區塊鏈:以太坊透析——可擴展性、ETH2.0和Ethereum發展前景

擴容能力是什么？

Billions項目組簡單地來說，可擴展性就是對系統增長能力的衡量。就比如，在計算中網絡或服務器可以通過不同方法擴容來處理更多的需求。

加密貨幣中的可擴展性指的是區塊鏈可擴展容納更多用戶的程度。其中的更多用戶意味著區塊鏈將涉及更多的操作和交易競爭。

Ethereum擴容必要性

Ethereum的擁護者認為互聯網的下一次迭代將會在該平臺上建立。而那時的Web3.0將帶來一種分布式拓補結構，不再需要中間商、會更注重隱私性，并最終轉向數據的自我擁有。而這些基礎屬性將通過分布式存儲/通訊協議和智能合約式的分布式計算來構建。

而為了實現之這一目標，Ethereum需要在不損害去中心化的前提下，大規模提升網絡處理交易的能力。目前，Ethereum并未像Bitcoin那樣通過限制區塊大小來限制交易量。而只是向區塊中納入了gaslimit。

比方說一個區塊的gaslimit為100,000gwei，則當向該區塊中提交10筆gaslimit為10,000，又或者是2筆gaslimit為50,000的交易時，任何其他的交易都需要等待下一個區塊。

Cymbal推出“人類可讀”的以太坊區塊鏈瀏覽器:金色財經報道，Cymbal宣布推出“人類可讀”的以太坊區塊鏈瀏覽器，并于今日發布了測試版，Cymbal標榜自己是第一個“人類可讀”的以太坊區塊瀏覽器，它采用與標準瀏覽器相同類型的公共區塊鏈數據，并將其轉化為不僅可視化、一目了然且易于理解的摘要，而且還具有社交性。Cymbal通過人工智能工具運行這些數據，生成交易和趨勢的對話摘要，使普通用戶更容易理解。Cymbal首席執行官兼聯合創始人Eric Feng表示，Cymbal正在通過OpenAI的GPT大語言模型運行該工具。[2023/7/20 11:05:49]

對于每個人都在使用的系統來說，這并不理想。而且當未決交易數量超過區塊可用空間，就會很快出現積壓。同時gasprice價格也將上漲，此時人們就不得不支付更高價格來使自己的交易被優先處理。也就說繁忙的網絡會使得特定用例中的操作變得非常昂貴。

當初風靡一時的CryptoKitties游戲則是Ethereum網絡局限性很好的示例。2017年，基于Ethereum的游戲CryptoKitties吸引了大量用戶在網絡中進行交易來進行虛擬貓的繁殖。而迅速的普及也使得待處理交易火箭式上升，最后導致了網絡的極度擁堵。

Blockchain可擴展性三角困局

從表面上來看只要提高區塊的gaslimit就可以緩解所有可擴展性問題。也就是上限越高，網絡在固定時間范圍內就可處理更多的交易，對吧？

Nansen：以太坊累計質押量達2300萬枚ETH創歷史新高，Lido占比32%:金色財經報道，據區塊鏈分析公司Nansen披露數據顯示，當前以太坊累計質押量已達到 2300 萬枚 ETH 創下歷史新高，其中 Lido 質押量位居榜首，貢獻了所有質押 ETH 的 32%（725 萬枚），Coinbase 以 9.6%（220 萬枚）位居第二，Stakefish 以 6%（140 萬枚）排名第三。此外，通過 LSD（流動性質押衍生品）存入的質押 ETH 中，Lido 占比達到 77%。[2023/6/20 21:50:22]

遺憾的是，除非犧牲Ethereum的某些關鍵特性否則這是不可行。VitalikButerin提出了BlockchainTrilemma來解釋區塊鏈必須達到的微妙平衡。

區塊鏈三角困局：擴容、安全區塊鏈三角困局：擴容、安全和去中心

上述三個特性中只能取其二。例如Ethereum和Bitcoin等區塊鏈都將安全性和去中心化放在了首位。它們的共識算法確保了網絡的安全性，但其中的網絡是由成千上萬的節點組成，所以降低了網絡的可擴展性。由于接收和驗證交易都是由眾多節點來完成的，所以相比于中央式方案要慢得多。

動態 | 以太坊供應量今年已下降12.6%:金色財經報道，自君士坦丁堡升級以來，在伊斯坦布爾硬分叉即將到來之時，今年采礦業新增的以太坊供應量下降了12.6％。據悉，2016年，以太坊的每日發行量一直穩定在30,800，到2018年下降到20,000。在今年2月，即君士坦丁堡更新到來時，新的供應量約為13,500，然后在11月底下降到了11,800。[2019/12/5]

另一種情形則是移除區塊的gaslimit，這樣的網絡則同時具有安全性和可擴展性，但不再是去中心化。

此時單一區塊中將包括更多的交易，最后形成更大的區塊。而網絡中的節點仍需定期下載和廣播區塊，所以就需要大量的硬件基礎。也就是說，當gaslimit提高時，節點驗證、存儲以及廣播區塊的難度將會增加。

在此過程中無法跟上節奏的節點將會退出。假如此種方式持續下去，則僅會有少部分強大的節點幸存，而這就導致了系統的更加中心化。最后你會得到一個安全且可擴展的區塊鏈，但并會去中心化。

最后一種情況是，區塊鏈選擇了去中心化和可擴展性。也就是網絡犧牲了共識算法來實現更快的速度和去中心化，而結果卻是安全性降低了。

Ethereum的交易處理率

最近這些年，Ethereum的TPS很少會超過10。對于一個計劃成為“世界計算機”的平臺來說，這個數字低得驚人。

聲音 | 孫宇晨：將DApp從以太坊區塊鏈轉向Tron網絡:據ambcrypto消息，Tron基金會首席執行官兼創始人孫宇晨要求開發人員停止在以太坊區塊鏈上部署DApp，轉而使用其官方的Tron區塊鏈。他表示，他們比以太坊快100倍，并與以太坊完全兼容。[2018/9/24]

可擴展性解決方案一直都是Ethereum發展過程中重要部分。而Plasma就是解決方案的一種。該解決方案旨在幫助Ethereum及其他區塊鏈網絡提高效率。

Ethereum2.0

Ethereum的確具有很大潛能，但并不能掩飾其存在的局限性。之前我們也已經討論過在可擴展性方面的局限性。簡言之，如果Ethereum想成為新經濟體強有力的支柱，則它就必須每秒處理大量的交易。而鑒于網絡的分布式特性，導致該問題很難解決，而且多年來Ethereum的開發者們也致力于該難題解決方案研發。

一方面，為了保持網絡的去中心化特性，必須設置一定限制。然而當運行節點的操作條件越高，網絡中的參與者就會越少，而網絡也將逐漸中心化。所以提高Ethereum處理交易的能力時節點的負擔就會增加，從而威脅到網絡的完整性。

Ethereum以及其他PoW加密貨幣的另一弊端是，它們都是資源密集型。也就說為了能在區塊鏈上成功添加區塊，就必須進行挖礦。而此種區塊添加方式則需要大能耗快速計算。

以太坊聯合創始人Lubin：加密貨幣應該“不受監管限制”，ETH是燃料:以太坊聯合創始人Joseph Lubin認為，加密貨幣市場應該擁抱監管機構，不過他也指出，確保不扼殺創新這一點至關重要。Lubin歡迎美國和世界其他地方的監管機構進入加密貨幣領域。他認為需要監管機構對什么是證券代幣進行澄清，而ETH不是證券，而是加密燃料。[2018/5/26]

為了解決上述局限性，遂提出了一系列升級計劃，統稱為Ethereum2.0。一旦全面實施，則將會有效提升網絡的性能。

Ethereum分片

通過以上理解我們知道，每個節點都會存儲區塊鏈副本。而每個節點也都將隨著區塊鏈的變化而更新，這一過程將消耗巨大寬帶和可用內存。

而如果使用名為“Sharding”的方法，則該過程就可避免。通過名字就知道該過程是將網絡劃分為不同節點子集，也就是所謂的shards。每一個分片都將處理自己的交易和合約，同時也會按照要求與其他網絡的分片進行通信。并且由于每個分片都將獨立驗證，所以它們不需要存儲其他分片的數據。

2020年3月的網絡VS實施分片的網絡“分片”是一種復雜的擴容方式，需要大量的設計和實施工作。然而，倘若成功實施，則網絡的吞吐能力將會以數量級提升。

EthereumPlasma簡介

EthereumPlasma是一種鏈下擴容解決方案。顧名思義，也就是將交易脫離區塊鏈以便于提高網絡吞吐量。此時的它就與側鏈和支付通道有些相似。

通過Plasma，側鏈就可以與Ethereum區塊鏈主鏈錨定，并保持一定程度的通信。它們的運作大體上是獨立的，也就是用戶依靠主鏈來解決爭端，靠側鏈來完成他們的活動。

Ethereum擴容成功的關鍵在于減少節點必須存儲的數據量。Plasma方案則允許開發者在主鏈的智能合約中規定“子鏈”的一些規則。之后就可以將主鏈上昂貴的操作轉移到“子鏈”完成。

以太坊rollup介紹

Rollups類似于Plasma，他們都是將交易從主鏈中脫離，以此實現以太坊的擴容。那么，他們都是如何運作的呢？

通過在主鏈上的單個合約中，持有二級鏈上的所有資金，并保持該鏈當前狀態的加密證明。二級鏈的運營者在主網合約中存入保證金，并確保僅將有效的狀態轉換提交給主網合約。基于當前的思路，由于該狀態是在鏈下維護的，因此無需將數據存儲在區塊鏈上。但是，Rollups與Plasma的主要區別是將交易提交給主鏈的方式。Rollups使用特殊的交易類型，這種方式可以匯總海量交易，并將其捆綁在一起成為特殊的區塊，稱為Rollup區塊。

有兩種不同類型的rollup：Optimistic和ZKRollup。兩者都通過不同方式保證狀態轉換的正確性。

ZKRollups使用一種被稱為零知識證明的密碼學驗證方式進行交易提交。其中一種較為特別的方法被稱為zk-SNARK。我們無法得知它工作的具體細節，但是會明確它的確被Rollups所使用。這是一種可以讓互不認同的雙方互相證明自己所擁有特定的信息，而又不不需要互相透露該信息是什么的方式。

就ZKRollups而言，這種信息是提交到主鏈的狀態過渡。這樣做的一個很大好處是，這個過程幾乎會立即發生，而且幾乎沒有機會提交損壞的狀態。

優化滾動犧牲了某些可調整性以獲得更大的靈活。通過使用一個名為優化虛擬機(OVM)的虛擬機，這些虛擬機允許智能合約在二級鏈上運行。另一方面，這種方式不會有加密證據提交給主鏈，證明該狀態過渡是正確的。為了緩解這個問題，會稍微將狀態進行延遲，支持用戶質疑和否定提交到主鏈的無效區塊。

Ethereum權益證明機制

權益證明是工作量證明替代方案，用來驗證區塊。在PoS系統中新區塊并不是通過挖礦來獲得，而是通過鑄造來完成。礦工不再需要通過算力來競爭。現在的候選區塊是由周期性隨機選擇出的節點來完成驗證的。如果操作正確，則該節點將會獲得區塊中所有的交易費用，有時也可能根據協議獲得區塊獎勵。

由于PoS過程中不涉及采礦，所以它被認為是一種環境友好型方案。驗證者消耗的能量相比于礦工要少得多，結果就是可以在消費級硬件上鑄造區塊了。

Ethereum2.0的升級過程中，會通過名為Casper的更新將PoW變革成PoS。目前確切的日期還未知，但第一次迭代可能會在2020年推出。

EthereumStaking

在PoW協議中，網絡的安全性由礦工來保證。其中的礦工并不會作弊，因為作弊只會白白浪費電力而并不會獲得任何獎勵。在PoS中并不存在此種博弈關系，而是通過其他加密經濟學措施來確保網絡安全。

在PoS中防止不誠實行為的不是能源浪費風險而是資金損失顧慮。驗證者需要抵押一定數量的代幣才可能獲得驗證權。如果節點試圖作弊，則他所質押的代幣將會被銷毀，而如果該節點無響應或脫機則質押代幣也將逐漸耗盡。

Ethereum中所需ETH質押量

想獲得驗證權的最低質押量為32ETH。此高額設定可有效的防止51%攻擊。

Ethereum中ETH的質押收益率

收益率的大小并不固定。因為收益不僅取決于你抵押的代幣量，還受到網絡中總ETH質押量以及通貨膨脹率的影響。粗略估算，目前年收益率大約為6%。當請記住，這個數字也只是現在，并不代表未來。

質押鎖定期

想要取回ETH時，就會被放入到一個取款隊列。如果不排隊的情況下，最短的贖回時間為18個小時，且時間會根據當時正在取款的人數動態調整。

質押安全性

因為你是負責網絡完全的驗證者，所以需要將各種風險考慮在內。如果驗證節點長時間離線，則將會損失很大一部分押金。而當你的押金低于16ETH時，就被會被移出驗證者集合。

還存在另一個系統性風險因素。權益證明機制之前未在大規模網絡上實施，所以不能保證它不會出現崩潰。軟件總是存在缺陷和漏洞的，而且可能會造成毀滅性影響，尤其是質押價值達到數十億美元的時候。

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