ASM:了解以太坊擴展演進歷程 以太坊會有怎樣的擴展未來

原文作者：PaweenPitimanaaree

以太坊一直是用戶和開發人員的首選區塊鏈，在DeFi和NFT上的TVL超過550億美元。然而，如此高的網絡采用率也給以太坊網絡帶來了重大問題，尤其是在其可擴展性方面，因為目前的網絡在保持理想的去中心化程度的同時，每秒平均只能處理13.5筆交易。

為了提高以太坊的可擴展性，過去幾年開發了多種方法，目前正在研究更多方法。這些解決方案包括狀態通道、Plasmas、Validiums、Rollups和側鏈。

雖然它們可能被分類為不同的類別，但實際上它們并不完全不同。一些基本思想本質上是相同的，并且通常建立在以前的思想之上。

因此，本文的其余部分旨在概述這些以太坊擴展解決方案實際上是如何隨著時間的推移而發展的。

以太坊擴容解決方案

以太坊擴展解決方案的示例。

狀態通道

狀態通道是以太坊擴容最早也是最簡單的方法。關鍵思想是在鏈下處理交易，只將最終結果發布回主網絡。這將減少到主網的不必要的中間交易，從而減少潛在的網絡擁塞。

財聯社：軍工元宇宙概念多處于摸索了解階段:12月16日消息，北京電子工程總體研究所近日發布\"虛擬孿生-元宇宙協同建模仿真方法研究\"軍工需求公告，采購階段為預研。該消息一出，市場普遍認為元宇宙概念已經從IP、游戲、企業會議等延伸至軍工領域。12月15日，\"軍工元宇宙概念\"迎來大漲。據分析，所謂軍工元宇宙概念上市公司，他們自身對該概念還多處于摸索了解階段。在概念之外，市場更關注的是，相關標的是否確實有元宇宙相關技術在軍工領域的應用，以及其未來前景。(財聯社)[2021/12/16 7:42:56]

狀態通道用戶流。以太坊交易的數量可以減少到2筆——打開和關閉通道。

以下是鏈下交易在幕后的工作方式。想象一下2個用戶A和B想要在他們之間轉賬。如果A向B發送10美元，B向A發送5美元，最后A向B發送20美元。而不是在鏈上分別發送這3筆交易，如果他們同意A應該在單筆交易中向B發送總共10-5+20=25美元。

為了概括這個想法，一組參與者可以打開一個狀態通道并將資金鎖定在主網上通道的多重簽名智能合約中。然后，他們可以在他們之間解決鏈下交易，并且只有在同意解鎖資金并關閉通道后才將最終狀態更新到以太坊。

Microstrategy CEO：如果Paul Tudor Jones真的了解比特幣 他會買入更多:Microstrategy首席執行官Michael Saylor在接受采訪時表示，如果知名對沖基金經理Paul Tudor Jones真的了解比特幣，他會買入更多。

此前消息，Paul Tudor Jones稱其已將約1%的資產投資于比特幣，而Microstrategy則是通過兩批交易先后買入了近3.8萬枚BTC。（Bitcoin.com）[2020/9/24]

狀態通道主要用于需要就彼此的行為達成一致的兩方之間的微交易和支付。它們不能很好地擴展以支持智能合約，因為

dApp通常涉及大量最終用戶，這使得各方之間的協議更加復雜。

智能合約dApp通常可以由任何人在以太坊或狀態通道上無需許可地進行交互，從而在每個網絡上創建不同的事實。

Plasma

Plasma定期將Merkle根狀態哈希發布到以太坊。在有人提供欺詐證明并質疑其有效性之前，所有狀態更新都被視為有效。

Plasma鏈只是一個由運營商運行的獨立區塊鏈，它定期將檢查點保存到以太坊網絡。這些檢查點存儲為Merkle根狀態哈希以提高gas效率。這意味著任何交易計算都可以卸載到Plasma鏈以實現可擴展性，同時利用以太坊層來驗證Plasma鏈的狀態更新正確性。

聲音 | Elliptic首席執行官：與金融機構合作旨在增加金融機構對加密資產的了解程度:區塊鏈取證公司Elliptic首席執行官James Smith表示，與銀行投資者的合作將進一步增強幫助更好地理解世界各地金融機構的能力，并與它們密切合作，讓它們對密碼資產生態系統有更多了解。Elliptic旨在與金融機構合作，揭露任何與加密資產有關的交易活動，使金融機構能夠相應地管理風險，而不是對新興加密資產類別的交易一無所知。（AMBCrypto）[2020/2/14]

為了確保狀態轉換正確，Plasma采用了防欺詐機制。每個過渡都被認為是正確的，直到有人在該時間段內對其提出質疑。任何不正確的狀態轉換都將被簡單地丟棄，而新的轉換將建立在先前正確的轉換之上。

Plasma在正常情況下可以很好地工作。然而，問題之一是當操作者宕機或惡意時。如果運營商停止提供交易信息，那么沒有人將能夠生成證明來使狀態轉換無效。因此，運營商的任何惡意行為最終都會在主網中被接受。

在這種情況下，為所有用戶實施“大規模退出”方案，以使用最新的有效狀態退出Plasma生態系統。但是，整個狀態數據將被轉儲到以太坊上，這可能會引發網絡擁塞。

另一個問題是非EVM兼容性。通用智能合約的狀態沒有明確的類似所有權的結構，這意味著任何人都可能在狀態轉換中取得進展，從而使這些合約無法退出游戲。

聲音 | 劉勝：認識區塊鏈要了解幣、鏈、網三個層次:金色財經現場報道，今日，2018可信區塊鏈峰會在北京召開。聯動優勢科技有限公司首席架構師劉勝分享了區塊鏈標準化中的思考，他認為認識區塊鏈需要了解三個層次：幣（典型的元信息）、鏈（數據結構+應用）、網（軟件定義網絡），圍繞著高度防篡改，行業聯盟鏈是當前重點的研究方向，隨著技術的進步將會有大規模商用。[2018/10/10]

Validium

Validium在以太坊上發布Merkle根狀態哈希和ZK證明作為檢查點。狀態更新的正確性由ZK證明來驗證。

Validium還運行自己的區塊鏈并將Merkle根狀態哈希發布到以太坊，類似于Plasma。它們的主要區別在于狀態更新驗證機制。Plasma依賴于防欺詐機制，而Validium使用零知識(ZK)證明，例如ZK-SNARKs和ZK-STARKs。

ZK證明是生成的計算連同狀態更新一起提交給以太坊，以確保狀態轉換是有效的。盡管ZK證明的復雜生成過程可以在鏈下計算，但鏈上驗證相當容易。這使得Validium可以在以太坊上更新狀態和證明后立即確定。

日本出版數字貨幣漫畫 作者意圖促進大眾了解數字貨幣:據Bitcoin消息，日本一漫畫團隊最近發行了首部介紹數字貨幣的漫畫Shonen Crypto，總編Taro稱該漫畫預計三周或一個月更新一次，現在只有網絡版，將來出版實體書版本，第一部的部分內容已被譯為英文。Taro還稱他想向每個人介紹數字貨幣及其潛力，他最近感到數字貨幣使用人數在下降，并且經常聽到懷疑數字貨幣的言論。雖然已經有很多介紹數字貨幣的文章，但這些文章只有文字，日本民眾一般不讀這些文章。[2018/6/10]

然而，由于其復雜的密碼計算，ZK證明與EVM字節碼存在兼容性限制。因此，當前可用的Validium應用程序僅限于簡單的用途，例如代幣傳輸，僅涉及簡單的加減運算。

除了EVM不兼容之外，數據可用性仍然是一個問題。Validium仍然依賴于鏈下數據存儲來確保交易數據始終可以重建為完整的區塊鏈狀態。但是，這為安全模型增加了另一層信任，因為它需要信任另一方始終可用并正常運行，即使該方是去中心化的。

Rollup

Rollup發布狀態根和壓縮交易信息。

Rollup解決了數據可用性問題。它們可以被認為是下一代Plasma鏈和Validium。除了狀態更新之外，交易信息作為calldata在以太坊上發布。這意味著給定在以太坊上提交的所有calldata，總是可以從頭開始重建區塊鏈的當前狀態。因此，我們不需要單獨依賴任何第三方，如DAC來存儲狀態樹。

有兩種主要類型的Rollup：OptimisticRollup和ZKRollup。

OptimisticRollup

與Plasma鏈的工作方式類似，Optimisticrollups認為狀態轉換是有效的，直到有人挑戰。任何人都可以通過在以太坊網絡上的“驗證者合約”上實施的防欺詐機制來質疑并聲稱狀態更新不正確。

防欺詐機制有多種方法：

Optimism使用單輪交互式證明，以太坊必須在鏈上執行整個L2交易以進行驗證。這種方法可以立即防止欺詐，但會帶來大量的計算gas成本。

Arbitrum使用多輪防欺詐，執行鏈下二進制搜索來查找無效轉換狀態更新的“操作碼”。只有一個操作碼在鏈上執行，這意味著這里所需的gas要低得多。

最終，防欺詐可確保以太坊上發布的狀態有效且完全可重構，而無需信任外部各方。Optimisticrollups也與EVM兼容，這意味著在以太坊上運行的任何dApp都可以輕松移植，而無需更改任何代碼。這使得OptimisticRollup作為以太坊擴展解決方案被廣泛采用。

ZKRollup

ZKrollup只是Validium和數據可用性的結合。該鏈定期在以太坊上提交其哈希狀態以及壓縮的交易數據，并使用有效性證明來驗證狀態轉換。

與Validium類似，ZKRollup無法有效地與EVM兼容，因為為完全集成的EVM環境生成證明可能需要數小時才能完成。追求使用EVM或ZK-EVM開發ZKrollup的項目正在平衡EVM兼容性和性能之間的權衡。事實上，Vitalik將ZK-EVM分為4種類型，從完全等效于以太坊到部分兼容EVM，如圖1所示。

不同類型的ZK-EVM。

目前，只有尚未與EVM等效的Type4和Type3是可行的，因為必須采取更多的變通方法來使用ZK證明來充分發揮EVM的功能。但是隨著以太坊變得對ZK-SNARK更加友好并且正在進行更多的研究和開發，我們應該能夠看到Type2和Type1ZK-EVM在未來變得普遍。

側鏈

側鏈是獨立的區塊鏈，運行自己的區塊參數和共識機制。他們可以通過雙向橋與以太坊通信。然而，與任何其他擴展解決方案不同，側鏈不會將任何交易或狀態數據發布到以太坊；因此不要繼承以太坊的安全性。由于側鏈有自己的區塊參數，它們可以通過調整某些參數輕松支持比以太坊提供的更高的吞吐量。然而，他們通過犧牲安全性和去中心化來實現這些目標，例如具有中心化驗證者或需要高端計算硬件。由于以太坊的愿景是專注于去中心化和安全性，側鏈并不是以太坊基金會作為擴展解決方案的重點，盡管它們被認為是減少以太坊交易流量的最有效方法之一。

擴展解決方案的未來

過去的擴展解決方案隨著時間的推移而發展——解決了以前擴展設計中的關鍵問題，例如狀態轉換驗證和數據可用性。在當前階段，rollup被認為是擴展以太坊的最先進的解決方案，因為它們利用了以太坊安全性和EVM兼容性以適合通用用途。然而，在Rollup方面仍有許多可能的改進領域，以實現進一步的安全性、去中心化和可擴展性：

去中心化Rollup排序器——Rollup可以利用類似PoS的機制來選擇排序器，以降低中心化和審查風險。

Rollup之間的直接通信通道——在沒有以太坊作為媒介的情況下，在Rollup之間進行橋接和消息傳遞可以增強用戶體驗并降低交易成本。

雖然像Rollup這樣的鏈下擴展解決方案已經可以提供多重可擴展性，但以太坊也有自己的計劃，通過ETH升級在基礎層進行擴展。以太坊分片作為重要的里程碑升級之一，將能夠通過與Rollup的集成進一步協同提升以太坊的可擴展性。

分片作為Rollup的數據可用性層——64個以太坊2.0分片鏈中的一些可以用作Rollup的“數據倉庫”，以便在其上發布哈希根。從理論上講，分片和Rollup可以將以太坊吞吐量提高到100,000TPS。

代碼可執行分片——其他分片鏈將能夠運行EVM字節碼和以太坊等智能合約。然而，由于之前的分片鏈使用提供的大吞吐量，這種實現的實際需要有待確定。

憑借足夠的可擴展性，以太坊可以支持當前使用的web2服務的高交易吞吐量。向金融的未來邁出了重要的一步。

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