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原文作者:Paween Pitimanaaree

以太坊一直是用户和开发职员的首选区块链,在 DeFi 和 NFT 上的 TVL 跨越 550 亿美元。然而,云云高的网络接纳率也给以太坊网络带来了重大问题,尤其是在其可扩展性方面,由于现在的网络在保持理想的去中央化水平的同时,每秒平均只能处置 13.5 笔生意。

为了提高以太坊的可扩展性,已往几年开发了多种方式,现在正在研究更多方式。这些解决方案包罗状态通道、Plasmas、Validiums、Rollups 和侧链。

虽然它们可能被分类为差其余种别,但现实上它们并不完全差异。一些基本头脑本质上是相同的,而且通常确立在以前的头脑之上。

因此,本文的其余部门旨在概述这些以太坊扩展解决方案现实上是若何随着时间的推移而生长的。

以太坊扩容解决方案

以太坊扩展解决方案的示例。(* 侧链可以扩展以太坊,但不能从以太坊的平安性中受益)

状态通道

状态通道是以太坊扩容最早也是最简朴的方式。要害头脑是在链下处置生意,只将最终效果宣布回主网络。这将削减到主网的不需要的中央生意,从而削减潜在的网络拥塞。

状态通道用户流。以太坊生意的数目可以削减到 2 笔——打开和关闭通道。

以下是链下生意在幕后的事情方式。想象一下 2 个用户 A 和 B 想要在他们之间转账。若是 A 向 B 发送 10 美元,B 向 A 发送 5 美元,最后 A 向 B 发送 20 美元。而不是在链上划分发送这 3 笔生意,若是他们赞成 A 应该在单笔生意中向 B 发送总共 10-5+20= 25 美元。

为了归纳综合这个想法,一组介入者可以打开一个状态通道并将资金锁定在主网上通道的多重署名智能合约中。然后,他们可以在他们之间解决链下生意,而且只有在赞成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相互的行为杀青一致的两方之间的微生意和支付。它们不能很好地扩展以支持智能合约,由于

dApp 通常涉及大量最终用户,这使得各方之间的协议加倍庞大。

智能合约 dApp 通常可以由任何人在以太坊或状态通道上无需允许地举行交互,从而在每个网络上确立差其余事实。

Plasma

Plasma 定期将 Merkle 根状态哈希宣布到以太坊。在有人提供诓骗证实并质疑其有用性之前,所有状态更新都被视为有用。

Plasma 链只是一个由运营商运行的自力区块链,它定期将检查点保留到以太坊网络。这些检查点存储为 Merkle 根状态哈希以提高 gas 效率。这意味着任何生意盘算都可以卸载到 Plasma 链以实现可扩展性,同时行使以太坊层来验证 Plasma 链的状态更新准确性。

为了确保状态转换准确,Plasma 接纳了防诓骗机制。每个过渡都被以为是准确的,直到有人在该时间段内对其提出质疑(通过提供使过渡无效的证据)。任何不准确的状态转换都将被简朴地抛弃,而新的转换将确立在先前准确的转换之上。

Plasma 在正常情形下可以很好地事情。然而,问题之一是当操作者宕机或恶意时。若是运营商住手提供生意信息,那么没有人将能够天生证实来使状态转换无效。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)最终都市在主网中被接受。

在这种情形下,为所有用户实行“大规模退出”方案,以使用最新的有用状态退出 Plasma 生态系统。然则,整个状态数据将被转储到以太坊上,这可能会引发网络拥塞。

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类似所有权的结构,这意味着任何人都可能在状态转换中取得希望,从而使这些合约无法退出游戏。

Validium

Validium 在以太坊上宣布 Merkle 根状态哈希和 ZK 证实作为检查点。状态更新的准确性由 ZK 证实来验证。

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以太坊高度

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Validium 还运行自己的区块链并将 Merkle 根状态哈希宣布到以太坊,类似于 Plasma。它们的主要区别在于状态更新验证机制。Plasma 依赖于防诓骗机制,而 Validium 使用零知识 (ZK) 证实,例如 ZK-SNARKs 和 ZK-STARKs。

ZK 证实是天生的盘算连同状态更新一起提交给以太坊,以确保状态转换是有用的。只管 ZK 证实的庞大天生历程可以在链下盘算,但链上验证相当容易。这使得 Validium 可以在以太坊上更新状态和证实后立刻确定。

然而,由于其庞大的密码盘算,ZK 证实与 EVM 字节码存在兼容性限制。因此,当前可用的 Validium 应用程序仅限于简朴的用途,例如代币传输,仅涉及简朴的加减运算。

除了 EVM 不兼容之外,数据可用性仍然是一个问题。Validium 仍然依赖于链下数据存储(通过数据可用性委员会或 DAC)来确保生意数据始终可以重修为完整的区块链状态。然则,这为平安模子增添了另一层信托,由于它需要信托另一方始终可用并正常运行,纵然该方是去中央化的。

Rollup

Rollup 宣布状态根和压缩生意信息(加上 ZK Rollup 中的 ZK 证实)。

Rollup 解决了数据可用性问题。它们可以被以为是下一代 Plasma 链和 Validium。除了状态更新(在 ZK Rollup 的情形下加上 ZK 证实)之外,生意信息作为 calldata 在以太坊上宣布。这意味着给定在以太坊上提交的所有 calldata,总是可以重新最先重修区块链的当前状态。因此,我们不需要单独依赖任何第三方,如 DAC 来存储状态树。

有两种主要类型的 Rollup:Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。

Optimistic Rollup

与 Plasma 链的事情方式类似,Optimistic rollups 以为状态转换是有用的,直到有人挑战。任何人都可以通过在以太坊网络上的“验证者合约”上实行的防诓骗机制来质疑并声称状态更新不准确。

防诓骗机制有多种方式:

最终,防诓骗可确保以太坊上宣布的状态有用且完全可重构,而无需信托外部各方。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。这使得 Optimistic Rollup 作为以太坊扩展解决方案被普遍接纳。

ZK Rollup

ZK rollup 只是 Validium 和数据可用性的连系。该链定期在以太坊上提交其哈希状态以及压缩的生意数据,并使用有用性证实来验证状态转换。

与 Validium 类似,ZK Rollup 无法有用地与 EVM 兼容,由于为完全集成的 EVM 环境天生证实可能需要数小时才气完成。追求使用 EVM 或 ZK-EVM 开发 ZK rollup 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,从完全等效于以太坊到部门兼容 EVM,如图 1 所示。

差异类型的 ZK-EVM。

现在,只有尚未与 EVM 等效的 Type 4(例如 zkSync 和 Warp)和 Type 3(例如 Scroll 和 Polygon Hermez)是可行的,由于必须接纳更多的变通方式来使用 ZK 证实来充实行展 EVM 的功效。然则随着以太坊变得对 ZK-SNARK 加倍友好而且正在举行更多的研究和开发,我们应该能够看到 Type 2 和 Type 1 ZK-EVM 在未来变得普遍。

侧链

侧链是自力的区块链,运行自己的区块参数和共识机制。他们可以通过双向桥与以太坊通讯。然而,与任何其他扩展解决方案差异,侧链不会将任何生意或状态数据宣布到以太坊;因此不要继续以太坊的平安性。由于侧链有自己的区块参数,它们可以通过调整某些参数(例如削减区块时间或增添块巨细)轻松支持比以太坊提供的更高的吞吐量。然而,他们通过牺牲平安性和去中央化来实现这些目的,例如具有中央化验证者或需要高端盘算硬件。由于以太坊的愿景是专注于去中央化和平安性,侧链并不是以太坊基金会作为扩展解决方案的重点,只管它们被以为是削减以太坊生意流量的最有用方式之一。

扩展解决方案的未来

已往的扩展解决方案随着时间的推移而生长——解决了以前扩展设计中的要害问题,例如状态转换验证和数据可用性。在当前阶段,rollup 被以为是扩展以太坊的最先进的解决方案,由于它们行使了以太坊平安性和 EVM 兼容性以适合通用用途。然而,在 Rollup 方面仍有许多可能的改善领域,以实现进一步的平安性、去中央化和可扩展性:

  • Rollup 之间的直接通讯通道——在没有以太坊作为前言的情形下,在 Rollup 之间举行桥接和新闻转达可以增强用户体验并降低生意成本。

虽然像 Rollup 这样的链下扩展解决方案已经可以提供多重可扩展性,但以太坊也有自己的设计,通过 ETH 升级在基础层举行扩展。以太坊分片作为主要的里程碑升级之一,将能够通过与 Rollup 的集成进一步协同提升以太坊的可扩展性。

  • 分片作为 Rollup 的数据可用性层——64 个以太坊 2.0 分片链中的一些可以用作 Rollup 的“数据客栈”,以便在其上宣布哈希根。从理论上讲,分片和 Rollup 可以将以太坊吞吐量提高到 100,000 TPS。

  • 代码可执行分片——其他分片链将能够运行 EVM 字节码和以太坊等智能合约。然而,由于之前的分片链使用提供的大吞吐量,这种实现的现实需要有待确定。

依附足够的可扩展性,以太坊可以支持当前使用的 web2 服务(如 Visa)的高生意吞吐量。向金融的未来迈出了主要的一步。

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