中，第 1 层指的是比特币、莱特币和以太坊等区块链协议。目前有许多正在开发或实践中的方法旨在直接提高区块链网络的可扩展性。
共识协议改进：工作量证明是目前在比特币等流行区块链网络上使用的共识协议。虽然 PoW 是安全的，但它也很慢。例如，比特币只达到了 7 个 TPS。这就是为什么许多区块链网络——也许最引人注目的是以太坊升级到以太坊 2.0——支持权益证明(PoS) 共识机制的原因。PoS 共识协议不是要求矿工使用大量计算能力来解决加密算法，而是根据网络中的股份来确定验证者的状态。预计这将从根本上显着提高以太坊网络的容量，同时增加去中心化并确保安全性。
分片：分片改编自分布式数据库，并已成为最受欢迎的第 1 层扩展解决方案之一，尽管它在区块链领域具有一定的实验性质。分片将事务分解为更小的数据集，称为“分片”。这些分片由网络同时并行处理，允许同时对大量事务进行顺序工作。此外，不是让每个网络节点都持有创世以来每个区块的副本目前，这些信息可以由不同的节点拆分和保存，每个节点都保持与自身一致。分片向主链提供证明，并使用跨分片通信协议相互交互以共享地址、余额和一般状态。以太坊 2.0 是一种备受瞩目的区块链协议，与 Zilliqa、Tezos和Qtum一起探索分片的使用。
在区块链中，第 2 层是指在底层区块链协议之上运行以提高其可扩展性和效率的网络或技术。例如，比特币是第 1 层协议，闪电网络是第 2 层解决方案，旨在提高比特币网络的交易速度。近年来，第 2 层协议经历了巨大的发展，并且被证明是克服 PoW 网络可扩展性挑战的最有效方法。
嵌套区块链：嵌套区块链是一种去中心化的网络基础设施，它利用主区块链为更广泛的网络设置参数，同时在互连的二级链网络上执行。在这条主链上构建了多个区块链级别，这些级别使用父子连接。父链将工作委托给子链，子链在完成后将其发送回父链。除非需要解决争议，否则底层基础区块链不参与网络功能。OMG Plasma 项目是第 2 层嵌套区块链基础设施的一个例子，该基础设施在第 1 层以太坊上使用，以促进更快、更便宜的交易。这种模式下的工作分配减少了主链的处理负担，从而成倍地提高可扩展性。
状态通道：状态通道使用各种机制促进区块链和链下交易通道之间的双向通信，以提高整体交易能力和速度。状态通道不需要矿工立即参与来验证交易。相反，它是一种网络相邻资源，通过使用多重签名或智能合约机制进行密封。当一个交易或一批交易在状态通道上完成时，“通道”的最终“状态”及其所有固有的转换都会记录到底层区块链中。Liquid Network、Celer、Bitcoin Lightning 和 Ethereum 的 Raiden Network 都是状态通道的例子。在三难权衡中，状态通道牺牲了一定程度的去中心化以实现更大的可扩展性。
侧链：侧链是用于大批量交易的与区块链相邻的交易链。侧链使用独立于原链的共识机制，可以优化速度和可扩展性，而实用代币通常用作侧链和主链之间数据传输机制的一部分。主链的主要作用是维护整体安全和争议解决。侧链以多种整体方式区别于状态通道。首先，侧链交易在参与者之间不是私密的——它们被公开记录到分类账中。此外，侧链安全漏洞不会影响主链或其他侧链。建立侧链需要大量的努力，因为基础设施是从头开始构建的。
尽管区块链三难困境对采用区块链技术提出了重大挑战，但正在出现解决方案以在网络安全性、去中心化和可扩展性之间找到有效且同步的平衡。虽然 CAP 定理已经成立了近 40 年，但第 1 层和第 2 层解决方案的实施以及区块链中权益证明的出现正接近将范式转向分散式网络，即分布式、安全和可扩展。