什么是區(qū)塊鏈擴(kuò)容？鏈上鏈下擴(kuò)容？有Layer 2之外的擴(kuò)容方案？
擴(kuò)容是區(qū)塊鏈已持續(xù)多年的議題之一，當(dāng)年比特幣分叉出了比特幣現(xiàn)金(BCH)，也是因?yàn)閿U(kuò)容路線上的歧異，彼此無法達(dá)成共識(shí)就干脆另外分叉出一條鏈。以太坊的擴(kuò)容之路已經(jīng)持續(xù)數(shù)年，直到今日都還在擴(kuò)容中，尚未完成，但擴(kuò)容是什么？為什么要有這東西？
為什么區(qū)塊鏈要擴(kuò)容？
過去區(qū)塊鏈一直被抱怨的問題之一，就是太慢又太貴。比特幣鏈上轉(zhuǎn)帳，從一個(gè)錢包將比特幣轉(zhuǎn)到另外一個(gè)錢包，大約需要20-30 分鐘的時(shí)間才能確認(rèn)，這時(shí)間跟國際轉(zhuǎn)帳相比很快，跟國內(nèi)轉(zhuǎn)帳或一般支付相比超慢。
以太坊快一點(diǎn)，如果鏈上沒有處于壅塞狀態(tài)，大約5-10 分鐘就能確認(rèn)，但跟國內(nèi)轉(zhuǎn)帳或一般支付相比還是太慢。
不只慢，交易需要花手續(xù)費(fèi)，手續(xù)費(fèi)依據(jù)當(dāng)時(shí)鏈上狀況而定，順暢的時(shí)候手續(xù)費(fèi)比較低，交易熱絡(luò)甚至有點(diǎn)壅塞的時(shí)候手續(xù)費(fèi)高，一般情況下大約介于臺(tái)幣數(shù)十到數(shù)百元之間，這跟國際轉(zhuǎn)帳相比并不算貴，但跟國內(nèi)轉(zhuǎn)帳、一般支付相比還是太貴。
區(qū)塊鏈想普及到日常生活，就必須更快、更便宜。
那為什么區(qū)塊鏈這么慢又貴？跟區(qū)塊鏈本身能乘載的交易量有關(guān)。區(qū)塊鏈基本的運(yùn)作是這樣：有人在鏈上發(fā)起交易，礦工或節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查和處理這筆交易，其他礦工與節(jié)點(diǎn)也會(huì)來驗(yàn)證這筆交易，每一段時(shí)間將一批已驗(yàn)證的交易一起打包成區(qū)塊上鏈。
處理交易是很快，但處理完還要驗(yàn)證，驗(yàn)證完還要打包區(qū)塊上鏈，區(qū)塊本身也有限制，整體來說區(qū)塊鏈的運(yùn)作犧牲了部分速度與效率，來換取去中心化與安全。但如果區(qū)塊鏈想要普及到日常生活，就得更快更便宜。
區(qū)塊鏈的不可能三角
這是以太坊的創(chuàng)辦人，俗稱V 神的Vitalik Buterin 提出過的一個(gè)說法，關(guān)于區(qū)塊鏈的不可能三角，也被稱為區(qū)塊鏈的三角悖論或三角困境。
它指的是目前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)無法同時(shí)滿足這三者，去中心化、安全性、可擴(kuò)展性，最多只能同時(shí)追求兩者，必然至少會(huì)犧牲其中一個(gè)。假設(shè)又要安全又要快，那就會(huì)犧牲掉部分的去中心化才能做到，又要去中心化又要安全，就得犧牲部份的可擴(kuò)展性。
比特幣網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)多年驗(yàn)證，非常去中心化也非常安全，但比特幣的交易速度，平均來說只有每秒5-7 筆交易。而以太坊，在擴(kuò)容前也只能做到平均每秒15 筆左右，這數(shù)字簡稱TPS (Transactions Per Second)－每秒交易量，如果要讓區(qū)塊鏈能普及到日常生活，需要多高的TPS？
生活中常見的刷卡交易，參考VISA 和Master 的數(shù)字也許會(huì)讓我們有個(gè)概念，關(guān)于VISA 究竟可以達(dá)到多高的TPS 網(wǎng)絡(luò)上查到多種數(shù)字，最低的是1700，最高的是24000，也許是理論值跟實(shí)際值的差異，而Master 的TPS 大約5000，這些數(shù)字都很明顯比區(qū)塊鏈要快很多。
區(qū)塊鏈擴(kuò)容，就是要讓區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)能更快速地處理更多交易，擴(kuò)展區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的容量，想像成增加網(wǎng)絡(luò)頻寬，升級(jí)電腦規(guī)格，讓我們能更快速地完成更多事情。
擴(kuò)容有哪些方式？
區(qū)塊鏈?zhǔn)翘摂M的，區(qū)塊和鏈?zhǔn)歉拍?，并不是真的有摸的到?shí)體的一條鏈子，呈現(xiàn)起來類似下圖：
交易打包成區(qū)塊，跟上一塊舊區(qū)塊相連，也會(huì)跟后面的新區(qū)塊相連，塊與塊之間透過加密算法驗(yàn)證，一塊接著一塊就像鏈子一樣所以叫做區(qū)塊鏈，交易上鏈就不可更改，持續(xù)運(yùn)行下去這條鏈會(huì)愈來愈長。
想擴(kuò)展區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的容量，讓它可以承載更多交易，有兩種擴(kuò)容方向：
鏈上擴(kuò)容- 直接在區(qū)塊鏈上動(dòng)手，透過調(diào)整區(qū)塊鏈本身的規(guī)則來擴(kuò)容。例如調(diào)整區(qū)塊大小、調(diào)整出塊時(shí)間、分片等等。
鏈下擴(kuò)容- 不更動(dòng)區(qū)塊鏈本身，從別的地方下手來擴(kuò)容，例如另外新增一條鏈、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間開啟狀態(tài)通道等等。
鏈上擴(kuò)容－提升區(qū)塊鏈吞吐量
直接在區(qū)塊鏈上動(dòng)手，透過調(diào)整區(qū)塊鏈本身的規(guī)則來擴(kuò)容。如果把區(qū)塊鏈想像成捷運(yùn)或火車，區(qū)塊鏈擴(kuò)容就像要設(shè)法提高運(yùn)量，所謂的鏈上擴(kuò)容，就是直接去改列車、改車站。
加大區(qū)塊大小
把每個(gè)區(qū)塊限制的空間加大，每次就可以打包更多筆交易了阿～
看示意圖，是不是覺得下面這條鏈感覺可以裝更多東西？
以比特幣為例，比特幣的區(qū)塊容量限制為1 MB，平均紀(jì)錄一筆交易需要256 bytes 的容量，也就是說平均一個(gè)區(qū)塊共可以打包4096 筆交易。
1 MB = 1024 KB，1 KB = 1024 bytes
2017 年的時(shí)候因?yàn)閿U(kuò)容路線之爭，從比特幣分叉出了另外一條鏈，分叉出了另外一種比特幣，被稱之為比特幣現(xiàn)金(BCH)，當(dāng)時(shí)比特幣現(xiàn)金將區(qū)塊容量提升到8 MB，后來又再度提升到32 MB。
并不是區(qū)塊大小提高幾倍就可以把交易數(shù)量提高幾倍，還必須看不同鏈上的不同規(guī)則，不同的交易內(nèi)容可能會(huì)有不同的交易大小，更復(fù)雜的交易會(huì)需要更大的容量。
如果用捷運(yùn)的比喻，加大區(qū)塊大小就像是把車廂變大，更大的車廂可以擠進(jìn)更多乘客，整體運(yùn)量上升。但車廂當(dāng)然不可能無止盡加大，這會(huì)受到原本設(shè)計(jì)的限制。
區(qū)塊大小影響的是一個(gè)區(qū)塊可以打包幾筆交易，但打包之前節(jié)點(diǎn)依然必須先處理交易，如果節(jié)點(diǎn)能處理的交易已達(dá)上限，繼續(xù)增大區(qū)塊大小并無法提高多少交易量。如果車站在入口閘門處就已經(jīng)塞住，就算車廂增大可以容納更多旅客，但人根本卡在前面進(jìn)不了站，運(yùn)量并不會(huì)因此而有提升。
增加出塊頻率
把打包區(qū)塊的速度加速，同樣時(shí)間之下可以出更多區(qū)塊。
加速出塊，雖然每個(gè)區(qū)塊能容納的交易數(shù)量一樣，但同樣時(shí)間之下區(qū)塊變多了，整體可打包的交易也變多了。
比特幣的平均出塊時(shí)間是10 分鐘一塊，對(duì)應(yīng)上一段提到的每個(gè)區(qū)塊可容納4096 筆交易，換算就是平均一秒6.82 筆交易，這是理論值，實(shí)際上出塊時(shí)間略有浮動(dòng)，也不一定每個(gè)區(qū)塊都能完整打包4096 筆交易。
以太坊在轉(zhuǎn)換到POS 機(jī)制后，目前的出塊時(shí)間大約是14 秒一塊，有些公鏈更快，可以做到3-6 秒出一塊。但并不是出塊時(shí)間比較快就等于可乘載交易數(shù)量一定比較多，還得看區(qū)塊大小以及交易內(nèi)容等等綜合評(píng)估。
如果用捷運(yùn)來比喻，增加出塊頻率就像是增加發(fā)車班次，本來兩分鐘一班車，改成一分鐘一班車，運(yùn)量就提升了。
分片
分片的概念復(fù)雜了一些，可以用分工來理解它。
Original diagram by Hsiao-wei Wang, design by Quantstamp.
分片并不是區(qū)塊鏈獨(dú)有的概念，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫處理中就有這個(gè)概念，簡單說就是不必每個(gè)伺服器都儲(chǔ)存所有資料，而是把資料切分成幾個(gè)部分，分散儲(chǔ)存在不同伺服器。
區(qū)塊鏈的運(yùn)作中，原本是所有礦工與節(jié)點(diǎn)都要驗(yàn)證所有交易，有點(diǎn)重工(重復(fù)工作)，透過分片技術(shù)，部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證部分交易，用分工的方式提升整體效率。
例如假設(shè)原本共有500 個(gè)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都要驗(yàn)證所有交易，也許原本的處理上限是每秒500 筆；現(xiàn)在把這500 個(gè)節(jié)點(diǎn)拆成10 組，每組只要負(fù)責(zé)驗(yàn)證十分之一的交易，這樣一來處理上限就提高了10 倍變成5000 筆。
但本來交易會(huì)被500 個(gè)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證，現(xiàn)在只會(huì)被50 個(gè)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證，看起來安全性下降了，參與的節(jié)點(diǎn)變少，51% 攻擊變?nèi)菀琢?，解決方案之一是每次都透過隨機(jī)抽樣的方式來分配節(jié)點(diǎn)。
分片簡單說就是一種分工，在同樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)量之下，增加可處理的交易數(shù)量。如果用捷運(yùn)的概念來理解，有點(diǎn)像是增加閘門、增加月臺(tái)，列車大小一樣、車站大小一樣，但增加閘門數(shù)、月臺(tái)數(shù)，可以放更多人進(jìn)站，也同時(shí)可以開更多車，運(yùn)量就提升了。
鏈上擴(kuò)容需要直接對(duì)區(qū)塊鏈動(dòng)手，必然會(huì)受限于區(qū)塊鏈原本的設(shè)計(jì)，就像在現(xiàn)實(shí)世界中若要直接修改捷運(yùn)車廂、車站一定很困難，限制很多成本很高，另外一種作法是鏈下擴(kuò)容。
鏈下擴(kuò)容– 其中有些也被稱為Layer 2 擴(kuò)容
不更動(dòng)區(qū)塊鏈本身，從別的地方下手來擴(kuò)容。如果一樣用捷運(yùn)的比喻，那鏈下擴(kuò)容就是不改列車、車站，透過其他方式例如增加接駁公車、另外開新的支線來提升運(yùn)量。
鏈下擴(kuò)容有五種方式：側(cè)鏈、狀態(tài)通道、Rollups、Plasma、Validium，這部分在技術(shù)上比較艱深，這篇作為入門科普文只會(huì)簡單帶過，試著用生活化一些的方式描述，想更進(jìn)一步了解的建議閱讀這篇：
側(cè)鏈
側(cè)鏈的概念像是在原本的捷運(yùn)之外再建立一條支線，或是加開接駁公車，由其他公司來營運(yùn)，走不同的系統(tǒng)，跟原本的捷運(yùn)線不能直接共通，需要出站，需要重新買票。
側(cè)鏈?zhǔn)橇硗庖粭l鏈，有自己的節(jié)點(diǎn)、共識(shí)、安全性，和主鏈之間用某種方式相互合作。
狀態(tài)通道
至于狀態(tài)通道，是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通道，有點(diǎn)類似在我家和公司之間開了一個(gè)傳送門，兩地之間傳來傳去其實(shí)并沒有透過捷運(yùn)，但每過一段時(shí)間總結(jié)傳送次數(shù)后一次打包進(jìn)出明細(xì)給捷運(yùn)公司。
運(yùn)作在區(qū)塊鏈中就例如A 錢包和B 錢包之間開啟狀態(tài)通道，彼此之間的交易其實(shí)都在鏈下進(jìn)行，并沒有每筆交易打包上鏈，如此就可以避開區(qū)塊鏈本身的容量限制，一段時(shí)間后才會(huì)將這段期間的所有明細(xì)一次打包上鏈，同時(shí)關(guān)閉通道(可以再次開啟)。
Layer 2
至于另外三種Rollups、Plasma、Validium 都屬于Layer 2 解決方案，只是各自使用的技術(shù)不同。Layer 2 簡單說起來就是建立在Layer 1 主鏈上的第二層鏈，目前最多的是以太坊的Layer 2，也就是建立在以太坊之上，承接了以太坊安全性的另外一條區(qū)塊鏈。
跟側(cè)鏈的差異在于側(cè)鏈有自己的節(jié)點(diǎn)、共識(shí)、安全性，但Layer 2 不需要，它是依賴主鏈而生的一條鏈，用捷運(yùn)的比喻來解釋依然是一條支線，但這次使用跟原本捷運(yùn)相同的系統(tǒng)，彼此高度相關(guān)。
Layer 2 簡稱L2
概念都類似，在L2 鏈上處理交易，一段時(shí)間之后再將多筆交易合并打包回主鏈。因?yàn)椴挥妹抗P交易上主鏈，就可以避開主鏈本身的交易容量限制，大部分交易都在L2 上處理，累積多筆交易之后再合并為一筆打包回主鏈即可。
而根據(jù)不同的打包方式、跟主鏈之間的驗(yàn)證方式，又區(qū)分為幾種類型，目前最主流的L2 方案為Rollups，其中非常有潛力的方案為ZK-Rollups，采用零知識(shí)證明，難度較高在過去較為小眾，但V 神在2023 年的公開演講中提到他認(rèn)為零知識(shí)證明在接下來十年非常重要。
擴(kuò)容后的以太坊可以有多快？
之前的以太坊區(qū)塊鏈還是采取POW 共識(shí)機(jī)制，當(dāng)時(shí)平均每秒交易次數(shù)(TPS) 大約是15 筆，跟VISA 相比之下確實(shí)是太慢了，許多后發(fā)的平臺(tái)公鏈也都超過這數(shù)字，例如Solana 的TPS 大約介于2000 - 3000 之間，理論值號(hào)稱可以到65000 TPS。
以太坊的擴(kuò)容方案基本上是鏈上X 鏈下同時(shí)進(jìn)行，鏈上部分更改了共識(shí)機(jī)制，從POW 調(diào)整成POS，出塊時(shí)間稍稍快了一些，也會(huì)持續(xù)提升區(qū)塊容量，并采取分片技術(shù)，同時(shí)搭配Layer 2 為主的鏈下擴(kuò)容方案。
所以擴(kuò)容后的以太坊到底可以有多快？
2022 年7 月，在以太坊社區(qū)會(huì)議(ETHCC) 上，以太坊創(chuàng)辦人Vitalik Buterin (V 神) 和以太坊的開發(fā)人員介紹了Ethereum 最新的未來路線圖(Roadmap)。
以太坊未來的發(fā)展會(huì)分為五個(gè)關(guān)鍵的部分，而這五個(gè)部分都是同時(shí)進(jìn)行的，它們分別是：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge。
其中的The Merge 指的是將主網(wǎng)和信標(biāo)鏈合并，從POW 共識(shí)機(jī)制轉(zhuǎn)向POS 的重大合并事件，這個(gè)合并已經(jīng)在2022 的9 月15 日完成，從那天起以太坊的挖礦成為歷史，從此轉(zhuǎn)換成POS 機(jī)制。
一旦五大路線完成升級(jí)，以太坊的主鏈將可以達(dá)到，甚至超越10 萬TPS (Transaction Per Second)，同時(shí)擁有超過64 個(gè)分片，一口氣處理大量交易。對(duì)比現(xiàn)在以太坊只有約15 TPS 來數(shù)的話，完成升級(jí)后的以太坊將會(huì)快近10000 倍。
如果區(qū)塊鏈在未來生活中的應(yīng)用不只是金融支付，那我們就不能只是單單拿VISA、Master 的TPS 來參考。如果區(qū)塊鏈在日常中的應(yīng)用可以就像我們現(xiàn)在使用網(wǎng)絡(luò)一樣自然而然，那區(qū)塊鏈的擴(kuò)容目標(biāo)顯然必須設(shè)定的更大，Google 在現(xiàn)今平均每秒約處理40000 次搜尋，這數(shù)字或許可以做為區(qū)塊鏈擴(kuò)容的初步目標(biāo)。
以上就是什么是區(qū)塊鏈擴(kuò)容？鏈上鏈下擴(kuò)容？有Layer 2之外的擴(kuò)容方案？的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于詳解區(qū)塊鏈擴(kuò)容的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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