区块链: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。

《交通强国建设宁夏试点任务实施方案》：推动区块链与交通运输深度融合:金色财经报道，交通运输部近日批复《交通强国建设宁夏试点任务实施方案》，《方案》指出将推动区块链等新技术与交通运输深度融合，实现数据信息资源跨部门、跨区域间共享与协同应用。[2021/9/8 23:09:55]

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。

动态 | 兰州市大数据服务中心将推进区块链等新技术的深度应用:日前，兰州市大数据服务和应用创新中心举行启动仪式。中心主要从加固基础运行支撑环境、建立健全数据标准规范、拓展数据汇聚采集方式、打造数据运行维护体系、构建一体化数据运营体系等五个方面进行探索创新。下一步中心将围绕实现“政通、惠民、兴业”的目标，全面推进大数据、人工智能、区块链等新技术的深度应用，不断释放数据价值、促进政务信息共享共用和业务流程协同再造，助力提升政府的现代化治理能力，助推兰州市经济社会实现跨越式发展。（人民网）[2020/1/13]

"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。

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。

现场 | 挪威工程院院士容淳铭：推动区块链和实体经济深度融合，提供更加智能、便捷、优质的公共服务:金色财经现场报道，12月5日，由海南省工业和信息化厅主办，海南生态软件园及火币中国承办的“海南自贸港数字经济和区块链国际合作论坛”在海南省海口市举行。挪威工程院院士、 IEEE计算机协会区块链委员会主席容淳铭表示，我们坚信，通过分析和研究区块链技术，为全球数字金融秩序构建、全球标准制定、数字金融发展与治理，探索新观点、新方法和解决问题提供新途径；通过增进全球对区块链和数字金融的理解和认知，共同打造一个便捷高效、公平竞争、共建共享、稳定安全的数字金融世界，分享数字时代红利；推动区块链和实体经济深度融合，提供更加智能、更加便捷、更加优质的公共服务，区块链技术和数字金融将被广泛应用并造福全人类，惠及世界上每个角落。[2019/12/5]

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。

声音 | 山东省财政厅副厅长：将推动区块链等和实体经济的深度融合:据北国网报道，在上海会计学院日前举办的“财经讲堂·济南站”上，山东省财政厅党组成员、副厅长陈祥志表示，我们会进一步的强化大数据思维，准确把握信息化和经济全球化的大势，通过国有资本的布局和结构调整，推动互联网、大数据、区块链、人工智能和实体经济的深度融合，发展数字经济，共享经济，培育新增长点，形成新动能。[2019/4/4]

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。

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。

声音 | 王新哲：区块链等技术正深度重构全球产业模式、企业形态和价值链分工:据人民网消息，今日，工业和信息化部总经济师王新哲表示，当前世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期，以人工智能、移动通信、工业互联网、量子信息、区块链等为代表的新一代信息技术加速突破应用，正在深度重构全球产业模式、企业形态和价值链分工。[2019/1/20]

在实践中，Plasma遇到了一系列需要解决的并发症。比如：

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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