區塊鏈:網絡拓展≠提高吞吐量，區塊鏈的可擴展性該如何被定義？

區塊鏈的可擴展性一直是一個被激烈討論的話題。幾乎每個區塊鏈網絡都把高的每秒交易量作為一個賣點。然而，TPS并不是比較區塊鏈網絡的有效指標—這使得評估其相對性能成為一種挑戰。此外，大的TPS數字通常是有代價的—這就提出了一個問題：這些網絡實際上是在擴展，還是只是增加了他們的吞吐量？

因此，讓我們研究一下如何定義可擴展性，為實現可擴展性要做哪些權衡，以及為什么ValidityRollups是終極可擴展性解決方案。

不是所有的交易都消耗同等gas

首先，我們需要確定我們的論斷，即簡單方便的TPS指標并不是可擴展性的準確衡量標準。

為了補償執行交易的節點，區塊鏈收取與計算負擔成比例的費用。在以太坊中，計算負擔的復雜性是以gas來衡量的。因為gas是一個非常方便的交易復雜性衡量標準，所以這個術語在本文中也將用于非以太坊區塊鏈。

交易的復雜程度有很大不同，因此，它們消耗的gas也有很大不同。比特幣是無信任的點對點交易的先驅，只支持基本的比特幣腳本。這些從地址到地址的簡單轉移使用的gas很少。相比之下，像以太坊或Solana這樣的智能合約鏈支持虛擬機和圖靈完備的編程語言，可以進行更復雜的交易。因此，像Uniswap這樣的dApps需要更多的gas。

歐科云鏈OKLink：比特幣網絡出塊間隔已恢復至正常區間:據歐科云鏈OKLink數據顯示，比特幣網絡在經歷了出塊間隔大幅提升后，當前出塊間隔時間已經恢復至正常區間，近24小時平均出塊間隔為9.3分鐘（558秒），未確認交易筆數約合7.7萬筆。受此前網絡算力波動影響，上周比特幣網絡出塊間隔一度超過15分鐘，未確認交易筆數達到20萬筆。[2021/4/26 20:58:49]

這就是為什么比較不同區塊鏈的TPS是沒有意義的。我們應該比較的是計算能力或吞吐量。

所有區塊鏈都有一個區塊大小和區塊時間，決定了每個區塊可以處理多少計算單位和可以多快的速度增加一個新區塊。這兩個變量共同決定了一個區塊鏈的吞吐量。

什么制約了可擴展性？

區塊鏈努力成為最大限度的去中心化、對外開放的和具有包容性的網絡。為了實現這一目標，必須保持兩個基本屬性。

●硬件要求

區塊鏈網絡的去中心化是由網絡中最弱的節點驗證區塊鏈和保持其狀態的能力決定的。因此，運行一個節點的成本應該保持在盡可能低的水平，以使盡可能多的個人成為去信任網絡中的無需許可的參與者。

●狀態增長

狀態增長指的是區塊鏈增長的速度。區塊鏈允許在單位時間內發生的吞吐量越大，區塊鏈的增長速度就越快。全節點存儲網絡的歷史，且必須能夠驗證網絡的狀態。以太坊的狀態是使用默克爾樹等高效結構來存儲和引用的。隨著狀態的增長，新的葉子和分支被添加到其中，這使得執行某些行動變得越來越復雜和費時。隨著鏈的增長，它使節點執行的最壞情況更糟，這導致驗證新區塊的時間越來越長。隨著時間的推移，這也增加了一個全節點同步的總時間。

金色相對論 | 楚航：Filecoin作為服務人類的分布式存儲網絡有著巨大的應用前景:在今日舉行的金色相對論中，針對“Filecoin會不會遇到監管問題？然后影響Filecoin的落地應用”的問題，IPFS中國社區創始人楚航表示，Filecoin涉及到真實的內容存儲，在涉及防暴防恐、非法交易、侵犯兒童等，特別在涉及到國家安全方面，必然會遇到監管的問題。Filecoin作為服務全球人類社會的分布式存儲網絡，有著巨大的應用前景，作為這個網絡生態的建設者，我們希望把Filecoin引導到更加健康、更加符合國家利益、全人類利益的發展方向上來。但，Filecoin畢竟是公鏈項目，Filecoin技術不是完美的，肯定還有很多缺陷，比如TPS是有限的，路漫漫其修遠兮，Filecoin是否能成為全球化的分布式存儲網絡基礎設施，能否為全人類老百姓提供更加安全高效低成本的服務，讓我們一起努力并拭目以待。[2020/5/20]

增加吞吐量的不利影響

●節點

運行一個節點的最低要求和節點數量情況。

Bitcoin1:350GB硬盤空間，5Mbit/s連接，1GB內存，CPU>1Ghz。節點數量：~10,000

以太坊2。500GB以上的SSD磁盤空間，25Mbit/s的連接，4-8GB內存，CPU2-4核。節點的數量：~6,000

動態 | 中國聯通網絡技術研究院Baas平臺在省分部署測試:中國聯通網研院自研區塊鏈即服務（BaaS，Blockchain as a Service）平臺在省分部署測試，該平臺是基于區塊鏈的設備管理系統。中國聯通網研院已開展多個區塊鏈應用的PoC測試驗證，如基于區塊鏈的數據共享與可信計算、去中心化數字身份、GSMA區塊鏈+物聯網PoC測試等。（新浪科技）[2019/11/4]

Solana3。1.5TB以上的SSD磁盤空間，300Mbit/s的連接，128GB內存，CPU12個以上的核心。節點數量：~1,200

請注意，區塊鏈的吞吐量對節點的CPU、帶寬和存儲要求越大，網絡上的節點就越少，這會導致更弱的去中心化程度和更差的網絡包容性。

●同步一個完整節點時間

當第一次運行一個節點時，它必須與所有現有的節點同步，下載并驗證網絡的狀態，從創世塊到鏈的頂端。這個過程應該是盡可能的快速和高效，以允許任何人作為協議的無需許可的參與者。

以JamesonLopp的2020年比特幣節點和2021年節點同步測試為指標，表1比較了在普通消費級PC上同步一個比特幣、以太坊、Solana的完整節點所需的時間。

表1.區塊鏈吞吐量和節點同步比較

動態 | 今日Tether在以太坊網絡新增發1億枚USDT:據PeckShield態勢感知平臺數據顯示：今天凌晨00時32分，Tether在以太坊網絡新增發1筆價值1億美元的USDT，塊高度為7637646，交易哈希值為：0xc123b8d37c42b9f92ecf0fcdc0573cfd455864a5211d706beca7a3bda961e620。截止目前，本月Tether已經第5次在以太坊網絡上增發ERC20 USDT，總發行量已達400,010,000枚。[2019/4/26]

表1顯示，吞吐量的增加導致同步時間的延長，因為越來越多的數據需要被處理和存儲。

雖然不斷對節點軟件進行改進，以減輕區塊鏈不斷增長的挑戰，但節點顯然仍然無法跟上吞吐量的增長。

應如何定義可擴展性？

可擴展性是區塊鏈領域中最被誤用的術語。雖然增加吞吐量是可取的，但它只是難題的一部分。

可擴展性意思是在相同的硬件上能夠執行有更多的交易。

出于這個原因，可擴展性可以分為兩類：

●排序器的可擴展性

排序器描述的是網絡中交易的排序和處理行為。如前所述，任何區塊鏈都可以通過提高區塊大小和縮短區塊時間來增加其吞吐量，直到這種方法對網絡的去中心化程度造成較大的負面影響。但是，只是調整這些簡單的參數并不能提供所需的改進。以太坊的EVM理論上可以處理高達約2,000TPS，這不足以滿足長期的區塊空間需求。為了擴展排序，Solana做了一些令人印象深刻的創新：利用可并行的執行環境和巧妙的共識機制，使吞吐量的效率大大提高。但是這些改進不足以滿足對吞吐量的需求，也不具備排序器的可擴展性。隨著Solana增加其吞吐量，運行一個節點和處理交易的硬件成本也在增加。

愷英網絡：公司區塊鏈平臺項目已投入百人團隊:今日，愷英網絡（002517）在投資者互動平臺上表示，公司的區塊鏈平臺項目目前正在緊鑼密鼓的研發中，已投入百人團隊。[2018/5/17]

●驗證可擴展性

驗證的可擴展性指在不給節點帶來不斷增加的硬件成本負擔的情況下增加吞吐量的方法。具體來說，它指的是像Validityproofs這樣的密碼學創新。它們是ValidityRollups能夠可持續地擴展區塊鏈的原因。

什么是ValidityRollups？

ValidityRollups將計算和狀態存儲轉移到鏈外，但在鏈上保留少量的特定數據。底層區塊鏈上的一個智能合約維護著Rollup的狀態根。在Rollup上，一批高度壓縮的交易連同當前的狀態根，被發送到一個鏈外證明人。Prover計算交易，生成交易結果的和新狀態根的有效性證明，并將其發送給鏈上的驗證者。驗證人對有效性證明進行驗證，然后維護Rollup狀態的智能合約將其更新為驗證者提供的新狀態。

在相同的硬件要求下，ValidityRollups是如何擴展？

即使證明人確實需要高端硬件，它們也不會影響區塊鏈的去中心化；因為交易的有效性是由數學上可驗證的證明來保證的。

重要的是驗證證明的要求。由于所涉及的數據經過了高度壓縮并通過計算進行了大量的抽象，它對底層區塊鏈節點的影響是很小。

驗證器不需要高端硬件，批次的大小也不會增加硬件要求。只有狀態轉換和少量的調用數據需要由節點處理和存儲。這允許所有以太坊節點使用他們現有的硬件來進行有效性驗證。

交易越多，價格越低。

在傳統的區塊鏈中，交易越多，對每個人來說就越昂貴，因為區塊空間被填滿了。用戶需要在收費市場上出價高于對方，才能使他們的交易包含在區塊內。

這個情況在ValidityRollup中是相反的。在以太坊上驗證一個批交易有一定的成本。隨著一個批中的交易數量的增加，驗證該批交易的成本以對數級的速度增長。但在一個批中添加更多的交易會帶來更便宜的交易費用，即使這個批的驗證成本增加。因為這些成本由一個批內的所有交易攤銷，所以ValidityRollup希望在一個批內有盡可能多的交易。當一個批的大小增長到無限大時，每筆交易的攤銷費用會收斂到零，也就是說，ValidityRollup中包含的交易越多，對每個用戶說需要支付的交易費就越便宜。

dYdX，一個由ValidityRollup驅動的dApp，經常看到超過12,000個交易的批。將同樣的交易兩在主網和在ValidityRollup上的消耗gas量進行比較，可以看見可擴展性的提高。

在以太坊主網上結算一筆dYdX交易：200,000gas

在StarkEx上結算一筆dYdX交易：<500gas

另一種方式來看待它則發現ValidityRollups的主要成本與同一個批的用戶數量成線性比例。

為什么OptimisticRollup的可擴展性不如人們想象的那么好？

理論上，OP擁有與ValidityRollups幾乎相同的可擴展性優勢。但有一個重要的區別。OP針對平均情況進行優化，而ValidityRollups針對最壞情況進行優化。因為區塊鏈系統是在極端對抗的條件下運行的，針對最壞情況進行優化是實現安全的唯一途徑。

OP擁有的最壞情況是用戶的交易不會被欺詐檢查器檢查到。因此，為了質疑欺詐，用戶必須同步一個以太坊全節點和一個L2全節點，同時自己計算可疑的交易。

在ValidityRollups中，即使在最壞的情況下，用戶也只需要同步一個以太坊全節點來驗證有效性證明，省去了自己的計算負擔。

與ValidityRollups相比，OP的成本與交易數量呈線性關系，而不是與用戶數量呈線性關系，這使得OP更加昂貴。

無需許可的訪問Rollup狀態

為了保證交易的有效性，用戶只需要運行一個以太坊節點。然而，用戶和開發人員可能希望出于各種目的查看并運行Rollup的狀態和執行。一個索引的L2節點完美地滿足了這個需求。它不僅可以讓用戶看到網絡中的交易，而且也是生態系統基礎設施運作所必需的一個關鍵基礎設施。像TheGraph、Alchemy、Infura這樣的索引器；像Chainlink這樣的Oracle網絡，以及區塊瀏覽者，所有這些都由無需許可的索引L2節點完全支持。

結論

許多解決區塊鏈可擴展性的方法錯誤地集中在增加吞吐量上。但是，這忽略了吞吐量對節點的影響：處理區塊和存儲網絡歷史的硬件要求不斷增加，以及這如何抑制了網絡的去中心化。

隨著有效性證明密碼學的出現，區塊鏈可以實現真正的可擴展性，而不給節點帶來不斷增加的成本負擔，并允許廣泛的去中心化。同樣的硬件執行具強大和更復雜計算的交易現在是可能的，扭轉了收費市場的困境——ValidityRollup上的事務越多，它就越便宜！

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