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给区块链扩容难吗？从比特币到以太坊

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DeFi业务的增长从2020年起飞，TVL从$600M到$25B，增长了40倍。从一个现象就能直观感受：DEX去年从每日数千笔到达数十万笔规模，Uniswap的单日交易量甚至一度超过了老牌中心化交易所Coinbase。

以太坊上的交易量不断攀升，区块容量却开始吃紧，而矿池选择GasPrice竞价排序交易使其利益最大化。同时考虑到DeFi业务技术上存在抢跑攻击，用户心理上存在FOMO等问题，导致最终大家愿意付出更高的价格让交易跑得飞快。高价矿工费，使我们离普惠金融的初衷渐行渐远。

那么以太坊为什么不选择直接提升区块容量，承载更多交易呢？原因很简单，区块链核心限制在于「每一笔交易都要由网络中每一个节点验证处理」，那么当区块大小扩大几倍时，则会让更多小型节点退出，逐渐走向中心化。

给区块链扩容难吗？

早在2010年时中本聪就已经探讨过扩容问题，最初中本聪在比特币源码中设定区块容量为32M，但后来区块交易量一直很小，就把容量设置为了1M。他自己也认为如果有扩容需求，那么在代码中设定区块高度自动升级区块容量就好了。

但是后来比特币扩容却不是那么顺利，主要分歧在于是采用「隔离见证和闪电网络」，还是「增加区块容量」。前者认为「区块容量增大要求更高带宽和存储，会使节点逐渐走向中心化」，希望借助隔离见证和闪电网络这两项技术完成扩容，不增加区块容量。

注：这也是为什么Eth2希望采用PoS降低节点门槛，从而让更多人可以成为验证人，使其完成去中心化世界账本的理想。

当然这最后已经不是技术问题了，而是上升到了意识形态之战，经历香港共识的出尔反尔与不信任，最终走向硬分叉的道路，形成目前BitcoinCore和BitcoinClassic两条扩容路线。

比特币扩容过程就像一场戏剧，我们可以看到诸如SegWit、SchnorrSignature、LightningNetwork等扩容技术落地实现，但还未有质的改变。

SegWit：交易数据压缩至25%；

SchnorrSignature：单签名数据压缩至50%；多重签名：多笔交易压缩成单笔交易体积；

LightningNetwork：缺少点对点小额支付场景，资产规模仅有1000+BTC。

后来闪电网络白皮书的作者JosephPoon转战以太坊社区，与Vitalik在2017年发布Plasma白皮书，试图解决以太坊的扩容问题。

Plasma主张将交易的计算和存储搬到Layer2，然后将多笔交易压缩成一个区块，并将区块的默克尔根提交到Layer1Plasma合约，从而提高吞吐量和降低交易成本。

Layer2依赖Layer1Plasma合约作为安全信任和仲裁层，如果Layer2出现问题/作恶，那么用户可以借助Layer1Plasma合约退出资金。退出资金要等待约2周的挑战期，在此期间任何人都可以提交「欺诈性证明」证明退出无效，从而获得奖励。反之，若无问题则等待挑战期结束，顺利退出。

Vitalik称Plasma是sidechainsthathaveanon-custodialproperty，究其原因主要是用户需要信任SideChain机制，而无法保障自己资金的所有权，但Plasma通过交互式欺诈性证明可以让用户随时申请退出资金，即便Plasma子链出现问题/作恶。?

Plasma曾是社区的希望，我们可以看到许多Plasma变体实现诸如OmiseGo、Matic、Loom等，但因为一些缺陷，它并没有获得社区最终的青睐：

缺少数据可用性，用户不得不依赖Plasma可信任节点数据或不断监控网络是否作恶，无法获得同等于Layer1的安全性。

提款周期长，依赖长达两周的欺诈性证明挑战期，如果有人作恶，同时挑战期内无人发现并提交作恶(欺诈)证明，那么用户资金存在损失风险。

上面这段话可能有些难以理解，我们来举个数据可用性的例子：

当你去玩德州扑克时，你从柜台(Layer1)将美元换取筹码，然后你开始随便找了一张桌子玩了几个小时德州(Layer2交易)，当你赢到盆满钵满的时候，你准备起身到柜台兑换筹码。此时的坏人给你当头一棒，你失去了记忆(数据不可用)，牌桌上的荷官当作什么事情没有发生过一样，重新开始刚才的牌局，走你本应赢到的筹码。

从过去比特币和以太坊扩容情况来看，我们逐渐找到了理想扩容方案应该有的样子

保持区块容量大小，避免走向中心化；

支持数据可用性，用户可以从L1上重建交易状态；

随着2019年以太坊硬分叉升级-Istanbul，我们离理想扩容方案越来越近，此次升级包含两个Layer2友好的EIP提案

EIP-1108：使SNARKs和STARKs验证运算更便宜；

EIP-2028：降低CalldataGas消耗量，以便L2数据采用Calldata形式低成本上链。

Layer2Rollup的现状

什么是Rollup？?

Rollup有不少中文译名，其中一个打趣的翻译是「春卷」，你可以想象将食物卷起来一口吃下去的感觉。实际上，Rollup就是将交易数据压缩放到Layer1上，从而实现同样的区块容量可以塞下更多交易，将30TPS扩容到3000TPS级别，再搭配上Eth2Sharding扩容，效果可以媲美当下Visa的水准。

如何压缩数据？

压缩是Rollup的精华，巧妙的压缩技巧可以塞下更多的交易，同时压缩数据上链可以提供「数据可用性」，保障用户资产安全。

一笔简单的以太坊交易(比如发送ETH)通常消耗约110字节。然而，在Rollup上发送ETH仅消耗约12字节。我们以收款地址和交易签名举例：

To：使用「索引」来代替20字节的地址(例如：一个地址是「状态树」中的第4,527个地址，我们就可以用索引4,527来表示它)；

Signature：利用零知识证明的特性，将数千笔交易签名转化为零知识证明，通过检查证明的有效性，从而证实数千笔交易有效。

Rollup方案对比

Rollup方案主要分为两种：ZKRollup和OptimisticRollup。前者采用有效性证明，后者采用欺诈性证明，这两种证明方式背后的理念是不同的：

有效性证明：采用数学的方式保障资金安全、用户体验流畅和隐私，但短期内无法支持通用的EVM计算；

欺诈性证明：支持通用EVM计算(方便以太坊项目迁移)，但短期内无法采取零知识证明，所以折衷选择欺诈性证明，保障资金安全。

最后，本文为了讲述Layer2发展历程提及了一些过往不同的扩容方案，但这并不意味这些方案的思路是失败的。这其中除了技术问题，商业可行性也是值得深思的，正如Vitalik对这两种Rollup方案的评价：

短期内，OptimiticRollup很可能在通用的EVM计算中胜出，而ZKRollup则可能在简单的支付、交易和其他特定应用场景中胜出。但从中长期来看，随着ZK-SNARK技术的改进，ZKRollup最终将在所有场景中胜出。

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本文来源：

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文章作者：阿树

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