干货！以太坊扩容问题及解决方案

以太坊开发者早就意识到扩展以太坊网络是一个值得讨论和投资的话题。 然而，直到 2017 年底，可扩展性问题才开始显现：一个名为 CryptoKitties 的去中心化应用程序 (dApp) 产生了大量流量，导致网络延迟。 除此之外，随着用户竞相验证交易，天然气价格（在以太坊区块链合约中运行每项操作所需的费用）也飙升。

虽然这个故事现在被过度报道和过度消费，但 CryptoKitties 事件确实揭示了一个现实：以太坊网络的当前容量状态可能还没有为成功的 dApp 带来的海量流量做好准备。 速度慢和成本不稳定的原因使人们远离以太坊平台和去中心化应用程序。 DApp 开发人员正在开发第一个真正实现大规模采用的应用程序，因此开发人员必须继续克服区块链扩展的问题。

可扩展性解决方案面临“三难困境”

图片来源 ConsenSys

区块链技术中有这样一个理论：网络可以同时支持以下两个属性，即安全性、去中心化和可扩展性。 这就是“三难困境”，随着这种现象变得越来越熟悉，它也成为以太坊开发人员面临的挑战，因为开发人员希望提高可扩展性以实现更广泛的采用和实施。 ，并且还能保持区块链的核心特性（去中心化和安全性）。 但是，目前有一些严重影响安全性或去中心化的可扩展性解决方案：

的确，在区块链发展之初，我们的重点主要是安全和去中心化。 因此，可扩展性的最大障碍是每个节点都需要自己处理每笔交易。 即使具有绝对的安全性和去中心化，该系统也没有为可扩展性解决方案留下太多空间。 那么问题来了，我们如何在不损害安全性和去中心化的前提下扩展以太坊。

目前有四种正在开发的协议来解决可扩展性问题，即分片、Plasma 和 Thunderbolt。 至于第四个协议Casper，它的内容更为广泛，但它仍然与以太坊乃至其他网络相关。 区块链网络提供可扩展性参考。

分片分片

分片扩容的方案仍然是在原有区块链上运行所有交易，因此被称为“链上”方案。 上文提到，以太坊中的每个节点都需要处理每一笔交易，分片就是为了解决以太坊网络中交易的线性问题。

分片允许节点同时并行操作，这增加了整个区块链的每秒事务处理量。 在分片方案下，以太坊网络可以分为节点组。 每组节点构成一个分片，每个分片处理组内的所有交易。 这允许每个分片同时处理不同的事务。

在每个分片中，某些节点充当“整理者”，定期创建“整理”或有关该分片的信息集合。 每个整理将包括以下信息：

1. 排序规则所属分片信息；

2、交易完成前分片状态信息；

3、交易完成后的分片状态信息；

4. 2/3 的汇总者数字签名，用于验证校对中的信息。

在网络中，来自每个分片的聚合信息被整合到一个块中，然后添加到以太坊区块链中。 也就是说，分片允许节点组合来处理和验证交易，但只有聚合信息被添加到区块链中。 假设有10个分片，每个分片处理5笔交易，那么下一个区块链中的区块包含50笔交易信息，节点不再需要按顺序处理这50笔交易。

但是分片技术会伴随两个问题。 首先，每个分片必须有足够的节点来保证网络的安全。 如果节点太少，则 2/3 的聚合器可能串通，导致恶意行为。 其次，两个分片之间的交易处理非常困难。 如果只有一个分片，就不会出现类似的问题，因为它代表了整个区块链。 目前的方法还需要详尽的收据和证明。

等离子体

Plasma 是另一种处理“链下”交易的解决方案，即不在以太坊主网上的交易。 Plasma 使许多区块链（子链）与原始区块链（根链）分离。 因此，每个子链都可以基于根链的底层安全性独立处理和维护交易。

通过 Plasma，子链中的所有计算都由根链来完成，但是当某个子链出现争议时，根链只需要亲自进行计算。 该方案使得区块链上的所有交易信息都可以被子链共享，从而达到最佳的速度和效率。 根据子链节点的意愿，可以提取交易信息，并将交易记录输出到根链。

该方案具有独特的优势。 每条 Plasma 链都可以制定自己的标准和规范，这意味着不同的子链可以支持针对不同需求（例如隐私）的交易，而所有交易都在同一个安全的环境中进行。

雷电网络

雷电网络也是一种链下扩展解决方案，允许节点维护交易记录，而无需根链验证每笔交易。 两个节点之间可以开通“状态通道”（state channel），这是用户之间的双向通道。 交易信息将在两个节点之间传递，需要双方签名以确保不可篡改。

雷电网络对于经常性和定期支付很有用，例如，用户需要为某项服务每周向公司支付 10 美元，或者在超市进行定期购买。 在不调动整个区块链中的节点的情况下记录和验证两个节点之间的此类交易可以释放根链中的巨大空间。

在任何时候，状态通道中的参与者都可以选择关闭交易，但所有交易的最终结果都会记录在根链上，然后包含在下一个区块中。 这意味着如果你一年每周支付 10 美元，区块中的最终交易将是 520 美元，而不是 52 笔 10 美元的交易。

雷电网络解决方案有利有弊。 问题是节点只能和自己的“邻居”通信现在以太坊主中国能挖了吗，也就是说，如果节点A和节点B之间开通了状态通道，节点B和节点C之间也有状态通道，那么A就不能直接发送资金给C. 但以这种形式的渠道进行交易，可以防止资金被盗或被锁定。 A虽然不能直接转账给C，但可以通过B充当“中间人”，B由于A和C的限制不能盗取资金。

雷电网络的主要优势是可以大大降低交易的gas成本。 因为与根链上的交易相比，节点间链下交易所需的gas成本更低。

卡斯帕

Casper 是一系列共识协议，旨在帮助以太坊从工作量证明 (PoW) 转变为权益证明 (PoW)。 在工作量证明算法下，为了解决加密问题和挖掘出新的区块，矿工必须消耗一定的能量。 他们会因正确解开谜题而获得奖励，但这个过程需要大量的能源成本（并且成本会随着区块难度的增加而不断增加）。 PoS 挖矿确实有两大缺陷：烧钱和浪费能源。 目前，它每年需要花费 120 亿美元来维护工作量证明机制。

在权益证明 (PoS) 中，验证者取代矿工来验证区块链中的区块（验证取代挖矿）。 验证者通过将资产抵押在某个区块上进行验证，避免了计算拼图的资源成本。 质押金额最高的区块将被验证并添加到区块链中。

本质上，验证者通过在合约中锁定资金来押注一个区块将被添加到区块链中，并且他们会得到奖励，直到下一个区块被添加并被证明是正确的区块。 如果验证者行为不当，他们质押的资金将被没收。

从概念上看，从 PoW 过渡到 PoS 可以防止对区块链的恶意攻击。 在 PoW 算法下，一次失败的区块链攻击只会耗费攻击者的时间和资源。 但在 PoS 算法下，一次失败的攻击将直接导致经济损失，因为他们质押在错误区块中的资金将立即被没收。

Casper 的最终部署将基于协议的两个迭代：Casper FFG 和 Casper CBC。 这两个协议将部署在以太坊上，以在网络上测试 PoS 并在算法转换完成之前识别潜在问题。

卡斯帕FFG

(Casper the Friendly Finality Gadget)

Casper FFG 是 Casper 的第一个迭代版本，其中块仍然通过 PoS 算法进行挖掘。 不同的是，每 50 个区块都会有验证者参与测试 PoS 机制。 这个“检查点”使用 PoS 协议评估最终性。 “最终性”是指操作已经完成，完全不可篡改。 在 FFG 中，验证者投入资金以完成前 50 个区块。

译者注：由于Casper FFG采用混合PoW和PoS机制，在主链和分片链的开发上存在大量重复工作，因此FFG于去年6月被放弃。 从理论上讲，Casper CBC 更容易实现，部署速度也更快，因此 CBC 将部署在以太坊 2.0 中。

卡斯珀加拿大广播公司

Casper CBC（Correct-by-Construction）是 Casper 的第二次迭代。 一般来说，部署协议需要形式化，然后证明它符合所有给定的属性。 CBC中的PoS协议只需要部分确定，还需要进一步微调以满足相关属性。 因此，该协议将逐步部署，而不是从一开始就进行精确定义。

那么CBC如何适应过程中可能出现的问题呢？ 这需要一个被称为“理想对手”的协议来为 CBC 提出该协议未来可能面临的假设、错误和问题。

Casper系列协议不仅涵盖可扩展性问题，还包括节能和安全性提升的考虑。 然而，随着添加块所需的能量消耗减少，实现网络扩展将变得更具挑战性。 尽管 Casper 不是专门为扩展而设计的现在以太坊主中国能挖了吗，但它仍然积极地为网络的流量承载能力做出贡献。

译者注：想深入了解Casper CBC，可以阅读《Casper CBC：什么是共识和确定性？》一文。 ", "Casper CBC 协议安全证明"。

结语

值得注意的是，以上四种解决方案并不相互排斥，它们都会应用到以太坊2.0的更新中，或多或少解决了以太坊的扩容问题。 近年来，可扩展性问题一直是以太坊开发者关注的焦点。 随着越来越多的dApp被开发上线，更完善的可扩展性解决方案将不断出现在我们的视野中，助力未来的以太坊发挥最大潜力。