以太坊:深度丨以太坊扩容迫在眉捷，Layer2 能否力挽狂澜？

作者：MikaHonkasal

翻译：lily

摘要

Ethereum的可扩展性有限，交易费用正在不断上涨。用户经常要为与许多常用的智能合约支付约50美元。

增加区块链的交易吞吐量是一件具有挑战性的任务，因为交易必须由参与共识的每个节点处理。

最有希望的Layer2扩展解决方案是ZKRollup和OptimisticRollup，它们是为了解决之前Plasma实现的弱点而开发的

用Layer2技术扩展区块链

区块链牺牲了计算和存储的效率以获得更好的信任。用户可以相信他们所做的交易在未来是有效的，而开发者可以相信他们的代码总是可以供用户使用的。

这是因为区块链上的数据具有极高的冗余度。交易必须由每一个参与维护区块链的节点来处理，而且不断扩大的交易数据集必须永远存储。在这个过程中保持较低的进入门槛，可以使区块链保持去中心化。

如今，最常用的区块链是比特币和以太坊。每一个区块每秒大概可以分别处理5笔和15笔交易。在以太坊中，交易不仅仅是点对点的支付，还有更复杂的智能合约交互，需要比普通交易更多的处理能力。

根据节点实现的不同，以太坊区块链规模为160GB，近期去中心化金融产品的需求加速了增长。昨天，用户支付了370万美元的交易费用和450万美元的通胀补贴来处理和存储他们的交易。GasPrice上涨导致许多最常用的智能合约交互费用在5-50美元之间，用户需要支付基本的交互费用。对于比特币来说，每笔交易的平均费用接近5美元。

广西将推动区块链等现代科技与司法行政工作深度融合:2月26日，记者从广西全区司法行政暨党风廉政建设工作会议上获悉，今年广西将扎实开展“司法行政为民服务质量提升年”活动，通过深化法治建设实践，强化司法行政基层基础和信息化建设，全面提升法治建设和司法行政工作水平。在强化基层基础和信息化建设方面，通过积极探索“区块链+法治”“区块链+法律服务”建设，推动大数据、人工智能、区块链等现代科技与司法行政工作深度融合，着力提升司法行政保障水平。（广西日报）[2020/3/2]

如何扩展区块链

有效的区块链扩展解决方案可以增加数据存储或计算能力，而不会给维护区块链的节点增加大量成本。

请注意，要想在扩展方面取得进展，需要能够实现指数级改进的解决方案。以最大的容量运行时，以太坊处理的交易数量微乎其微，相比之下，它上面的活动才能被称为真正的、可观的经济活动。

2015年关于改变比特币区块大小的备受瞩目的辩论是一个很好的例子，它说明了在宏伟的计划中，精力被浪费在一个相对微不足道的改进上。2-8倍的改进可能对缓解短期压力很有用，但它也给所有节点带来了未来更高的交易处理成本。这就限制了可以参与共识的人群，从而降低了去中心化程度。

在底层扩展区块链的主要解决方案不应该是增加所有节点的成本，而是将交易验证工作分割成更小的碎片。分片是许多顶级区块链项目扩展的方式--包括NEAR、Ethereum2.0和Polkadot。通过从区块链的全局验证器池中随机抽样和轮换每个碎片的验证器，可以证明由此产生的安全性与使用整个验证器池接近。

声音 | 贵阳市委书记：要加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合和应用:11月28日，“贵阳政法大数据工程”顶层设计发布仪式和“政法大数据重点实验室”“中国政法大学政法大数据研究中心”揭牌仪式在筑举行。省委常委、贵阳市委书记、贵安新区党工委书记赵德明出席并讲话。赵德明指出，要加快区块链和人工智能、大数据、物联网等前沿信息技术的深度融合和应用，创造更多的大数据政用、商用、民用应用场景，构建科学化、精细化、智能化的城市治理新模式。要建立完善适应大数据健康有序发展的法律治理体系，加快制定数据资源确权、开放、流通、交易等相关法规制度，以良法善治促进数字文明发展。[2019/11/29]

"Layer2"扩展解决方案的常见定义一般是指任何连接到以太坊的系统，它通过将交易批量化到主区块链，帮助提高交易处理能力。

然而，随着互操作性解决方案变得越来越普遍，什么是侧链和Layer2技术，更好的分类取决于底层安全模型。侧链可以是特定于应用的，也可以是通用的，并对自己的安全性负责。Layer2的安全性来自于底层区块链。

Layer1区块链如NEAR和Solana有自己的验证人，负责区块生产，但已经建立了与以太坊的桥梁，将允许在链之间进行代币转移。tBTC有效地使比特币成为以太坊的侧链。

从比特币的角度来看，以太坊的验证人可以窃取用户的资金。这意味着如果以太坊是比特币的侧链，那么两者没有共享的安全性，因为比特币无法对以太坊执行其规则。这就是为什么Liquid不能被认为是比特币的完全安全的侧链--它有自己的验证人，可以窃取用户的资金。

这些模式一般有两种不同的类型：状态通道和非托管侧链。对于这些方法，一般模式大约是：

资产可以从链上移动到链下环境。

动态 | 全国法院民商事审判工作会议强调加快实现区块链技术等与民商事审判深度融合:据界面报道，全国法院民商事审判工作会议于7月3日召开，会上强调，进一步健全审判工作机制，大力推进多元化纠纷解决机制和现代化诉讼服务体系建设，加快实现人工智能、5G、区块链技术等现代科技与民商事审判深度融合。[2019/7/3]

交易在链外环境中进行。

链外发生的快照会提交给底层区块链。

通过在经济上激励参与者提交正确的数据--或者通过向底层区块链提供完整证明--来保证安全性。

状态通道

状态通道是支付通道的一般形式，这也是比特币的闪电网络所建立的技术。

彼此之间要开通一个状态通道，用户将区块链的部分状态锁定在一个智能合约中。在通道中，用户可以通过签署按顺序排列的交易来更新彼此的状态。如果发生纠纷或要退出通道，用户将最新更新的状态发送给底层区块链，最新更新的状态就是真相。状态通道可以很好地保护隐私，因为交易对底层区块链是隐藏的，只登记用户的进入和退出。

从概念上看，状态通道很简单，但其设计有一些固有的局限性。

状态通道需要用户保持在线监控通道，以防其他用户试图用旧信息退出。它们也不太容易通用于轻松构建智能合约，因为对于开发者来说，与这些渠道进行交互比仅仅部署现有的智能合约代码更加复杂。

动态 | 山东省政府发布通知将推动区块链等技术深度融合:据齐鲁网3月20日报道，今日，山东省人民政府办公厅发布关于印发数字山东2019行动方案的通知，通知指出，要加快推动大数据产业创新发展，推动大数据与云计算、人工智能、物联网、区块链、虚拟现实等技术深度融合。[2019/3/20]

此外，状态通道的资本使用效率低下，因为它们需要高额的抵押品。

从Plasma到Rollup

长期来看，可能更重要的一类Layer2扩展解决方案是非托管侧链。这是因为它们有可能在上面运行去中心化的金融和其他Web3应用。

非托管侧链的关键在于，用户可以上链和下链，其性能容量比L1区块链高得多，而不必信任侧链的操作者，即拥有与在以太坊主链上交易时相同的安全保障。

最初有希望的非托管侧链设计是Plasma，几年前它被炒作成扩展区块链的银弹。以安全和用户友好的方式实现Plasma的复杂性导致这种模式失宠。

Plasma建立在一个简单的前提下。如果Plasma链上的验证者试图向底层区块链提供关于状态转换的错误信息，即通过提供不正确的余额带着用户资金退出链，用户可以挑战这些信息，并构建自己的证明，证明Plasma链上发生了什么交易。

在实践中，Plasma遇到了一系列需要解决的并发症。比如：

欢乐撒币与TokenBook达成深度战略合作，将共同推进区块链基础知识普及:今天上午，区块链知识普及小程序“欢乐撒币”与TokenBook项目方达成深度战略合作。“欢乐撒币”自上线半个月以来，颇受行业参与者欢迎，已经累计了近五万用户；TokenBook将在”欢乐撒币“小程序里持续5天送出共计10万枚TBCoin给答题通关用户。双方希望通过此次合作，向更多行业外用户普及区块链知识，传递区块链精神。[2018/4/14]

数据不可用一种攻击，Plasma链的验证者可以向底层链发布数据，但将交易数据留给自己。这样一来，用户就没有必要的数据来挑战验证者提供的信息。

在线要求。要求每个用户必须保持在线，并在恶意Plasma链验证者退出的情况下监控所有交易。

大规模退出问题。如果所有用户都需要退出Plasma链，那么整个Plasma链的状态就必须发布到底层区块链上，对于以太坊来说，这样的证明规模实际上是不可能处理的。

虽然

Plasma现金等新的迭代为现有问题提供了解决方案，但确保用户资金安全退出的新问题不断出现。2018年12月，

化名BarryWhiteHat以零知识证明的形式提供了这个问题的解决方案。

在ZKRollups中，侧链的验证者收集--或卷展--许多交易，以生成一个简洁的zk证明，证明所有进行的交易都是有效的。然后将证明发布在Ethereum链上。

这种方法完全避免了用户能够安全退出Plasma链的复杂性。但是，这种方法也有两个普遍的缺点：

在Ethereum链上发布的zk-proof的规模很大--这意味着与Plasma相比，zk-Rollups牺牲了最大的交易吞吐量。

以一般的方式构建简洁的zk-proof来执行智能合约是很困难的。目前，ZKRollups更多的局限于代币转让等特定操作--虽然，去中心化交易所Loopring已经在主网上线，并建立在ZK-Rollups上。

OptimisticRollups类似于Plasma，但区别在于所有的交易数据必须在链上提供--向底层区块链提供比Plasma更多的交易数据，并允许任何人构建交易有效性证明。具体来说，必须将足够多的数据发布到以太坊链上，以重建整个OptimisticRollups侧链的状态。

虽然这种方法牺牲了交易处理的另一个指数，因为必须在链上发布更多的数据，但与ZKRollups相比，Optimism的方法允许实现智能合约的灵活性和与Ethereum虚拟机的兼容性。

作为一个缺点，OptimisticRollups需要1-2周的争议期，以确保用户有足够的时间来争议无效的状态转换。加快退出过程的解决方案是建立一个退出市场，用户可以卸载所持侧链的风险。

虽然从底层区块链中获取安全性听起来是最安全的选择，但有一种观点认为，应用程序负责自己的安全，只使用"Layer1"区块链作为在特定应用程序链之间传输消息的方式，是一种模式。

这就是Cosmos设计背后的理念。这个理念是，应用与基础层相比，可能会因为太有价值而成为基础层安全的寄生虫。应用程序支付的费用不一定会随着它们所促进的价值转移而扩展，这些应用程序可能会变得比底层区块链更有价值，导致例如以太坊成为应用程序的安全弱点。

这确实在用户体验方面带来了额外的障碍。在一个侧链的生态系统中，用户必须独立地信任他们与之交互的每个侧链的安全性。

在实践中会起作用

状态通道最有可能在处理某些应用的交易中发挥作用。例如，GraphProtocol正计划为数据库索引服务实现状态通道支付--而且状态通道足够灵活，也可以为条件支付编码简单的规则。

在特定应用链中，SKALE计划在年底前推出，并将带来与Ethereum互通的特定应用链。此外，通往NEAR协议和Solana的桥梁有望为整个生态系统带来更多的可扩展性--尽管两者都可以被视为以太坊的竞争对手。

在这些情况下，应用程序可以将其功能扩展到以太坊之外，可能会减少生态系统对单一链的依赖。例如，FluxMarket--NEAR上的预测市场协议，将在MakerDAO的去中心化稳定币DAI中提供投注市场。

ZKRollups和OptimisticRollups都是将应用拴在以太坊生态系统上的解决方案，因为它们建立在上面并依靠以太坊提供安全保障。例如，去中心化交易所Loopring建立在ZKRollups上，7月份处理了1760万美元的交易量。

开发OptimisticRollups最知名的团队是Optimism之前是PlasmaGroup，顾名思义，它在之前从事Plasma的实现工作。2020年1月，该团队从Paradigm和IDEO筹集了350万美元的风险资金。OptimisticRollups已经在Ethereumtestnet上用Unipig进行了演示，Unipig是Uniswap的一个版本，用于相互交易"UNI''和"PIG"代币。

对于这些解决方案中的每一个，仍然存在的大问题集中在可组合性上。在Ethereum上，智能合约能够相互同步调用。这种可组合性的缺乏改变了终端用户的体验，因为从Rollup链上跳上跳下会引入存款与提款的摩擦。

这与当今Web3用户体验最好的部分之一形成鲜明对比，用户可以通过单一的Metamask点击与所有应用进行交互。

如果应用程序将自己部署到自己的侧链中，即使是在较差的可扩展性方面，OptimisticRollups仍然提供了10-30倍的交易处理能力，这应该给以太坊足够的空间。Ethereum2.0有助于这些可扩展性解决方案，因为它为数据的发布提供了更多的空间。

Ethereum2.0将分三个阶段推出，其中最后一个阶段将启用智能合约。然而，已经在第二阶段之后，使用以太坊作为数据层，可以将交易处理能力提高到每秒5万笔交易。

目前需求大于供给，什么样的方案才能满足最直接的交易处理需求值得期待。在某种程度上，上述所有技术都有可能在未来某个环节发挥作用，并且在不断改进。Connext最近推出了Spacefold，它将实现跨不同L2的状态通道延伸和桥接。

目前，其它区块链有机会吸引以太坊上的服务进入更可扩展的环境。然而，几乎所有的Layer2开发都发生在以太坊上，如果这些解决方案找到了产品与市场的契合点，那么其它竞争者能够提供的功能就会变得很单薄。

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