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如今以太坊的问题在于，用户越多，以太坊的速度就越低，使用成本越高。不断恶化的用户体验吸引了来自诸如币安智能链BSC，Solana和Polkadot等重要竞争者争夺智能合约平台宝座。以太坊的持续统治地位取决于其提高吞吐量和降低费用的能力。
即使以太坊的高级用户对ZK-Rollups，分片（Sharding）或Plasma等词汇不感兴趣，但这个世界上最活跃的区块链的未来却取决于这些。在本报告中，我们将解决以太坊当前的扩展问题以及以太坊的潜在解决方案。
现状
以太坊每天支持大量的经济活动。它每天结算数十亿美元的交易，并且在蓬勃发展的去中心化金融（DeFi）和非同质化代币（NFT）领域中运行成千上万的去中心化应用程序（Dapp）。但是，以太坊的区块空间有限，所有这些应用程序都在争夺相同的资源，这意味着当网络拥塞时，交易变得更加昂贵且延迟更多。实际上，对于用户而言，以太坊上的单笔智能合约交易（例如Uniswap交易）费用可能会超过数百美元，具体取决于网络的拥塞程度，从而导致交互交易成本过高。但是，这对于受益于如此高的交易费的矿工来说非常好，与2017年的牛市高点相比，矿工收入当前可以增加50％：
幸运的是，开发者团队正在开发几种扩展解决方案，每种解决方案都有自己独特的优化和取舍。严格来说，“可扩展性”是单个节点处理的交易量，“吞吐量”是网络可以处理的总交易量量。为了便于讨论，我们谈论的可扩展性是指处理的所有交易。
以太坊朝着这个目标的演变看起来像是几条分开的道路，有时会链接在一起，通向相同的目的地。每个扩展解决方案看起来都类似于树或中心辐射模型，但是每个解决方案都有其自己的细微差别，可以解决特定的用例。解决方案主要有两类：
- Layer 2——链下扩展（以太坊基础链之外的交易和计算）。各种项目实施解决方案的方法主要有四种。实际上，每个项目使用结合了不同类型技术的混合方法。
- Layer 1——链上扩展，或将所有交易保留在以太坊上的扩展解决方案
1.状态通道
状态通道允许用户进行多次脱链交易，而仅向以太坊网络提交两次交易-一次在打开时提交，一次在关闭通道时提交。 这使主网络摆脱了验证许多事务的负担，但提供了相同级别的安全性。 网络中的参与者需要将存款存入多重签名合同，该合同需要执行阈值数量的签名（例如5个中的3个）。 一旦资金存入渠道，参与者就可以根据需要进行多次交易。 当参与者不再需要渠道时，他们可以提交结果，等待一段时间以确保对结果没有任何挑战，然后在链上提交最终交易并解锁其资金。
举一个简化版的状态通道例子：一个两方或更多方之间的支付渠道。 当已知数量的参与者之间有许多交易（例如小额支付）时，这很有用。 交易是即时的，并且大大减少了在以太坊区块链上处理交易所需的费用。
缺点是建立通道并对其进行积极监视以确保没有恶意行为者，这个过程需要花费时间。 此外，资金在通道有效期内被锁定，并且尚不支持智能合约。
与此相关的项目包括Raiden Network，Celer，Connext，Statechannels和Perun。 例如，Raiden已经在以太坊上实现了类似于比特币的闪电网络的系统，其中包括对ERC20代币的支持。 Celer专注于状态通道技术，但也提供了几种与以太坊，Polkadot和NEO兼容的互补侧链。
2.Plasma（子链）
Plasma是一种以太坊区块链副本框架，称为子链（childchain）。可以在这些Layer2区块中处理成千上万笔交易，并捆绑为一笔单一交易。Plasma可以有许多层，因此可以无限地拥有一个孙子链和曾孙子链。子链是无信任和非托管的链，用户可以控制其资金。这意味着，如果发生错误或被黑客攻击，用户可以引用Plasma链的最新正确快照以恢复状态并找回其代币。这里有一个挑战期，用户从Plasma链中提取资金后将在以太坊主链上支付一笔交易费。
打个比方，以太坊区块链就是最高法院，而Plasma链就像下级法院一样。
优势在于，Plasma可以以较低的每笔交易成本维持每秒高达1,000笔交易（TPS），而每个Plasma区块的gas成本是固定的。与状态通道不同，Plasma还可以处理灵活数量的用户，从一开始就不需要设置数量。资金的安全性和可找回性也很高。
缺点是Plasma没有支持智能合约执行的灵活性，因为它仅支持转移或swap等基本功能。此外，尽管用户可以提取资金，但他们还需要定期检查Plasma链以发现任何错误，以防止被黑客利用。与状态通道类似，需要“监视塔”来维护网络快照。由于这些原因，Plasma已不再是首选解决方案。
与此相关的项目包括Polygon（以前称为Matic），OMG Network，Gluon，LeapDAO和Gazelle。Ploygon是Plasma和权益证明混合侧链，我们将在下一部分中介绍。
3.侧链
Plasma子链和侧链彼此相似，但从安全角度来看有所不同。 Plasma子链在无信任的环境中依赖以太坊的安全机制，并由于其高吞吐量和安全保证而针对支付进行了优化。 但是，侧链是与以太坊并排运行并与之通信的独立区块链。 它使用另一个代币与以太坊挂钩连接，从而创建了双向桥。 侧链是完全独立的区块链，具有自己的共识机制和安全性保证。
正如它们支撑以太坊一样，这些侧链无关区块链，并且还可以通过使用ADA而不是ETH创建挂钩来支持其他基础层，例如Cardano。他们仅在更新分类账状态时与主链进行交互。正如侧链可以与其他区块链友好一样，用户和运营商可以在不依赖以太坊的情况下链下共存并维护多个侧链。
优势在于，侧链是具有自己的代币的区块链，能够支持智能合约（不在主链上），因此针对灵活性进行了优化，并具有多种用例。相对而言，这项技术是作为扩展解决方案而建立的，根据侧链的设计，它可以提供大约10,000 TPS的速度。
缺点是它不是一个无信任的环境，因为用户需要将资金托管转移到侧链。安全性也是另一个需要关注的问题，因为与以太坊相比，侧链不那么成熟，去中心化也更差，以太坊在过去几年中从去中心化中受益匪浅。此外，双向挂钩意味着侧链代币还需要保持价值并在经济上可行，这通常是通过在该侧链上收取费用并具有有效的代币经济学来实现的。
与此相关的项目包括xDAI，Polygon，POA网络，Liquid网络和Skale网络。 xDai Chain是一种支付区块链，旨在实现快速，廉价的稳定交易。 xDai用于交易，付款和费用。 Matic（现为Polygon）与Circle合作发行了USDC稳定币，并与Chainlink结盟，为以太坊游戏提供支持。 Matic更名为Polygon，以启动Layer2聚合框架为重心。该团队将继续托管Matic Network的当前解决方案，即使用Plasma框架的PoS以太坊侧链。但是他们现在认为这个现有的侧链是“不受欢迎的Layer2解决方案”。据报道，Polygon即将推出的SDK将使开发人员能够创建多个Layer2解决方案，例如Optimistic Rollups，ZK Rollups和Validium，这就是该团队将其称为Layer2聚合器的原因。
4.Rollup
Rollup允许将数千个交易捆绑在单个Rollup区块中。 它可能会提供100倍的吞吐量，因为发布在Layer1之外传输的数据摘要比Layer 1的存储和计算负担少且便宜。 摘要数据仍在Layer1（以太坊）上得到保护，而无需在以太坊链上进行完整的计算和存储。
与状态通道不同，Rollup中的资金是由智能合约持有的，运行方在该合约中将资金投入Layer1智能合约中。 所有交易都在layer2上发生，并且如果用户认为Layer2操作是恶意的，则可以在Layer1上执行。 不良行为者将被削减质押物，举报的人将得到一部分被削减的质押物作为报酬。
Rollup对于降低费用，提供更快的交易吞吐量和向用户开放参与很有用。 有两种主要类型：Optimistic Rollup和ZK Rollup。
4a Optimistic Rollup
Optimistic Rollup使用了与以太坊主链平行运行的侧链。在完成一批交易之后，Rollup会向主网提出一个新状态。打个比方，他们撮合并公证了交易。他们每秒可以处理约300个智能合约调用或每秒约2,000个基础转账。由于它与以太坊虚拟机（EVM）兼容，因此在以太坊上做的任何事情也可以在Optimistic Rollup上做。这是一种用于扩展通用智能合约的解决方案，并且是一种以合理的安全程度迁移去中心化应用程序（DApp）的简便方法。
但其妥协之处在于，资金可能会受到潜在攻击媒介的威胁。如果发布了不正确的状态转换，则用户将能够撤消不正确的区块并大幅削减不良行为者的质押资金。提款速度也很慢，可能要花几天时间，以允许提出质疑或纠纷期。
专注于此的项目包括Optimism，Arbitrum，Fuel Network和Cartesi。 Uniswap V3正在Optimism上启动，该版本目前已将此解决方案验证为首选的Layer2解决方案。 Optimism的主网已于2021年1月使用Synthetix等列入白名单的协议进行了软启动，尽管它现在准备在2021年7月之后的某个时间全面投入使用。这些白名单协议的用户已经节省了超过1000万美元的费用。但是，仍然无法确定实际的用户采用情况，因为它需要改变用户的行为，例如必须依赖支持这种新侧链增强功能的新钱包。
4b ZK Rollup
虽然Optimism假定交易默认情况下是有效的，并且仅在遇到挑战时才运行计算，但ZK Rollups会在链外运行所有计算，并提交要存储在以太坊上的有效性证明。零知识（Zero Knowledge，ZK）是指发行人必须提供的加密证明，才能将一系列交易记录在以太坊区块链上。
该证明有时被称为SNARK（简洁的非交互式知识论证）。运营方需要为每个状态转换生成证明，以太坊上的Rollup合约对此进行了验证。该SNARK证明存在一系列从一个状态到另一个状态的顺序交易。这类似于向以太坊区块链展示计算结果，而不向他们展示所有交易数据或结果的得出方式。因此，验证区块更快，更便宜，因为涉及的数据更少。
ZK Snarks（可与ZK Proofs互换使用）经常被诸如Z Cash之类的隐私币使用。但是ZK Rollups使用零知识技术来提高效率，而不是私密性，方法是将成千上万笔交易放在链下进行，然后将它们作为单个Rollup交易提交到以太坊上。据报道，ZK Rollup将能够在ETH1上处理约3,000 TPS，在ETH2上处理20,000 TPS，而费用仅为Layer1成本的1％。相比之下，信用卡通常处理5,000 TPS，尽管据说它们可以处理更高的吞吐量（65,000 TPS）。
优点是，在Layer1和Layer2之间转移资金没有延迟，因为合约接受的有效性证明已经验证了资金。因此，如果用户决定将其资金从Layer2退出到Layer1，则结算比Optimistic Rollups更快。但是，由于需要生成ZK证明，因此Layer 2到Layer 2的交易大约需要10到30分钟。另一个缺点是，智能合约支持仍在开发中，因此ZK Rollup只能实现简单的交易转移。目前也无法将EVM封装在零知识证明中，因此DApps尚不能迁移到ZK Rollup。
ZK Rollup上的项目包括Loopring，ZkSync（Matter Labs），Aztec和Hermez。 Loopring通过在链下移动数据和计算，同时利用零知识证明来保持信任最小化的属性，将该技术应用于构建订单去中心化交易中心。在Loopring 3.0上，执行交易需要花费不到一美分的以太坊gas费。Aztec最近部署了zk.money，这是一个用于ETH以及将来的ERC-20代币的私有Rollup服务。用户可以将ETH提交给Aztec rollup合约以屏蔽和发送私人交易。
退后一步，就像ZK和Optimistic Rollups的相似之处在于数据在链上一样，Plasma和Optimistic Rollups之间也有相似之处，因为它们是基于防欺诈的系统。这里有四个象限，代表不同类型的系统。有效性验证系统的第二种类型是Validium。
5. Validium
Validium使用有效性证明（例如ZK Rollup），但数据未保存在以太坊链中。 由于每次转账都必须经过授权，因此Validium中的资金是安全的。 将数据保留在主链之外，每个Validium链最多可实现20,000 TPS，这可以彼此并行运行。
这样做的好处是没有提现延迟，并且不容易遭受基于欺诈的系统所面临的攻击。 权衡之处是它对智能合约的支持有限，并且需要强大的计算能力和10到30分钟的时间来生成ZK证明，这对于低通量应用而言既不节省时间，也不具有成本效益。 因此，它可能会在上手的时候遇到鸡和蛋的问题。
Starkware和Matter Labs使用了Validium。 Deversifi是第一个使用StarkWare批处理技术的平台，无需支付gas费，没有回滚危险或交易失败就可以交易和转让代币。 Matter Labs开发了zkPorter。
扩容解决方案：混合方案
尽管上述扩展解决方案可谓整洁，但现实是技术可以组合在一起，每种都有各自的权衡。例如，Matic转向Polygon，启动了Layer2聚合器。此外，Celer结合了状态通道和侧链解决方案。
Layer2扩展解决方案的缺点
这些异构扩展解决方案的权衡在于，没有一个单一的全局状态支持可组合的智能合约。当前，大多数用户都依赖简单的单一系统Layer1。Layer2扩展要求在用户行为，钱包，预言机和DApps中进行重大更改。建立智能合约的开发人员可能不想处理Layer2，或跨Layer2状态，或侧链中的安全模型，或状态通道网络中的流动性路由。他们可能也不想使用ZK证明处理如何在链下运行计算。
各个Layer2项目之间也缺乏通信。这意味着跨Layer2的传输不是无缝的，或者需要桥接侧链。应用程序可能还需要考虑外生状态，这仍然需要进行研究。
这些困难以及来自其他智能合约平台的竞争迫使以太坊优先考虑开发Layer2解决方案，尤其是Rollup。 ETH2开发人员已改变路线图以说明Rollup的崛起，以太坊计划使ETH2分片和Rollup协同工作。
ETH 1.x到ETH 2.0的扩展解决方案
ETH2是首次一种大型区块链在全面运作的情况下在新的共识机制下进行重建。这是以太坊最雄心勃勃的全系统升级，例如在尝试建造新船的同时保持继续航行。 ETH2的一个关键方面是以太坊从工作量证明（PoW）到权益证明（PoS）机制的过渡，这有助于更快地处理交易。
* PoW：在这种共识方法中，所有交易都必须由矿工使用蛮力计算对区块进行哈希确认。这使网络保持安全，但限制了矿工可以快速传播区块的速度。每个新的以太坊区块必须是按照顺序的，不能并行处理。
* PoS：在PoS共识模型中，ETH2使任意数量的验证器（至少32 ETH）可以运行验证器，而无需昂贵的挖矿设备或维护要求。此次升级对矿工的交易费用没有影响，矿工的交易费用最近已占矿工总收入的约50％（请参阅矿工收入图表）。 PoS通过使参与者更易于访问来实现以太坊去中心化。区块时间将更加可预测，因为与PoW链上的情况一样，该过程没有相关的波动。尽管由于分片（或拆分区块链），最终用户的费用较低。在撰写本文时，有360万个以太坊已存入ETH2，价值70亿美元，占总供应量的3％。
分片（Sharding）
分片只是意味着可以将网络划分为多个轨道，以并行处理交易。 这是水平扩展，类似于在多个服务器之间分布计算和存储容量。 每个分片都有自己独立的状态和交易记录。 专用节点处理某些分片的交易，从而使总体吞吐量更高。
信标链将PoS和分片联系在一起。它是所有系统级活动的协调者，存储和管理验证者的注册表，选择区块生产者，应用共识规则并存储分片状态的数据。信标链于2020年12月投入使用，但除存在之外，目前尚无其他活动。这是允许以太坊在不牺牲安全性的前提下进行扩展的第一步。
与Plasma不同，分片是主链的触角，并定期从其分片提交交易的状态根哈希。应用程序还将直接访问分片中的数据。与子链和侧链相反，分片可确保整个系统是一个集合体——具有相同的有效性和对数据的访问。分片也没有任何存款或资金，因为它是主链的一部分。
并非每个人都必须运行每个碎片，这意味着并非每个人都需要运行完整的ETH2节点。这也称为“轻客户端”或轻量级节点，它引用受信任的完整节点的区块链副本，但不需要下载整个区块链副本。轻客户端可以在以太坊分片中扮演重要角色，以使验证者能够快速验证和同步不同的分片。
最初的想法是ETH1只是众多分片之一。但是，这增加了跨分片交易的复杂性。随着以太坊的发展继续对市场条件和新技术做出反应，该技术仍在发展中，并且可能成为迁移至ETH2的核心特征，也可能不是核心特征。迁移到ETH2的最后阶段旨在解锁分片中的智能合约执行功能，估计时间为2023。
以太坊的演变
2020年12月，我们见证了向ETH2迈出的第一步，即启动了信标链。之后是分片，再是抽象执行引擎，最终看到ETH1和ETH2合并。但是，ETH的发展是动态的，鉴于迫切需要解决高gas费用，扩展和竞争激烈的问题，因此合并被优先考虑。
合并之前，还要进行两次其他的技术升级：“柏林”（2021年4月）和“伦敦”（2021年7月）硬分叉。以太坊改进提案（EIP）通常不会引起太多关注，但EIP 1559将与其他EIP一起包含在伦敦硬叉中。
EIP 1559导致矿工和开发者之间的紧张关系加剧。ETH挖矿最近非常赚钱，2021年2月的收入达到创纪录的13亿美元。可以理解的是，矿业反对变更，因为挖矿是企业级的资本密集型业务，因此EIP 1559会对收入产生负面影响。但是，网络将根据用户的需求而发展，而矿工在该方程式中并不是特别重要。如果矿工威胁使用硬分叉来反对，那么他们的新分叉将是低价值的，并且不会被用户采用。对于DeFi，包裹类资产和无法在新网络下复制的NFT尤其如此。
EIP1559通过使费用更可预测，将有助于减轻费用方面的痛苦。根据EIP1559，区块需要最低价格（“基本费用”），该最低价格将根据需求进行动态设置。尽管用户可以将最高费用上限为基本费用和小费的两倍，但这消除了估算用户今天所承受的交易费用时的总猜测。 EIP1559的主要区别在于，用户的最高费用和最终基本费用之间的差额将被退还。目前，严重高估费用的用户不会获得退款。根据EIP1559，如果区块已满，则收费市场将根据最高小费重新拍卖，而且将不予退还。
这些升级不包括ETH1.x和ETH2合并所需的更新，但开发人员正在考虑加快该时间表。这里概述了一个快速合并的建议，从PoW迁移到PoS只需几处更改。但是，以太坊是否应该考虑另一个分叉升级（“上海”升级大约在“伦敦”之后3-6个月）或者着眼于合并，这仍存在争议。通常，治理过程可能要花费数月甚至数年才能包含在内。 EIP 1559本身在2019年4月受到Vitalik Buterin的拥护，但仅在两年后才实施。
结论
以太坊是正在进行系统级重建的最有价值的网络。 可以理解，开发人员正在谨慎地实施更改。 在以太坊致力于ETH2的同时，项目同时提供了多种技术，以提供最佳的扩展解决方案。 各种扩展解决方案的交付顺序无关紧要。 DeFi的繁荣证明，可组合性是成功的关键，并享有网络效应。 同样，扩展以太坊也不是赢家通吃的比赛。 从Layer1和Layer2改进中获得的可扩展性收益将相互叠加，尤其是如果项目可以为可组合的扩展机制共同努力的话。 胜利将是向PoS和以太坊的平稳过渡，保持其作为去中心化应用程序事实上的智能合约平台的最高地位。
