了解以太坊扩容的演变以及以太坊未来将如何扩容

以太坊一直是用户和开发人员的首选区块链，在 DeFi 和 NFT 中拥有超过 550 亿美元的 TVL。 然而，如此高的网络采用率也给以太坊网络带来了重大问题，特别是在其可扩展性方面，因为当前网络平均只能处理 13.5 笔交易。

为了提高以太坊的可扩展性，过去几年开发了几种方法，目前正在研究更多方法。 这些解决方案包括状态通道、Plasma、Validium、Rollup 和侧链。

虽然它们可能被分为不同的类别，但它们实际上并没有什么不同。 一些基本的想法本质上是相同的，并且通常建立在以前的想法之上。

因此以太坊是哪年产生的，本文的其余部分旨在概述这些以太坊扩展解决方案实际上是如何随着时间的推移而演变的。

以太坊扩展解决方案示例。 （*侧链可以扩展以太坊，但不能受益于以太坊的安全性）

状态通道是扩展以太坊最早和最简单的方法。 关键思想是在链下处理交易以太坊是哪年产生的，只将最终结果发布回主网络。 这将减少到主网的不必要的中间交易，从而减少潜在的网络拥塞。

状态通道用户流。 以太坊交易的数量可以减少到 2 - 打开和关闭通道。

以下是链下交易在幕后的工作方式。 假设 2 个用户 A 和 B 想要在他们之间转账。 如果 A 给 B 10 美元，B 给 A 5 美元，最后 A 给 B 20 美元。 如果他们同意 A 应该在单笔交易中向 B 发送总共 10-5+20=25 美元，而不是在链上分别发送这 3 笔交易。

为了概括这个想法，一组参与者可以打开状态通道并将资金锁定在主网上通道的多重签名智能合约中。 然后他们可以解决他们之间的链下交易，并且只有在同意解锁资金并关闭通道后才将最终状态更新到以太坊。

状态通道主要用于需要就彼此的行为达成一致的两方之间的微交易和支付。它们不能很好地扩展以支持智能合约，因为

dApps 通常涉及大量最终用户，这使各方之间的协议变得复杂。

智能合约 dApp 通常可以由以太坊或状态通道上的任何人在未经许可的情况下进行交互，从而在每个网络上创建不同的事实。

Plasma 定期向以太坊发布 Merkle 根状态哈希。 在有人提供欺诈证据并质疑其有效性之前，所有状态更新都被认为是有效的。

Plasma 链只是一个独立的区块链，由运营商运行，定期将检查点保存到以太坊网络。 这些检查点存储为 Merkle 根状态哈希以提高 gas 效率。 这意味着任何交易计算都可以卸载到 Plasma 链以实现可扩展性，同时利用以太坊层来验证 Plasma 链状态更新的正确性。

为了确保正确的状态转换，Plasma 采用了反欺诈机制。 每个转换都被认为是正确的，直到有人在该时间段内对其提出质疑（通过提供使转换无效的证据）。 任何不正确的状态转换都会被简单地丢弃，新的转换建立在先前正确的转换之上。

等离子在正常情况下工作正常。 然而，问题之一是当操作员宕机或恶意时。 如果运营商停止提供交易信息，那么没有人能够生成使状态转换无效的证明。 因此，运营商的任何恶意行为（例如运营商从另一个账户窃取资金）最终都会在主网络中被接受。

在这种情况下，实施“大规模退出”方案，让所有用户以最新的有效状态退出 Plasma 生态系统。 然而，整个状态数据将被转储到以太坊上，这可能会导致网络拥塞。

另一个问题是非 EVM 兼容性。 通用智能合约的状态没有明确的所有权结构，这意味着任何人都可以在状态转换中取得进展，使得这些合约无法退出游戏。

Validium 在以太坊上发布 Merkle 根状态哈希和 ZK 证明作为检查点。 状态更新的正确性由 ZK 证明验证。

Validium 还运行自己的区块链并将 Merkle 根状态哈希发布到以太坊，类似于 Plasma。 它们的主要区别在于状态更新验证机制。 Plasma 依赖于反欺诈机制，而 Validium 使用零知识 (ZK) 证明，例如 ZK-SNARKs 和 ZK-STARKs。

ZK 证明是将生成的计算连同状态更新一起提交给以太坊，以确保状态转换有效。 虽然 ZK 证明的复杂生成过程可以在链下计算，但链上验证相当容易。 这允许在以太坊上更新状态和证明后立即确定 Validium。

然而，由于其复杂的密码计算，ZK 证明与 EVM 字节码存在兼容性限制。 因此，目前可用的 Validium 应用仅限于简单的用途，例如令牌传输，仅涉及简单的加减法。

除了 EVM 不兼容之外，数据可用性仍然是一个问题。 Validium 仍然依赖链下数据存储（通过数据可用性委员会或 DAC）来确保交易数据始终可以重建为完整的区块链状态。 然而，这为安全模型增加了另一层信任，因为它需要相信另一方始终可用并正常运行，即使该方是去中心化的。

Rollups 发布状态根和压缩交易信息（加上 ZK Rollups 中的 ZK 证明）。

Rollup 解决了数据可用性问题。 它们可以被认为是下一代 Plasma 链和 Validium。 除了状态更新（在 ZK Rollup 的情况下加上 ZK 证明）之外，交易信息作为调用数据发布在以太坊上。 这意味着给定以太坊上提交的所有调用数据，总是可以从头开始重建区块链的当前状态。 因此，我们不需要完全依赖任何第三方，比如DAC来存储状态树。

Rollups 有两种主要类型：Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。

与 Plasma 链的工作方式类似，Optimistic rollups 认为状态转换在受到挑战之前是有效的。 任何人都可以通过以太坊网络上“验证者合约”上实施的反欺诈机制来质疑和声称状态更新不正确。

反欺诈机制有多种方法：

最终，欺诈预防可确保在以太坊上发布的状态有效且完全可重新配置，而无需信任外部方。 Optimistic rollups 也与 EVM 兼容，这意味着在以太坊上运行的任何 dApp 都可以轻松移植，而无需更改任何代码。 这导致 Optimistic Rollup 被广泛采用作为以太坊扩容解决方案。

ZK rollup 只是 Validium 和数据可用性的结合。 该链定期在以太坊上提交其散列状态和压缩交易数据，并使用有效性证明来验证状态转换。

与 Validium 类似，ZK Rollup 与 EVM 的兼容性不高，因为为完全集成的 EVM 环境生成证明可能需要数小时才能完成。 寻求使用 EVM 或 ZK-EVM 开发 ZK 汇总的项目正在平衡 EVM 兼容性和性能之间的权衡。 事实上，Vitalik 将 ZK-EVM 分为 4 种类型，从完全等价于以太坊到部分兼容的 EVM，如图 1 所示。

不同类型的 ZK-EVM。

目前，只有 Type 4（例如 zkSync 和 Warp）和 Type 3（例如 Scroll 和 Polygon Hermez）还没有 EVM 等价物是可行的，因为必须采取更多变通方法才能使用 ZK 证明来充分利用EVM。 但是随着以太坊对 ZK-SNARK 变得更加友好并且正在进行更多的研究和开发，我们应该能够看到 Type 2 和 Type 1 ZK-EVM 在未来变得司空见惯。

侧链是运行自己的块参数和共识机制的独立区块链。 他们可以通过双向网桥与以太坊通信。 然而，与任何其他扩展解决方案不同，侧链不会向以太坊发布任何交易或状态数据； 因此不继承以太坊的安全性。 由于侧链有自己的区块参数，它们可以通过调整某些参数（例如减少区块时间或增加区块大小）轻松支持比以太坊提供的更高的吞吐量。 然而，他们通过牺牲安全性和去中心化来实现这些目标，例如拥有中心化验证器或需要高端计算硬件。 由于以太坊的愿景是专注于去中心化和安全性，因此侧链并不是以太坊基金会作为扩展解决方案的重点，尽管它们被认为是减少以太坊交易流量的最有效方法之一。

过去的扩展解决方案随着时间的推移而发展——解决了以前扩展设计中的关键问题，例如状态转换验证和数据可用性。 在当前阶段，汇总被认为是扩展以太坊的最先进解决方案，因为它们利用以太坊安全性和 EVM 兼容性进行通用用途。 然而，为了进一步提高安全性、去中心化和可扩展性，Rollup 仍有许多可能需要改进的地方：

虽然像 Rollup 这样的链下扩展解决方案已经提供了多种可扩展性，但以太坊也有自己的计划，通过 ETH 升级在基础层进行扩展。 以太坊分片作为重要的里程碑式升级之一，通过与 Rollup 的集成，将能够进一步提升以太坊的可扩展性。

凭借足够的可扩展性，以太坊可以支持目前使用的 Visa 等 web2 服务的高交易吞吐量。 迈向金融未来的重要一步。

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