區塊鏈:解析 | 以太坊的擴容問題及解決方案

以太坊開發者很早就意識到以太坊網絡擴容是一個值得探討和投入的主題。然而，直到2017年底，擴容性問題才開始顯現：一個名為CryptoKitties的去中心化應用程序造就了大量流量，導致網絡產生延遲。除此之外，gas的價格也隨著用戶競相進行交易驗證而飆升。

雖然這個故事現在已經過度報道和消費，但CryptoKitties事件確實揭示了一個現實：目前以太坊網絡的容量狀態可能還沒有為成功的dApp帶來的巨大流量做好準備。速度緩慢和成本不穩定的原因使人們對以太坊平臺和去中心化應用程序敬而遠之。DApp開發者正致力于首個能真正實現廣泛采用的應用程序，所以開發者必須持續攻克區塊鏈擴容問題。

擴容性解決方案面臨“三元悖論”

圖源ConsenSys

區塊鏈技術中有這樣一個理論：

網絡可以同時支持以下的兩種屬性，即安全性、去中心化和擴容性。此即“三元悖論”，在這個現象越來越為人熟知時，也已經成為了以太坊開發者要面臨的挑戰，因為開發者想要在提升擴容性以供更廣泛的采用和實現時，也能維持區塊鏈的核心特征。然而目前有些擴容性解決方案會嚴重影響安全性或者去中心化：

安全團隊：Reaper Farm項目遭到攻擊事件解析，項目方損失約170萬美元:據成都鏈安“鏈必應-區塊鏈安全態勢感知平臺”安全輿情監控數據顯示，Reaper Farm項目遭到黑客攻擊，成都鏈安安全團隊發現由于_withdraw中owner地址可控且未作任何訪問控制，導致調用withdraw或redeem函數可提取任意用戶資產。攻擊者(0x5636e55e4a72299a0f194c001841e2ce75bb527a)利用攻擊合約(0x8162a5e187128565ace634e76fdd083cb04d0145)通過漏洞合約(0xcda5dea176f2df95082f4dadb96255bdb2bc7c7d)提取用戶資金，累計獲利62ETH，160萬 DAI，約價值170萬美元，目前攻擊者(0x2c177d20B1b1d68Cc85D3215904A7BB6629Ca954)已通過跨鏈將所有獲利資金轉入Tornado.Cash，成都鏈安鏈必追平臺將對被盜資金進行實時監控和追蹤。[2022/8/2 2:54:19]

從理論上來說，使用代幣是擴容問題的解決方案之一。這個方案擯棄了所有交易都發生在一條區塊鏈上的想法，采行多個代幣共存但運行于獨立區塊鏈上的模式。通過將運行壓力分布至其他區塊鏈上使得擴容性得以實現。但是，如此一來每條區塊鏈的節點將會減少，那么區塊鏈就更容易受到攻擊或產生欺詐行為。因此，使用代幣的解決方案兼顧去中心化和擴容性，但對于安全性卻是捉襟見肘。

動態 | 以太坊域名服務ENS將加入多代幣支持，未來可解析至比特幣地址:go-ethereum和以太坊域名服務（ENS）核心開發者Nick Johnson今天在Twitter 宣布，已經提交了ENS以太坊域名的多代幣支持，該提議通過后ENS以太坊域名將支持解析域名到多個區塊鏈地址，其中甚至可以包括比特幣地址。這也意味著，ENS以太坊域名將可能成為跨鏈的域名系統，用戶可以通過一個域名在多個區塊鏈間互通，未來只需要向其他人展示自己的ENS以太坊域名即可。目前已經有多個數字加密貨幣錢包支持ENS以太坊域名，在使用以太坊錢包進行轉賬時，不需要再輸入冗長的以太坊0x 地址，而只需要輸入短地址即可。[2019/9/9]

擴大區塊容量是另一個解決擴容性問題的理論方案。如果每個區塊的容量增加，所有的節點仍然可以運行各種操作，但是同樣的時間卻可以容納更多的交易。然而，隨著區塊容量增大，需要耗費更高的成本來打包交易，這對于許多礦工來說是難以負擔的。這就可能導致網絡將來被一些超級計算機掌控，因為它們擁有足夠驗證每個區塊的資源。由此看來，增加區塊容量能夠保證安全性和擴容性，卻顯著降低了網絡的去中心化程度。

確實，在區塊鏈發展之初，我們的關注點主要是安全性和去中心化。因此，要實現擴容性最大的阻礙是每個節點都需要親自處理每筆交易。即使做到絕對安全和去中心化，系統已經沒有為擴容性解決方案預留下多少空間。那么問題來了，

動態 | 基于共治鏈的共治根域名解析架構發布:據光明網消息，在日前由國家互聯網信息辦公室指導、中國互聯網絡信息中心（CNNIC）主辦的中國互聯網基礎資源大會上，中國互聯網絡信息中心主任曾宇發布了基于共治鏈的共治根域名解析架構。中國互聯網絡信息中心（CNNIC）作為我國國家頂級域名注冊管理機構，負責國家網絡基礎資源的運行管理和服務，從2016年開始，開展區塊鏈技術在域名領域應用的研究，驗證了運用區塊鏈技術進行域名數據管理的可行性。在此基礎上，聯合多家單位設計了基于共治鏈的共治根新型域名解析系統架構。[2019/7/3]

我們要如何對以太坊進行擴容，而不影響安全性和去中心化的前提。

目前有四種協議在開發中，以期解決擴容性問題，即分片(sharding)、Plasma和雷電網絡，至于第四種協議，Casper，在內容上更為廣泛，但仍然對以太坊甚至是其他區塊鏈網絡提供擴容性參考。

分片Sharding

分片這種擴容方案仍然將所有交易運行在原來的區塊鏈上，因此被稱為

“鏈上”方案。上文提到以太坊中的每個節點都需要處理每筆交易，而分片就旨在解決在以太坊網絡交易的線性問題。

分片可以讓節點同時并行操作，也就提高了整體區塊鏈的每秒交易處理量。在分片方案下，以太坊網絡可以被劃分成多組節點。每組節點構成一個分片，每個分片處理組內的所有交易。這就使得每個分片可以同時處理不同的交易。

動態 | 日本Catabira推出基于區塊鏈的數據解析平臺:據Prtimes消息，日本信息服務商Catabira宣布推出基于區塊鏈的商業服務級數據解析平臺Catabira Insights For Blockchain，將利用區塊鏈技術不可篡改的特性保證調查數據的真實性。[2018/11/8]

在每個分片內部，某些節點扮演了“匯總人”(collators)的角色，定期創建“匯總”(collation)，或者說是關于該分片的信息合集。每個collation都會包括以下信息：

1.該collation所屬分片信息；

2.交易完成之前分片狀態的信息；

3.交易完成之后分片狀態的信息；

4.2/3匯總人的數字簽名以驗證collation中的信息。

在網絡中，每個分片中的匯總信息都會被整合進一個單獨的區塊，然后添加到到以太坊區塊鏈中。也就是說，分片技術使得節點組合處理并驗證交易，但只有匯總信息會被添加到區塊鏈上。假設有10個分片，每個分片處理5筆交易，那么下個區塊鏈中的區塊則包含了50筆交易信息，而不再要求節點按順序處理這五十筆交易。

但是分片技術會伴隨兩個問題。首先，每個分片都必須保證有足夠多的節點才能確保網絡的安全性。如果節點過少，那么2/3的匯總人則有可能進行串通，從而產生惡意行為。其次，兩個分片之間的交易處理難度很高，如果只存在一個分片，則不會產生類似問題，因為它代表了整個區塊鏈。目前的方法還需要詳盡的收據和證明。

摩根士丹利分析師深度報告全解析：比特幣“見底”規律及六大必讀趨勢:摩根士丹利分析師Sheena Shah 19日發表最新研報。主要觀點包括：今天正在經歷的比特幣熊市早就在2000年的納斯達克市場上演過，只不過是以15倍速度在“快進”；熊市看到唯一交易量增加的數字貨幣可能就是USDT，盡管USDT的可靠性遭遇廣泛質疑，因為交易員們面對各種幣的大跌只能暫時先買回USDT；日元升值可能促使日本散戶增加對比特幣的投資；千幣齊跌，但區塊鏈行業依舊火熱，對于傳統VC來說，參與ICO也有三大好處；比特幣與其它幣之間的相關性隨價格下跌而上升，市場上漲時，它們的相關性反而下降；比特幣在不同交易所的價差顯示，價格觸底反彈的日子，價差會有規律的突然拉大。[2018/3/20]

Plasma

Plasma是另一種在

?“鏈下”?處理交易的解決方案，也就是說，交易并不是在以太坊主網上進行。

Plasma使得許多區塊鏈能夠從原來的區塊鏈上分離出來。因此，每條子鏈都能在基于根鏈底層安全性的前提下，獨自處理和維護交易。

通過Plasma，子鏈中的所有計算都由根鏈助推，但是根鏈只需要在某條子鏈中產生爭議的時候親自進行計算。這種方案使得區塊鏈上的所有交易信息可以由子鏈分擔，從而在速度和效率上達到最優。根據子鏈節點的意愿，他們可以撤回交易信息，并且將交易記錄輸出至根鏈。

這個方案有一個獨特的優點。每個Plasma鏈都能制定自己的標準和規范，這意味著不同的子鏈能夠支持針對不同需求的交易，同時所有的交易都處于同樣的、安全的環境中。

雷電網絡

雷電網絡也是一種

鏈下擴容解決方案，可以使節點之間維護交易記錄而不用請求根鏈驗證每筆交易。兩個節點之間可以開通一個

“狀態通道”(statechannel)，這是用戶間的雙向通道。交易信息會在兩個節點之間傳遞，并且需要雙方簽名來保證不可篡改性。

雷電網絡對于經常性和規律性支付來說十分實用，例如，用戶需要每周支付某公司10美金以獲取某項服務，或是在超市進行定期采購。在兩個節點間記錄并驗證此類交易，而無需調動整條區塊鏈中的節點，如此一來根鏈就可以釋放出巨大的空間。

無論何時，狀態通道中的參與者可以選擇關閉交易，但所有交易的最終結果都會記錄在根鏈上，繼而被包含在下一個區塊中。這意味著，假使連續一年每周支付10美元，區塊中的最終交易記錄是520美元，而非52筆10美元的交易。

雷電網絡解決方案有利有弊。問題在于節點只能與他們的“鄰居”交流，也就是說如果節點A和節點B之間開啟了一條狀態通道，節點B和節點C之前也有一條狀態通道，A無法直接向C發送資金。但是以這種通道形式進行交易可以避免資金被盜取或鎖定。A雖然無法直接轉賬給C，但可以將B作為“中間人”，而B由于受到A和C的限制，也無法竊取資金。

而雷電網絡最主要的優點，就是可以大幅降低交易的gas費用。因為與根鏈上的交易相比，發生在節點之間的鏈下交易所需gas成本更低。

Casper

Casper是

一系列共識協議的集合，該協議旨在幫助以太坊從工作量證明(PoW)轉向權益證明(PoW)。在工作量證明算法下，為了解決加密難題挖出新區塊，礦工必須要耗費一定能源。若是正確解決難題，他們就可以獲得獎勵，但這個過程需要大量能源成本。PoS挖礦確實有燒錢和能源浪費兩大缺陷，目前每年需要花費120億美元來維持工作量證明機制。

在權益證明(PoS)中，驗證者會取代礦工在區塊鏈中對區塊進行驗證。驗證者通過在某個區塊上質押資產進行驗證，避免了計算難題所需的資源成本。質押數額最高的區塊會被驗證，進而被添加到區塊鏈中。

實質上，驗證者通過在合約中鎖定資金押注某個區塊會被添加到區塊鏈中，直到下一個區塊被加入并且被證明是正確的區塊，他們就會獲得獎勵。如果驗證者施行不正當行為，那么他們所質押的資金將會被罰沒。

從概念上來看，PoW到PoS的轉變可以防止區塊鏈被惡意攻擊。在PoW算法下，一次失敗的區塊鏈攻擊僅僅使攻擊者損失了時間和資源成本。但在PoS算法下，失敗的攻擊則會直接導致經濟損失，因為他們質押在錯誤區塊中的資金將會被立即罰沒。

Casper最終的部署將基于該協議的兩個迭代：CasperFFG和CasperCBC。這兩個協議將被部署在以太坊上用于網絡測試PoS，并且在算法過渡完成之前識別潛在問題。

CasperFFG?

CasperFFG使Casper的首個迭代版本，其中區塊依然經由PoS算法挖出。不同的是，每50個區塊就會有驗證者介入測試PoS機制。這個“檢查點”會使用PoS協議來評估最終確定性。“最終確定性”意指該次操作已經完成且完全不可篡改。在FFG中，驗證者質押資金以完成前50個區塊的最終驗證。

譯者注:CasperFFG由于混合了PoW和PoS機制，使得主鏈和分片鏈的開發工作中存在大量重復的勞動，因此FFG于去年6月被棄置。而在理論上CasperCBC更具有可實現性、部署速度會更快，因此CBC將會被部署于以太坊2.0中。

CasperCBC

CasperCBC(Correct-by-Construction)?是Casper的第二個迭代。通常來說，要部署一個協議需要先正式確定，然后證明其符合所有給定的特性。而CBC中的PoS協議僅需要部分確定，為了滿足相關屬性再做進一步精細調整。因此，不同于從一開始就有精確的定義，該協議將采用循序漸進的方式進行部署。

那么CBC如何適應過程中可能出現的問題呢？這就需要通過一個被稱為“理想對手”的協議來為CBC提出假設、錯誤和協議未來可能面臨的問題。

Casper系列協議不僅僅囊括了擴容性議題，其中還包括節省能源和提高安全性的考慮。然而，隨著增加區塊所需能源損耗的降低，要實現網絡擴容也將更具有挑戰性。盡管Casper并不是專門為實現擴容設計的，但仍然會為網絡的流量承載能力作出積極貢獻。

譯者注：進一步了解CasperCBC，可閱讀文章《CasperCBC：什么是共識和確定性？》、《CasperCBC協議安全性證明》。

結語

值得注意的是，

以上這四個方案互不相斥，它們將被全部應用到以太坊2.0的更新中，或多或少地解決以太坊的擴容問題。擴容性問題是近幾年來以太坊開發者的關注焦點。隨著越來越多的dApp開發和上線，更完善的擴容性解決方案也會持續出現在我們的視野之中，幫助未來的以太坊將潛力發揮到極致。

原文鏈接：https://media.consensys.net/the-state-of-scaling-ethereum-b4d095dbafae

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