深度拆解以太坊八大擴容路，V神選擇了最難的那條！區塊鏈
以太坊歷盡千帆，歸來仍在擴容，源源不斷的新方案新思路新架構......
以太坊歷盡千帆，歸來仍在擴容，源源不斷的新方案新思路新架構......
引言
眾所周知，以太坊網絡有限的交易處理能力極大阻礙了其成為“世界計算機”的步伐。以太坊創始人Vitalik曾多次公開示，在保持既有安全性與去中心化特性的前提下實現區塊鏈擴容，是當下以太坊技術團隊的核心工作。
然而，由于時至今日，遲遲未見其擴容技術方案帶來的質性飛躍，眾多開發者和用戶對以太坊智能合約平臺的擁堵現狀及應用前景日漸憂慮。
自2016年以來，以太坊的種種擴容嘗試就經常性涌入公眾視野（包括Plasma、Sharding、Casper等等），究竟其擴容方案都經歷了哪些變化，當前進展以及最新規劃如何，小蔥特此對以太坊的擴容長征路進行了梳理與分析。
擴容呼聲日漸迫切 V神丟出新構想
近日，以太坊客戶端Parity的開發人員Afri Schoedon指出以太坊已經超負荷運行，提醒用戶“不要繼續在以太坊網絡部署DAPP”，并呼吁開發人員轉移到以太坊經典（ETC）或POA網絡（基于以太坊的側鏈），他認為這些網絡的交易處理能力依然很強。
對此，Vitalik當即回應表示“不同意”Schoedon的看法，并指出，“1）大多數DAPP都有優化gas的空間，就算你不這樣做，只要你的DAPP抬高了gas費用，增加了網絡壓力，其它DAPP也會進行優化；2）以太坊鏈上還有很多毫無價值的垃圾交易；3）每個人都應該研究關注二層方案。”
并且，Vitalik在以太坊技術論壇上發文表示，二層方案不需要權衡數據的可行性，也沒有活躍度要求。如果部署得當，使用zk-snarks進行批量交易驗證，以太坊可以“大量”擴容，每次交易的成本不會高于1000 gas，最多可完成每秒500筆鏈上交易，十分安全，且不依賴第二層擴展方案（如Plasma或雷電網絡）。
在該論壇上，Vitalik與眾多開發者就該方案的實現進行了討論。他承認運用zk-snark技術實現批量交易驗證將伴隨大量的零知識證明計算工作（證明的生成），不過他認為，證明計算的性能無需擔憂，從長遠來看，可以將這些工作外包給采礦業和GPU農場。
Vitalik指出利用零知識證明技術做批量交易驗證是一個二層解決方案，其設計難點在于：要求每個驗證器都實際擁有所有數據，需要隨機抽樣的驗證器子集來證明不同數據子集的所有權，而這就需要通過“分片”設計來解決，這是難點所在。
小蔥注：zk-snark，是一項隱私應用非常廣泛的技術，全稱是Zero knowledge succinct non-interactive argument of knowledge(零知識簡潔非交互知識的證據)，已在Zcash項目里經過實踐檢驗，被認為是較成熟的技術。zk-snark技術的亮點在于，生成證明的簡潔，以及驗證速度的高速。本次Vitalik提出的方案中使用該技術的目的旨在提升可擴展性，而非強化隱私。就目前來看，以太坊2.0中具體如何落地這一技術還處于探討之中。
以太坊開發人員很久之前就注意到區塊鏈擴容的重要性。也討論和提出過諸多實驗方案。
擴容伊始 ：那些被pass的理論方案
替代幣（altcoin）擴容方案
理論上，可使用替代幣（altcoin）解決擴容問題。該方案是將轉賬計算放在鏈下進行，并且接受同時存在多個替代幣，它們各自擁有自己的區塊鏈。如此一來，每個區塊鏈減少的流量，能讓整個區塊鏈得以擴容。但它造成的直接后果是，每個區塊鏈有更少的節點，容易被攻擊或出現惡意用戶。使用替代幣維持了去中心化和提高了擴容性，卻極大舍棄了安全性。
增加區塊大小
以太坊網絡中增加區塊大小，即提高gas值限制。2017年6月，以太坊基金會聯合創始人Hudson Jameson曾呼吁礦工手動修改Gas限制以提高網絡的交易吞吐量。但該方案也存在諸多弊端：隨著Gas值上限被放大，網絡易于被那些擁有大量驗證處理能力的超級計算機掌控，淪為中心化系統；且該方案會導致以太坊網絡出現叔塊（處于非最長鏈上的區塊）的幾率升高，所以大部分礦工對這一擴容方式未作過多響應。
盡管擴容實現遇到種種阻礙，但以太坊開發者們不斷尋求擴容問題的出路，并先后提出了多項技術方案。
擴容探索：多項技術方案并行研究
EIP648擴容提案：并行活動
2017年6月17日，V神在Github 開源代碼庫上發布了名為 EIP 648 的擴容提案。
該方案旨在通過各節點間的高效并行來緩解交易擁堵問題。節點在多個內核上并行進程，允許在一個線程上單獨運行ICO，而以太坊網絡保持不變。簡言之即分流，將ICO活動與以太坊網絡運行分開進行，這樣就能在不影響正常以太坊網絡流量的情況下同時處理多個 ICO 項目（據V神的說法，最多可達到8個）。但即使通過將這些活動分開運行，也終究是治標不治本，非長久之計。
小蔥注：EIP（Ethereum Improvement Proposals），即以太坊改進建議。為促進以太坊網絡發展的去中心化，以太坊社區內每件與以太坊未來發展有關的意見建議, 都可以用EIP格式提交出來，經過討論該提案被大家選上后，會正式列入EIPs清單。EIP648就是一類擴容改進提案，但小蔥發現它并未被列入EIPs清單內。
雷電網絡（Raiden）：把一部分交易放在鏈外
網絡（Raiden Network）是一種利用鏈下支付通道網絡實現以太坊擴容的技術。該項目始于2015年，與比特幣上的閃電網絡原理類似，雷電技術把以太坊區塊上的絕大多數交易轉移至鏈外處理，允許用戶通過私下交換轉賬簽名信息實現交易，從而大幅度增加交易處理速度。
2017年9月，雷電項目的測試網絡在以太坊上部署完成，同年12月，“微型雷電網絡”（uRaiden）上線以太坊主網。uRaiden是雷電網絡的MVP版本，旨在提供一種小額支付機制，類似于比特幣的閃電網絡。雷電網絡方案的主要好處是，能大幅降低每筆交易的燃料費用，但它也主要適用于經常性小額支付場景。
Plasma：把數據放在鏈外
與雷電網絡類似，Plasma也是一種鏈下擴容解決方案。Plasma項目將區塊鏈設計為樹狀結構，使用大量“子區塊鏈”來分擔主鏈上的數據儲存量，每個子鏈都能處理和維護它自己的轉賬記錄，同時使用特定技術實現“主鏈”與“子鏈”的連接，由主鏈維護其安全性，主鏈只需在子鏈中出現爭議時才進行計算，從而實現最優化交易處理速度和效率。如果子鏈上的節點愿意，它們也可以提交轉賬信息并輸出他們的轉賬記錄到主鏈。
該方案允許每個Plasma鏈都可以有自己的標準，也即不同子鏈可以支持有不同需求的交易(如私有鏈)，且所有交易都處在同樣安全的生態系統內。
2017年8月9日，以太坊創始人與閃電網絡白皮書聯合作者Joseph Poon提出新型擴容方案“Plasma”。2017年11月，V神在推特上稱Plasma實現已經開始。2018年1月，今年1月公布了Plasma MVP版本，是一種基于Plasma的開源合約。據悉，Plasma方案可實現每秒十億次交易處理量，但具體實施效果怎么樣還有待驗證，且目前看來，它主要是為代幣轉移（ERC/ETH）而設計，如何擴展至更復雜的代幣（如ERC721）或甚至更通用的狀態轉換還是未知數。不過，把部分數據放在主鏈之外處理似乎是一大主流擴容趨勢。
Sharding（分片）
與Plasma和雷電網絡不同，分片（Sharding）是一種鏈上擴容技術，旨在提升協議基礎層的容量。
受傳統數據庫啟發而來，分片就是把區塊中的數據分成很多不同的“片段”并分別存放在各個節點中，減少每個節點數據存儲量的同時，提高系統的驗證速度。目前，以太坊上的交易是以線性順序運行，每個礦工都在執行同樣的程序，整個網絡的計算能力取決于單臺電腦的計算能力。而分片是一種動態的分區驗證交易的解決方案，由用戶自行選擇由哪一個分片執行自己的交易，允許區塊處理并行進行。這種“鏈上”解決方案通過多個網絡計算機來分配交易負載，允許更多的交易在同一時間得到確認，從而達到擴容效果。
2017年11月，V神在以太坊開發者大會及臺北舉行的區塊鏈技術交流會議上表示，分片技術或是可擴展性問題最有可能的解決方案，同時也正是以太坊2.0發展路線圖中的重點。今年4月30日，V神發布了一條“分片即將到來”的推文，并分享了一個新的代碼庫，演示如何把分片擴展解決方案“拴在”以太坊主鏈上，似乎想表示分片技術正在開始走向落地和實現。
V神從不吝嗇對分片技術前景的看好，他相信分片將大幅度改善以太坊現有的并發限制，真正實現擴容。分片被業界視為更為長期有效的、且理論上可行的擴容方案，不過該方案的實施還面臨諸多技術挑戰。比如，需要確保每個片區有足夠多的節點來防止單分片接管攻擊，因為一個片區節點太少容易出現妥協和欺詐；再如跨分片交易也是一大難點，目前需要冗長的收據和證明；此外，還有在收到無效排序規則時，各片區節點如何識別和驗證欺詐行為，并拒絕這個排序規則，以及數據可用性問題等等。
Casper
Casper在內容上更廣泛，但也有擴容效果。
Casper項目致力于將以太坊主網共識算法從POW轉向POS，自2014年就被提出，四年來，以太坊開發者們就該協議實施需克服的種種問題（如長程攻擊、無利害攻擊、51% 攻擊、網絡分區恢復等）做了大量的技術嘗試，并發展出2條研究分支：Casper FFG（一種混合POW/POS的共識機制，相當于POS的初級階段）以及Casper CBC（Vlad Zamfir正在構建的完整的POS版本）。據V神稱，二者但主要權衡是，后者有更好的理論屬性，而前者更容易實現。
最終的Casper協議比純粹對擴容方案內涵更廣，包括能源消耗改善和安全性的提高。不過，正因為（與POW相比）單個節點消耗能源更少，該網絡擴容難度更高。盡管Casper并非專為擴容而設計，但它會對以太坊網絡容量產生積極影響。
根據V神今年8月份連續發布的75條推特對POS與Casper研究歷史的回顧闡述，由于后期Casper FFG 方案遇到種種困難開發工作慢了下來，且團隊經歷分散在Casper項目和分片項目之間，導致了很多重復性工作。
因此，2018年6月，以太坊核心開發者電話會議上，團隊最終決定徹底放棄“用合約實現混合 Casper FFG”的想法，而是集中精力追求完全 Casper 的獨立鏈，將Casper與分片設計進行融合。這一決定正式宣告了EIP1011（PoW 與 PoS）與既有的 Capser FFG 協議的終止。
以太坊2.0（Casper & Sharding）：擴容收官之戰？
根據以太坊Casper Sharding chain v2.1工作進展描述文檔（該文檔最早于6月底發布，持續更新中，最近一次更新在2天前），以太坊2.0將有一項新的設計——信標鏈（Beacon），而這項新設計將對以太坊的可擴展性和分散性產生巨大影響。
小蔥注：在社區內部各類開發文檔中，以太坊2.0被稱為“A sharded POS Ethereum 2.0”，可見其同時嵌入了分片與POS算法機制，融合這兩大技術的新型主鏈被稱作信標鏈。這是近年來以太坊一個比較大的動作。目前，以太坊2.0的路線圖尚未確定，其相關的設計和規范也在不斷變化。
雖說擴容是一項持續性需求，但根據ETH2.0的設計，信標鏈似乎會帶來質的飛躍，有望成為一項里程碑式的擴容收官之戰。與這項新設計相關的術語見下表：
信標鏈是POS系統的“主鏈”，與當前的以太坊區塊鏈并行運行。當然，現有的以太坊區塊鏈未來將被納入新系統。信標鏈主要職責有：
存儲和維護一組活躍且有序的驗證者
處理分片與信標鏈之間的各項“交連”
處理自己的逐塊共識以及最終確定性
存款流程和區塊鏈結構（來自Pocket Pool的Darren Langley）
信標鏈（Beacon Chain）會隨機抽取驗證者進行出塊提議和投票，以防止驗證者之間的相互勾結。此外，由于驗證者只能以非常有限的方式和鏈交互，信標鏈中將不再使用EVM這類執行引擎處理投票事務（團隊正在開發EWASM替代EVM），因此投票效率會更高。由于不需要預估算力，所有信標鏈上的交易也都是免費的（gas free），整個過程會更有成本效益。
信標鏈與分片鏈（來自Pocket Pool的Darren Langley）
分片鏈（Shard Chains）負責處理交易并存儲帳戶數據，每個分片鏈（目前設置為1024個）都跟主鏈相連接；每個分片鏈是一個獨立的POS鏈，它們各自有自己的狀態（如賬戶余額、智能合約等）和交易歷史，同時和信標鏈同使用POS共識機制。每隔一段時間（約1小時），系統會隨機給各驗證節點分配一個分片，負責驗證和確認該分片上的區塊。“交連（cross link）”將用于確認各分片鏈中的哪些區塊進入信標鏈，同時交連也是各分片鏈之間互操作的主要方式。
據估計，分片后的以太坊每秒將能處理超過15000筆交易，這與當前的以太坊網絡性能（每秒約處理15筆交易）相比，實現了真正意義上的質的飛躍。
目前，關于信標鏈和以太坊2.0的設計仍在進行中，許多技術團隊也早已開始研究信標鏈客戶端應用，如Lighthouse項目，Prysm項目，Trinity，Nimbus，Harmony等等。據Rocket Pool區塊鏈高級工程師Darren Langley于9月初發布的文章稱，目前信標鏈已經完成的工作包括：信標鏈狀態數據結構與持續力、單個區塊狀態轉換、分叉選擇實現、驗證者洗牌、區塊提案者角色、數據結構序列化以及P2P協議。但仍然還有很多領域尚在研究之中。
小蔥小結：“短期求創新、長期求保守”
綜合上述梳理，我們可以看到，針對長久以來的區塊鏈網絡擁堵現象，以太坊核心團隊曾從多個角度進行過理論與技術方案的探索和實踐，包含提高 gas 值限制、發行 EIP648 擴容方案、提出Plasma、采納分片技術（Sharding）等等，小蔥根據時間線簡要梳理了一下以太坊的擴容動態事件。
據各公開渠道（以太坊相關論壇、推特、Reddit）信息進行的不完全匯總
通過這一系列擴容提案的出現、轉變及衍生，我們不難看出以太坊核心團隊持續的技術探索能力和應變能力。同時這些主流的擴容方案之間并不沖突，甚至會在實踐中走向融合（正如Casper和Sharding那樣）。
或許，以太坊的擴容口號喊了太久，而擴容成效來的太慢，故而引發社區內外眾多開發者的急不可耐（如開篇提到的Afri Schoedon呼吁開發人員轉移到其他鏈）；此外，EOS項目創始人BM也曾公開指出V神在解決可擴展性問題上考慮地過于復雜。
確實，我們看到在以太坊的整個擴容規劃中，納入了很多底層技術層面的考量，它試圖在實現可擴展性，同時考慮可持續性、效率以及靈活性，這牽涉到多個領域的技術改進和應用部署，不僅僅是引入某個二層擴容方案，把一部分數據/交易放到鏈外處理這么簡單，而是從區塊鏈協議層實現擴展。
按照V神的話，他希望多種擴容方案并行使用。在Layer-1（即區塊鏈協議層）擴容方向上的主導思想是“短期求創新，長期求保守。他認為：
Layer-1 長期來看必定趨于穩定，不會在所有技術改進上去競爭，只會盡力提供一個穩定平臺，使得 Layer-2 上的創新能夠發生。因為在 Layer-1上尋求解決方案要求進行持續的協議變更，而基礎層的變更往往牽涉到治理和共識問題，但迄今為止，還沒有哪個公鏈能在不淪為中心化的前提下，完成持續“活躍”的創新和治理。不過短期內，Layer-1的創新和完善是必要的。
而 Layer-2 也必定將承擔起越來越多持續創新的、有挑戰的重任。去中心化應用平臺、加密貨幣支付手段、去中心化交易所機制、拍賣、隱私保護方案、支持隱私保護的編程語言等等，絕大多數可以在區塊鏈上做的，都是重要且需要持續創新的領域。將這些功能全部“整合”進底層區塊鏈顯然不妥，會帶來很高的治理成本和協調升級成本。
因此，當下以太坊在擴容上首先需要完成Layer-1的創新升級，而長期來看，會利用Plasma、雷電網絡乃至更多新型的二層擴容方案以適應未來的商業應用。
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