简明理解区块链扩容格局：主流扩容方案有何优缺点？

区块链领域中最具争议的话题之一无疑是可扩展性。

更具体地说，扩展以太坊已经被证明是一个具有挑战性但必要的操作；随着其日益流行，要求将交易包含在区块中的请求增加，从而导致交易成本增加。以太坊主网以每秒处理约 15 笔交易，所以似乎有必要提高吞吐量。

为了减轻以太坊节点的负担，出现了许多限制主网所需处理或存储量的解决方案，每个解决方案都有自己的优点和缺点。

为了提高以太坊网络在其实际单链配置中的速度，现在正在使用多种可替代的扩展策略；它们都旨在从以太坊主区块链上卸载交易处理以提高可扩展性，但它们确实这以各种不同的方式。

值得注意的是，这些扩展技术并不仅限于以太坊，也可能用于其他网络。

今天这篇文章的目的是介绍区块链生态系统中主要的扩展可能性。

实际上，现有技术有各种共识算法和新的实现，比如分片方法，它们直接在基础层解决可扩展性问题。

正如在之前的报告中所预期和解释的，分片链仅占当前区块链的一小部分，这些区块链在最近几个月引起了人们的极大兴趣，包括在 Harmony One 上的 DeFi Kingdoms 和 Aurora (Near Protocol 的 EVM 兼容链) 的引入。这些生态系统发展的主要驱动力是部署在其中的应用程序，其更快的速度和更便宜的 gas 费用会给用户带来更好的体验。

在分片链家族中，有可能找到以太坊 2.0。

此外，还有构建在 Rollup 之类的侧链和解决方案；这种技术继承了来自主层的所有安全性和共识协议，使它们比大多数其他扩展技术具有更大的优势。在这方面，这些解决方案可以被归类为「非托管」侧链。

从本质上讲，Rollup 收集大量的交易，在链下计算它们，然后将它们作为单个链上交易进行广播。

目前在以太坊主网上活跃的 Rollup 分为两种类型：

• ZK-Rollup (其中 Zk 代表零知识)，由有效性证明支持
• Optimistic，通过欺诈证明实现

在深入这个领域之前，有必要提一下什么是「零知识」证明。

零知识证明

从它的纯定义开始，零知识证明 (Zero Knowledge Proof, ZKP) 是一组工具，可以在不揭示潜在假设的情况下验证信息。

「零知识」的表达源于没有提供任何 (「零」) 关于特定事实的信息的想法：这是由一组加密技术实现的，该技术使「证明者」能够在不披露任何数据的情况下，以数学方式向「验证者」表明一个计算断言是有效的。

ZKP 已经被引入到区块链域以改进其功能。零知识证明可以分为交互式和非交互式两种类型。

交互式 ZKP 要求证明者进行一系列的活动或行动，以说服验证者他们拥有某些知识。交互式 ZKP 中所需的大部分活动都包含了数学概率思想。

非交互式 zkp 不需要证明者和验证者之间的交互，否则验证可能会在之后发生。在这种情况下，这类 ZKP 需要额外的计算机或软件。

所有的零知识证明 (交互或非交互) 必须满足三个先决条件:

• 完整性：如果一个陈述为真，验证者可以验证证明者持有所有必要的输入。
• 有效性：断言不能被反驳，验证者不能被说服证明者有必要的输入。
• 零知识：验证者除了断言是真还是假之外没有其他信息。其他各方的信息和个人数据保持匿名。

ZK-Rollup

零知识 Rollups 将所有交易数据提交到主链，它们使用所谓的 Zk-Snark 验证交易。

该加密工具由 Vitalik Buterin 于 2018 年推出。

缩写 SNARK 代表 s uccinct, n on-interactive argument of Knowledge：

• 简洁意味着证明比基础数据更短。
• 知识论证表明，如果没有适当的「证人」或证据来证明他们所证明的东西是真实的，一个证明者就不能构建被验证的证明。

一旦这些验证证明完成并发布到主链，其中包含的所有交易都被声明为 final。L2 节点构造这些证明所需的处理能力非常高，因为它们使用加密活动。

ZK-Rollup 通过中继者 (也称为操作者或验证者) 合并交易，然后由中继者生成零知识证明来证明交易的真实性。在此之后，在主层上提交并发布证明。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollups 的基本假设是，所有已处理的交易都是有效的。事实上，这个名字来源于节点对链的乐观状态。

每当发现交易无效时，节点可以通过提供欺诈证明来质疑发现错误交易的整批交易：支持乐观的底层系统将在主链上重新运行一批交易 Rollups（乐观虚拟机，OVM）。

总的来说，OVM 允许 L2 上的交易完成，即使它们已被 L1 拒绝为无效；如果交易被认为无效，L2 链会重置到欺诈交易被发现之前的状态。由于欺诈性交易，所有后续交易都变得无用。

由于这种乐观的方法是建立在提交的交易总是真实的前提下，直到被证明是不同的，所以它被认为有点「基于信任」。

如果在生态系统中为玩家提供了适当的激励，那么这个假设就会变得现实。然而，为了防止出现最坏的情况，也有必要采取额外的预防措施。例如，当将资金从 L2 转移到 L1 时，Optimism 有 7 天的持有时间，以便为验证者提供足够的时间来发现和标记任何欺诈性交易。

Optimism 和 Arbitrum 是在以太坊上实现的两个最新的 Optimistic Rollups，它们是同类中最重要的。这些解决方案在以太坊社区中得到了大量关注和报道。

Validium

以类似于 ZK-Rollup 的方式运行，不同之处在于数据保存在链下。因为交易数据不是发布在区块链上的，所以有必要采用额外的信任假设，因为用户必须信任运营者，以便在需要时可以访问数据。

Validium 的链下数据存储有很多好处，包括更快的交易速度和保障了客户隐私，因为交易是不允许公众访问的。

然而，由于数据是在链下保存的，因此用户将无法轻松显示他们在智能合约中的可用金额。

因此，为了筹集资金，他们必须从中继者那里获得数据，并且必须对中继者的可用性做出假设。

为了解决这个问题，，StarkWare 等解决方案提供了一个数据可用性委员会 (DAC)，使它存储所有链下数据并在紧急情况下可以公开访问，从而使用户能够减少对这些中继者的依赖。因为它们仍然是使用零知识证明，不存在传播错误状态的危险；相反，用户此时必须相信的只是信息的及时性。

Validium 解决方案是最近才出现的，因为它们建立在 ZK-Rollup 所奠定的基础上，如果扩展解决方案的有效性证明套件越来越流行，它们可能会获得动力。

Validium 的项目包括 DeversiFi、ZKSwap (支付和交易平台)、Sorare (足球 NFT 游戏) 和 Immutable X (NFT 市场)。

Plasma

在 Plasma 家族中，你可以找到几个基本复制以太坊的区块链，它们通过信任最小化的桥架构连接到以太坊。每个 Plasma 链都可以采用自己的交易验证流程，但以太坊区块链仍然是真理的最终权威。

Plasma 用户不需要对运营者抱有信心，而且总是有机会收回他们的现金，即使是在运营者不诚实或进行阻碍的情况下。虽然 Plasma 的发布在以太坊社区引起了极大的兴趣，但它也带来了一些挑战：新数据可用性的混合网络攻击，要求用户监控交易来检测恶意行为，以及对如果大量用户试图同时退出 Plasma 链，主链上的数据容量会减缓基于 Plasma 的系统的采用。

此外，许多 Plasma 设计一直受到一系列用户体验和安全问题的困扰，它们并不能促进智能合约的开发。例如，OMG 和 Polygon 现在已经放弃了 Plasma，这让一些人认为它已经死了。

到目前为止，由于其允许开发者将他们的以太坊应用「复制和粘贴」到 L2 平台上的特性，Optimistic Rollups 得到了最大的关注和接受。

领先的以太坊主网应用，如 Uniswap 和 Synthetix，已经开始使用基于概率 Rollups 解决方案的 Optimistic Rollups 解决方案部署他们的应用。类似地，ZK-Rollup 和 Validium 解决方案虽然目前对通用智能合约提供的支持非常有限，但仍在积极实施中。

ZK-Rollup 相对于 Optimistic Rollup 的一个主要优势是没有退出时间。中继者将无法欺骗系统，因为使用零知识证明来建立交易的真实性。

一般而言，这些举措的发展高度依赖于他们可以提供什么。零知识证明 EVM 兼容性的未来有望很好地促进基于有效性证明的 L2 解决方案组合的增长。

随着 Matter Labs 和 StarkWare 率先通过选择数据可用性来使用这些证明的可访问性，它们可能会超过 Optimistic Rollup。零知识证明所提供的安全性，以及中继者发布恶意活动的难度，使得 L2 系统使用它们的能力的未来看起来更加光明。

截至今天，整个 L2 领域的锁定总价值约为 60 亿美元。

从下面的图表中可以看出，我们已经从门户网站 L2Beat 获得了更新的数据，其中突出显示了 Optimistic Rollups 如何保持市场领先地位，占总市场价值的 70%，其中 Arbitrum 以 31 亿美元排名第一。采用 ZK-Rollup 的 L2 应用程序 dYdX 以 9.95 亿美元的价值位居第二。到目前为止，Validium 提供了一个较低的 TVL，随着 IMX 和 Sorare 的出现，这看起来很有希望。

预计 Rollup 的使用将是未来最常见的扩展方法。考虑到功能完备的以太坊 2.0 的发布还有很长一段时间，它们可能还会存在很长一段时间。

可组合性是以太坊的一个关键元素，它使网络中的任何人都可以轻松地在现有资产之上或围绕现有资产构建新的用例。

事实上，如果你是以太坊网络的用户，这给了你很多自由；你可以在同一个安全框架下进行相对复杂的交易，在同一条链上，通过一些用户友好的活动进行相对复杂的交易。

虽然 L2 解决方案通过降低费用明显改善了用户体验，但它们也提供了独立执行环境的选项。

最近，在实现方面出现了很多犹豫不决的情况，因为应用程序开发人员在选择部署在哪个平台上之前，一直在等待看到哪个 L2 解决方案受到欢迎。

一个或几个 L2 之间的集成将是未来的关键发展。它不仅对整个以太坊生态系统的网络效应有影响，而且对更广泛的智能合约平台环境也有影响。

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