什麼是Nexa及其如何實現可擴展性？

深入瞭解 Nexa：具擴展性的第一層 (Layer-1) 區塊鏈

Nexa (NEXA) 是第一層 (Layer-1) 區塊鏈領域中備受矚目的競爭者，由 Bitcoin Unlimited 於 2022 年推出。該團隊以其在比特幣開發方面的深厚根基及對擴展方案的專注而聞名。Nexa 的核心設計旨在成為一個強大的點對點電子現金系統，能夠以前所未有的規模處理全球交易。Nexa 運行於工作量證明 (PoW) 共識機制，並利用未花費交易輸出 (UTXO) 模型，致力於克服歷史上一直困擾許多區塊鏈網絡的內在擴展性限制。其主要目標是實現一個每天能高效、安全且低成本地處理數十億次交易的未來，同時不犧牲去中心化。這一雄心勃勃的目標是通過結合創新技術和架構優化來實現的，我們將在下文詳細探討。

區塊鏈擴展性的持久挑戰

在深入研究 Nexa 的特定解決方案之前，了解大多數公鏈面臨的基本擴展性困境至關重要。「區塊鏈三難困境」(blockchain trilemma) 指出，去中心化網絡只能在三個理想屬性中實現其中兩個：去中心化、安全性和擴展性。早期的區塊鏈，特別是比特幣，優先考慮去中心化和安全性，往往以犧牲交易吞吐量為代價。結果，網絡可能會變得擁堵，導致交易確認緩慢和手續費高昂，使其不適合在全球範圍內進行日常微型交易。

主要的瓶頸通常體現在以下幾個方面：

• 交易處理： 單個節點驗證和處理交易的速度。
• 區塊大小與吞吐量： 單個區塊中可以包含的數據量以及區塊挖掘的頻率。
• 區塊傳播： 新挖掘的區塊傳輸到整個網絡所有節點所需的時間。傳播速度較慢會導致較高的孤塊率 (orphan rates) 並降低網絡安全性。
• 狀態膨脹 (State Bloat)： 區塊鏈帳本和網絡狀態的規模不斷增加，這會使新節點難以同步和參與，從而威脅去中心化。

應對這些挑戰需要多管齊下的方法，針對區塊鏈架構的各個層級進行改進。Nexa 的策略正是如此：通過一套全面的增強功能，正面解決這些瓶頸，旨在實現交易能力的飛躍。

Nexa 實現大規模擴展的多方位策略

Nexa 的設計整合了幾項關鍵創新，以履行其全球擴展性的承諾。這些解決方案協同工作，優化了從交易驗證到區塊傳播以及整體網絡效率的各個環節。

基石：UTXO 模型與工作量證明

Nexa 建立在由比特幣推廣、經受時間考驗的 UTXO 模型之上，並通過工作量證明 (PoW) 共識機制來確保網絡安全。

• 未花費交易輸出 (UTXO) 模型： 在 UTXO 模型中，交易消耗現有的 UTXO 並創建新的 UTXO。與存儲餘額的賬戶制系統（如以太坊）不同，基於 UTXO 的系統追蹤單個價值單位。這種設計為擴展性提供了幾個優勢：
  • 並行處理： 多個獨立的 UTXO 可以並行處理，顯著提高了交易驗證的效率，因為節點不需要協調單一的全局狀態。
  • 增強的安全性和隱私性： 每個 UTXO 都是一個原子單位，使雙重支出 (double-spending) 更加困難，並通過模糊「帳戶」的完整交易歷史提供更好的隱私保護。
  • （相對）無狀態性： 雖然 UTXO 集本身是狀態，但單個交易更具自包含性，減少了節點存儲和更新複雜帳戶狀態的需求。
  • 交易聚合： UTXO 模型本質上允許在單次交易中聚合多個輸入和輸出，這可以針對批處理進行優化。 雖然 UTXO 模型有很多好處，但管理不斷增長的 UTXO 集也可能帶來挑戰，因為它需要節點具備更多內存。Nexa 的解決方案旨在減輕這些潛在的缺點。
• 工作量證明 (PoW)： PoW 是 Nexa 安全性和去中心化的核心。礦工競爭解決密碼學難題，第一個找到答案的人可以向區塊鏈添加一個新的交易區塊。雖然這個過程耗能，但它提供了強大的安全性來抵禦攻擊，並確保了區塊創建的公平、去中心化機制。Nexa 使用自定義算法，旨在隨著時間推移對 ASIC 友好，但最初可供 GPU 挖掘，以促進更廣泛的參與。PoW 提供的安全性是 Nexa 擴展方案的基石，確保增加吞吐量的同時不會損害網絡完整性。

硬體優化：最大化節點效率

Nexa 擴展策略的一個關鍵方面在於其所謂的「硬體優化」。這並非要求「用戶」甚至「挖礦」必須使用專門的定制硬體（儘管高效挖礦是 PoW 的一部分）。相反，它是指優化核心區塊鏈軟件和算法，以最有效地利用「標準」計算硬體，特別是針對網絡節點。

這包括：

• 高效代碼庫： 編寫高度優化的代碼，以減少交易驗證、簽名核對和區塊處理等關鍵操作的 CPU 週期和內存佔用。這可能包括使用先進的數據結構和算法。
• 節點層級的並行化： 利用現代電腦中常見的多核心處理器同時執行多個任務。例如，一個區塊的不同部分或不同組別的交易可以並行驗證，從而大幅縮短每個區塊的總處理時間。
• 優化的數據庫管理： 區塊鏈狀態（如 UTXO 集）的高效存儲和檢索至關重要。Nexa 可能採用先進的數據庫解決方案和索引技術，以確保快速訪問必要數據，防止磁碟 I/O 成為瓶頸。
• 簽名聚合（未來潛力）： 雖然未明確說明已全面實施，但「硬體優化」通常暗示或支持未來功能，如簽名聚合技術（例如 Schnorr 簽名，這已是 Bitcoin Cash/SV 系列的一部分，也是 Bitcoin Unlimited 的根基所在），可以將多個簽名壓縮為一個，減少交易大小和驗證負載。 通過確保每個節點在現有硬體能力下每秒處理更多交易，Nexa 有效提高了網絡整體吞吐量的上限，而不需要昂貴的伺服器設置，從而保留了去中心化。

利用 Graphene 進行交易壓縮

Nexa 利用 Graphene（一種先進的區塊傳播協議）來大幅減少節點在網絡中傳輸的數據量。傳統的區塊傳播方法涉及將整個新區塊發送給所有連接的節點，這可能會消耗大量帶寬且速度緩慢，對於較大的區塊尤其如此。Graphene 通過實施高效的區塊壓縮技術來解決這個問題。

Graphene 的運作方式大致如下：

1. 布隆過濾器 (Bloom Filters)： 當礦工創建新區塊時，他們不發送完整區塊，而是先使用布隆過濾器發送區塊交易的簡要摘要。布隆過濾器是一種概率性數據結構，可以快速判斷一個元素「可能」在集合中，且誤報率極低。
2. 記憶體池匹配： 接收節點將布隆過濾器與其本地「記憶體池」(mempool，未確認交易的臨時存儲區) 中的交易進行比較。由於交易傳播效率高，大多數節點的記憶體池中會有大量重合的交易。
3. 請求缺失交易： 根據比較結果，接收節點可以識別新區塊中「可能」缺失的交易（即不在其記憶體池中但布隆過濾器顯示存在的交易）。然後，它僅向發送者請求這些特定的缺失交易。
4. 重組： 一旦接收節點收到缺失的交易，它就可以在本地重構完整的區塊。

這一過程顯著減少了傳輸的數據量，因為發送的只是一個小的布隆過濾器和少數缺失交易，而不是完整區塊中成千上萬的交易。Graphene 的效率使大區塊能夠以更快的速度傳播，且網絡負擔更小，直接支持了 Nexa 高交易吞吐量的目標。

利用 Xthinner 增強區塊傳播

除了 Graphene，Nexa 還整合了另一種頂尖的區塊傳播協議 Xthinner。Xthinner 進一步提升了區塊壓縮的概念，旨在實現趨於零延遲的區塊傳播。它通常被認為是早期「薄區塊」(thin block) 技術（如緊湊區塊或 Graphene）的改進版，實現了卓越的壓縮率。

Xthinner 的核心原理是利用大多數新區塊內的交易已經被廣播並存在於連接節點的記憶體池中這一事實。Xthinner 不傳輸整個交易數據，而是專注於僅分享這些交易的唯一識別碼。

簡化流程如下：

1. 交易 ID (TxID) 核心： 當礦工發現新區塊時，他們會生成該區塊中包含的所有交易 ID (TxID) 列表。
2. 短 ID (Short IDs)： 這些 TxID 隨後使用巧妙的概率映射函數轉換為極短、固定大小的「短 ID」。這是實現極端壓縮的關鍵步驟。
3. 最小化數據傳輸： 礦工廣播區塊頭、這些短 ID 的壓縮列表，以及任何「預期不在」接收者記憶體池中的交易完整數據（例如，礦工生成的幣基交易，或剛剛廣播的交易）。
4. 本地重組： 接收到這些高度壓縮的數據後，節點使用短 ID 在其自身的記憶體池中查找完整的交易數據。如果一個短 ID 對應於其記憶體池中的唯一交易，則使用該交易。如果發生碰撞（多個交易映射到同一個短 ID —— 這是協議處理的罕見情況），或者交易確實缺失，節點會針對這些特定情況請求完整的交易數據。

其結果是產生了一種極其高效的傳播機制，即使是非常大的區塊也可以在幾毫秒內在網絡中傳輸。這種快速傳播減少了「孤塊」（同時挖掘且發生衝突的區塊）的可能性，從而建立一個更穩定、更安全且具有更高有效吞吐量的區塊鏈。

其他擴展手段：增加區塊大小與並行處理

除了特定的協議外，Nexa 的擴展策略還包括：

• 自適應區塊大小： 雖然可以配置特定的限制，但 Nexa 的架構旨在處理比傳統區塊鏈大得多的區塊，潛力可達 GB 級別。Graphene 和 Xthinner 的效能減輕了傳播瓶頸，使如此大的區塊變得可行。
• 增加交易吞吐量： 硬體優化、基於 UTXO 的並行處理和高效區塊傳播的結合，使 Nexa 能夠每秒處理極大量級的交易。這對於支持全球化、高頻支付網絡至關重要。

擴展性之外：Nexa 網絡的核心功能

雖然擴展性是 Nexa 的主打特色，但該網絡還提供了一系列功能，旨在為開發者和用戶營造充滿活力的生態系統。

原生代幣發行

Nexa 在其第一層區塊鏈上直接提供原生代幣發行的內置支持。這意味著用戶和企業可以創建自己的自定義代幣，而無需依賴智能合約平台或複雜的二層網絡。

Nexa 原生代幣的主要優勢包括：

• 低手續費： 涉及原生代幣的交易繼承了 Nexa 網絡本身的低費用和高吞吐量。
• 安全性： 代幣受益於與原生 NEXA 幣相同的強大安全模型，由網絡的工作量證明提供保障。
• 易用性： 發行代幣通常比開發複雜的智能合約更簡單、更流暢。
• 多樣化應用： 原生代幣可以代表任何東西，從穩定幣和功能型代幣到忠誠度積分、數字收藏品或現實世界資產。這項功能為直接在 Nexa 上進行各種去中心化金融 (DeFi) 應用和代幣化經濟打開了可能性。

智能合約能力

Nexa 通過支持智能合約將其用途擴展到簡單的價值傳輸和代幣發行之外。這些自動執行的協議（條款直接寫入代碼）支持創建去中心化應用程式 (dApps) 和複雜的金融工具。

Nexa 的智能合約方法旨在實現：

• 可擴展性： 旨在利用底層的高吞吐量架構，確保智能合約的執行不會隨著網絡規模的擴大而成為瓶頸。
• 安全性： 建立在強大的 PoW 基礎之上，為合約執行提供安全的環境。
• 靈活性： 為開發者提供工具來創建廣泛的去中心化服務，從借貸協議和去中心化交易所 (DEX) 到遊戲和身份識別方案。 原生代幣與智能合約的結合，使 Nexa 成為一個多功能平台，能夠支持廣泛的用例，而不僅僅是點對點現金。

即時交易（零確認）

Nexa 旨在通過通常被稱為「零確認安全性」的概念來實現「即時交易」。雖然從技術上講，交易只有在被包含在區塊中並經過後續區塊確認後才是不可篡改的，但 Nexa 的設計最大限度地降低了未確認交易的雙花風險。

這是通過以下方式實現的：

• 快速區塊傳播： Graphene 和 Xthinner 等技術確保交易迅速在網絡中傳播，並以最小的延遲包含在區塊中。
• 確定性交易排序： Nexa 可能會納入某些功能或規則，使衝突交易更難被網絡接受，從而對「首見交易」將被確認這一點提供高度信心。
• 並行交易驗證： UTXO 模型並行處理交易的能力，使得策劃雙花攻擊變得更加困難，因為網絡旨在快速驗證並接受合法交易。

對於日常消費和低額交易，這種「即時」體驗（收款人即使在區塊確認之前也能對付款立即到帳持有極高信心）對於主流採用至關重要。

去中心化與安全性

Nexa 對工作量證明的堅持奠定了其去中心化和安全模型的基礎。

• 去中心化： PoW 確保沒有單一實體或小團體可以控制網絡。挖礦向任何願意投入計算能力的人開放，實現了控制權的分散。對「節點」硬體優化的關注也確保了運行全節點不會變得異常昂貴，允許更多參與者獨立驗證區塊鏈，這對去中心化至關重要。
• 安全性： 創建區塊（以及逆轉交易）所需的巨大計算工作量使 PoW 網絡能夠極強地抵禦雙花等攻擊。區塊鏈越長，交易就越安全。這種強大的安全模型是任何全球金融系統不可逾越的基石。

全球點對點應用的願景

Nexa 的架構選擇和技術創新共同指向一個明確的宏偉願景：創建一個全球化、無須許可且開放的點對點電子現金系統。這意味著讓任何人在任何地方都能發送和接收價值，無需中介、高昂費用或延遲。

Nexa 預見的未來包括：

• 微型交易變得可行： 支付一杯咖啡或跨境轉帳小額資金變得像發送電子郵件一樣無縫且廉價。
• 擴大金融普惠： 欠發達地區的個人可以通過行動裝置直接獲得強大的金融服務。
• 去中心化應用程式蓬勃發展： 開發者可以在高度擴展且安全的底層上構建創新的 dApps，開啟數字商務和互動的新範式。
• 代幣化經濟欣欣向榮： 企業可以輕鬆發行和管理自己的數字資產，並將其整合到運營和客戶體驗中。

通過細緻地解決區塊鏈技術已知的限制，特別是在吞吐量和延遲方面，Nexa 旨在釋放真正全球數字經濟的全部潛力。

結論與未來展望

Nexa 代表了在不犧牲去中心化和安全性核心原則的前提下，突破區塊鏈擴展性界限的重要嘗試。通過將 UTXO 模型和工作量證明經證明的魯棒性，與 Graphene 和 Xthinner 等先進傳播協議以及深度的硬體優化相結合，Nexa 構建了一個為前所未有的交易量而設計的框架。

原生代幣發行和智能合約能力的加入，進一步將 Nexa 定位為一個多功能的 Layer-1 平台，能夠支持多樣化的去中心化應用並促進各個領域的創新。儘管實現全球規模的區塊鏈採用面臨巨大挑戰，但 Nexa 的技術路徑為未來幾十年如何運作一個真正高吞吐量、低費用且安全的點對點電子現金系統提供了極具競爭力的願景。隨著網絡的不斷成熟及其能力在現實需求下的進一步檢驗，Nexa 旨在展示其成為新時代數字金融基礎層的潛力。