什么是以太坊扩容？ 以太坊扩张的计划是什么？

1.什么是以太坊扩容

Expansion 从字面上看，扩充就是扩大容量。 如果您的服务器容量不够用，您需要扩容。 这样，我们就有了一个基本的扩展概念。 以太坊的扩容意味着目标以太坊的容量和速度已经无法支撑不断增长的需求。 有必要扩大容量或承载内容以缓解当前压力。

今年以来，随着流动性挖矿和Uniswap的普及，用户发现交易的gas price成本飙升至500Gwei（约两三百人民币），交易确认时间较长，未确认的交易数量已超过140,000。 以太坊转账变得极其拥挤和昂贵。

虽然增加的链上活动有利于以太坊，但在严重的网络拥塞下，非常低的吞吐量也会导致高额交易费用。 此外，由于以太坊容量有限，大量本可以执行的交易因手续费高而无法执行，严重阻碍了以太坊生态的发展和用户的增长。 因此，以太坊扩容的话题被业界提升到了前所未有的高度。

2. 以太坊扩容的意义何在

以太坊目前每秒只能处理 15 笔交易。 目前主流区块链平台都在努力提升每秒交易量，但与Visa每秒数万的吞吐量（TPS）相比，还是相形见绌。 因此，如何在保证区块链安全性的同时有效提高区块的吞吐量，即实现区块链的可扩展性，为区块链技术的大规模应用提供技术支撑。

2017年以太坊因为ICO热潮开始变得拥堵，主链可以处理的交易量只有每秒15笔交易（tps）。 此后，开发团队陆续提出了相应的解决方案，但随之而来的熊市降低了人们的交易热情，此类方案淡出了投资者的视野。

三、以太坊的扩容计划

以太坊的扩容分为三种： Layer0 扩容，从计算机网络的物理层和网络层，提高区块链共识形成和完成的速度； Layer1扩容，提高区块链本身的TPS（transactions per second）； Layer2扩容，在不改变区块链基础设施的情况下增加区块链容量空间。

三种方法如下：

3.1、Layer 0方案

区块链的Layer 0扩展方案对应OSI模型中1-4层底层协议的修改和优化，以加快区块数据向全网节点的传输。 目前提出的解决方案包括BDN分发、组播锁定组、QUIC UDP协议。

目前Layer 1/2扩容方案遇到了自身的技术瓶颈，实施周期远超预期。 被寄予厚望的以太坊分片方案目前还处于研究阶段，还没有Proof of Concept。 大肆炒作的比特币闪电网络上线后，锁币被恶意丢失，节点被大规模DDoS下线。 由于这些技术的成熟实施需要突破计算机科学的学术前沿，因此在中短期内实现大规模实施的可能性较小。 相比之下，Layer 0 扩容方案之前很少有人提出，也很少有人关注。 反而有可能实现快速突破。 网络协议底层有很多中间件，由于历史原因，有很大的优化空间。 此外，许多传统网络协议针对服务器-客户端架构进行了优化。 因此，如果根据p2p网络的架构定制网络协议，就有可能获得大幅度的性能提升。 大名鼎鼎的快播，基于udp协议，对p2p网络进行了极大的优化，使其在一般的网络带宽下也能达到惊人的流媒体传输速度。

另外，一旦Layer 0扩容计划成功，对于其上方的Layer 1/2扩容计划将产生事半功倍的效果，只会进一步促进它们的发展。

3.2、Layer 1方案

第一层（Layer 1）扩容是指直接发生在区块链上的解决方案以太坊正在打包，通过改变区块大小或数据结构来提高处理交易的能力，例如分片和隔离见证，这是典型的链上扩容方案。

A. 碎片化

对于以太坊，Layer 1 解决方案的官方解决方案是升级核心以太坊协议，即 ETH 2.0。

分片是以太坊 2.0 的扩展选项。 分片将区块链分成多个部分，每个部分只需要网络中的一部分计算机来验证交易。 至于谁来验证哪些区块，系统会随机选择。 分片有助于区块链突破可扩展性问题，因为每次只需要进行部分交易验证。

分片实际上是传统数据库中存在的一种技术。 它将大型数据库划分为更小、更快且更易于管理的部分。 这些部分被称为数据片段（Vitalik Buterin 称它们为 Universe），但是当应用于区块链时会相当复杂。

以太坊的分片简单来说就是把区块链网络分成若干个更小的能够处理交易的组件网络，从而实现一个每秒可以处理数千笔交易的支付系统。

建立一个区块链，这个区块链系统中有一百个不同的宇宙，每个宇宙都是一个独立的账户空间。 一个用户可以在某个宇宙中拥有一个账户，用户发起的交易只会影响交易相关的宇宙。 （Vitalik Buterin 在 BeyondBlock 区块链技术交流会上的演讲）

以太坊 2.0 的部署分为四个阶段：

准备阶段：Casper FFG，即创建PoS网络。 网络采用的算法是Casper FFG。 现阶段还没有使用分片，但这是以太坊迈向 PoS 的第一步。

第一阶段：数据分片，这个阶段的分片只支持数据。

第二阶段：计算分片。 现阶段已经可以支持完整的应用和以太坊2.0的主要功能。

第三阶段：优化，即系统的优化，比如算法的更新：从Casper FFG到Casper CBC。

B、侧链

测试链是以太坊 Layer 1 扩容的非官方解决方案。 侧链和分片有一定的相似之处。 如果说分片是主链的“内部切分”，那么侧链就是将外部处理能力“外部嫁接”到主链上。

侧链协议本质上是一种跨区块链的解决方案。 通过该方案，数字资产可以从第一条区块链转移到第二条区块链，并可以在后一个时间点链上从第二条区块链安全地返回到第一条区块链。 第一条区块链通常称为主链或主链，第二条区块链称为侧链。 侧链是独立的网络，通常有一个共识层，通过双向挂钩连接到基础层协议。 没有第一层设计的负担，侧链可以支持超出其基础层能力的某些特性，包括但不限于可扩展性和互操作性，同时不依赖第一层存储。 尽管有这些所谓的好处，但这些分支网络需要参与者之间更多的信任和协作。 它的缺点是安全问题，因为得不到主链的安全。

例如，xDai 是以太坊侧链解决方案之一。 它使用POA Network出色的跨链桥接技术（Token Bridge Technology）桥接Dai稳定币作为通证。 它具有“可扩展和易于使用”的优点。 负责开发。

3.3、Layer 2方案

第二层（Layer 2）的扩展是在不直接改变区块链本身规则（区块大小、共识机制等）的基础上，再架设一层只需要必要的信息或共识参与（如数据错误、事件等）争议）只与区块链交互和传播信息。

如果将区块链比作一条道路，链下扩容并不是对原有道路进行修改和扩建，而是在现有路线的基础上，建设一条四通八达的高架桥或隧道，让大部分汽车行驶在新的高架桥上. 万不得已不走主干道。

Layer 2 项目是为缓解 Layer 1 的困境而创建的可扩展性解决方案。但是，并非所有的 Layer 2 解决方案都具有相同的解决路径。 不同的第 2 层方案之间存在各种权衡。 它们在安全性、性能、可用​​性等各个方面都存在差异，这些差异足以对它们的未来产生深远的影响。 对于投资者来说，这些差异也是选择项目的重要依据。

此外，这些差异也导致它们在未来可能适用于不同的用例和场景。 目前的Layer 2主要包括以下几类：Plasma、Sidechain、State Channels、Optimistic rollups、ZkRollup、Vadium。

Alexa Gluchowski 综合了各个层级，将主要的 Layer 2 解决方案简化成一个表格，基本表达了这些 Layer 2 不同技术路径的权衡和优缺点：

（六种layer2技术综合对比，来源：Alex Gluchowski）

A. 状态通道

状态通道的优点是延迟低，实时性高，缺点是用户数量有限，资金利用率低。 可用于小额支付/预测市场/赛马投注等。

在使用状态通道时，双方将建立链下状态通道，交换私钥对信息进行签名，进行链下交易。 当时，比特币实现了一个名为闪电网络的支付通道网络，它将状态通道相互连接起来：即使用户没有直接的状态通道，也可以通过几个中间节点逐层转发。 在渠道网络上。

基本上，状态通道的延迟可以达到互联网的延迟。 比如服务器之间的延迟是多少，这个状态通道的延迟是多少。 通过市场上其他链发送交易的速度以秒为单位。 但是状态通道一般以毫秒为单位。 此外，它还有实时性非常高的优点。

虽然状态通道的扩容意味着你拥有的节点越多，你的网络就越大，你的容量就越大。 这只是一个美好的想法，但实际上它受到了很大的限制——流动性利用率低（low capital utilization）。

状态通道是一种需要双方将钱存入链上，然后向对方发送支付的通道。 第一步是在链上存钱，这是有限的。 也就是说，比如你手里有1000个以太币，状态通道只能发送1000个以太币。 如果你突然发一笔超过 2000 的以太币，它什么也做不了。 如果只能用状态通道来转发的话，这个效率是很低的。

B. 等离子

Plasma 的缺点是不能应用于智能合约，用户运行节点的负担很重。

Plasma 是 V 神认为非常有前途的解决方案。 Plasma 的问题在于它只能做好支付，而对于稍微复杂一点的智能合约就无能为力了。 作恶者不会在链上给你提交数据，这样的纠纷至少要等两周才能解决。 这个过程是用户无法接受的。 另外，由于Plasma的数据都是链下的，用户运行Plasma的节点负担非常重：如果运行时间长了，会消耗几十上百个G，超出了Plasma的承受能力手机。

C.汇总

Rollup 的优点是数据在链上，可以随时验证（这也是和 Plasma 唯一的区别），链下支付可以用任何 token 支付，而链上支付只能用以太坊

Rollup 是 19 年慢慢流行起来的一个概念。 是链下计算+链上数据+防欺诈。 那么它最关键的一点就是并不是所有的数据都上链，它的链上数据仅限于每一笔交易的输入，而不包括它的最终状态。 比如你从a到b，我只是告诉你路径； 但是你在a做了什么，b做了什么，链下记录了这个状态。

任何人和任何用户都可以查看 Rollup 区块，即打包的交易，然后替换这个状态的转移。 如果状态传递错误，用户可以在链上提交 Fraud 证明，淘汰验证者。 因为验证者在链上有一个质押物，如果他作恶，他的质押物就会被没收。 虽然不是每个 Rollup 都会被验证，但验证器会继续运行。 一旦发现作弊（比如A给B发了1元，但是记录了A给B发了3元），就可以得到相应的奖励。 这个过程可以理解为任何人都可以进行抽查和检查。

它的优点是数据全部上链，用户可以随时验证，不会像plasma那样存在数据可用性问题。 而且验证的结果是唯一的。 如果验证者在链下运行智能合约，他会发现验证链下的计算是否与链上的智能合约一致。 从经济的角度来看，一般的验证者是不太可能作恶的，因为他的质押量太大了。

Rollup 和 Plasma 其实非常相似。 只是Rollup把数据放到了链上，Fraud Proof的过程会很简单。 Rollup的TPS会是主链的数百倍，一般在几百甚至上千级别； 根据不同的业务，如果应用再简单一点，应该可以做到千级。 Plasma最高的TPS可以达到数万。

Rollup 可以分为 Optimistic Rollup 和 Zk Rollup。

乐观汇总

Optimistic Rollup 在技术上比 ZK Rollup 更简单。 它的优点是可以支持常见的智能合约。

Optimistic 和 ZK 都涉及最终性问题。 Optimistic Rollup 的 finality 比较长。 用户未通过此证明，退出期需要一到两周。 在此期间，系统会给足够多的窗口，让足够多的人来验证这件事。 ZK 不存在这个问题，因为一旦它的零知识证明上链，它的最终性就被确认了。

ZK Rollup

ZK Rollup可以支持支付和DEX，缺点是耗内存和CPU/不能支持智能合约，落地还有时间

ZK 和 Optimistic 的区别在于 Fraud Proof 变成了 Validity Proof。 这两种验证方式相当于两种不同的思维方式：Optimistic Rollup是乐观的思维，就是相信验证者不会作恶； ZK是悲观的思想以太坊正在打包，认为验证者还是会作恶，所以需要生成一个零知识证明，然后用Rollup打包上链。 大家不需要跑状态转换来验证，因为这个转换已经通过了零知识证明。

那么 ZK Rollup 有什么问题呢？ 对这个节点的要求非常高。 ZK Rollup 会消耗 CPU 和内存，需要强大的服务器来做这个打包。 Optimistic Rollup 对打包器没有那么高的要求。 唯一的要求就是验证者在链上做出承诺，保证自己不会作恶。

由于这个ZK的复杂性，目前只能用于一些特定的应用：比如支付、DEX。 此外，ZK还包括零知识电路，这是密码学中一个非常新的概念，目前存在安全隐患的可能性。