區塊鏈:以太坊透析——可擴展性、ETH2.0和Ethereum發展前景_ETH

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。

Near與以太坊跨鏈彩虹橋已正式上線，支持任何ERC20代幣:4月6日消息，公鏈項目NEAR宣布，NEAR-以太坊跨鏈工具彩虹橋已正式上線，所有ERC-20系列通證可以在NEAR和以太坊之間實現無縫轉移。彩虹橋是一種無需信任的、無需許可的通用性協議，可以用來連接多個區塊鏈，不局限于以太坊。彩虹橋協議無需信任任何人，只需相信它所連接各個鏈的共識是安全的。通過使用彩虹橋工具，開發者能夠通過NEAR和以太坊中任意一條鏈訪問另一條鏈應用狀態，最終這一范圍將擴展至任意一條區塊鏈。通過彩虹橋將同質化通證轉移至NEAR用戶，可以利用NEAR所能提供的1~2秒交易時間、低交易費（通常低于1美分）和較低跨鏈轉賬費用優勢。[2021/4/6 19:51:42]

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

動態 | 以太坊2.0工作進展：Least Authority將對第0階段全面審核，Eth2 v0.10.0版本計劃于1月發布:12月19日，以太坊官方博客更新ETH 2.0工作進展。博客內容顯示，以太坊已授權計算機科學技術公司Least Authority進行ETH 2.0第0階段全面審核，重點針對關鍵項目，例如拒絕服務（DoS）攻擊，可能導致意外分支、對抗鏈資源濫用攻擊，與網絡相關、資金相關的任何攻擊等。此外，ETH 2.0工作進展還包括：

1. 以太坊開發團隊Sigma Prime正式發布第一個具有主網配置的Eth2公共測試網Lighthouse（此前12月11日已報道）；2. 以太坊客戶端Nimbus集成本機nim-libp2p，將于下周在測試網中啟動。

3. Bitfly開源eth2區塊瀏覽器beaconcha.in增加對Lighthouse的支持；

4. Eth2規范版本v0.9.3已發布，該版本進行了測試修復和網絡更新。

同時，v0.10.0版本計劃于1月發布，將致力于將新的BLS標準集成到核心Eth2規范中。[2019/12/20]

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？

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。

動態 | 以太坊未確認交易35881筆:據Etherscan.io數據顯示，以太坊未確認交易35881筆。以太坊全網算力為164.81 TH/s，當前挖礦難度2079.75 TH，交易處理能力9.0 TPS。[2019/6/5]

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。

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。

動態 | 以太坊開發者提議在區塊高度7,080,000進行君士坦丁堡升級:據Bitcoin Exchange Guide報道，以太坊開源開發團隊達成一致，君士坦丁堡升級將在區塊高度7,080,000時進行。[2018/12/9]

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。

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。

以太坊企業聯盟提醒每個人它仍然活躍，發布新的架構堆棧:自近18個月前成立以來，以太坊企業聯盟一直比較低調。然而近日，企業以太坊聯盟（EEA）正式公布了其企業Ethereum體系結構堆棧，作為其企業以太坊規范戰略的下一部分。[2018/5/6]

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。

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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