細數以太坊擴容方案，顛覆區塊鏈的利器？

以太坊開發人員很久之前就明白網路擴容是一個值得討論和投入的話題。但是這個問題直到2017年下半年才被開發社區注意到，那時候有個去中心化應用叫做虛擬貓佔據了太多流量，從而使得整個網路的速度都被降低了。除了網路延時，需要用來在以太坊區塊鏈上運行智能合約所需的燃料費用激增，因為用戶競爭著想讓自己的交易生效。

雖然這個故事有些過度報導，但是虛擬貓的情況揭示了現階段的以太坊也許還沒有為成功運dApp提供所需流量做好準備。較慢的速度和昂貴的使用成本使得用戶開始離開這個平台和應用。DApp開發人員正在全力釋放首個廣泛應用的app，所以開發人員必須繼續攻克區塊鏈擴容問題。

「三元悖論」

區塊鏈技術的其中一個理論是網路可以支持以下的兩個：安全，去中心化和擴容性。這個「三元悖論」，已經成為了以太坊開發人員的挑戰，因為他們想要在為了更廣泛應用和實施的同時，也能維持區塊鏈的核心特徵（去中心化和安全）。有些擴容解決方案會嚴重影響安全或者去中心化：

1. 使用替代幣是解決擴容問題的理論解決方案。這個方案是將轉賬計算放在鏈下進行，而且接受多個替代幣同時存在的模型，這些都會在獨立的區塊鏈上運行。每個區塊鏈減少的流量，可以讓整個區塊鏈進行擴容。但是，隨著每個區塊鏈有更少的節點，每個區塊鏈就會更容易被攻擊以及產生欺詐用戶。因此，使用替代幣維持了去中心化和提高了擴容性，但是也很大地影響了安全。

2. 增加區塊大小是另一個解決擴容問題的理論方案。如果以太坊社區投票增加每個區塊的大小，所有節點也仍然可以運行各種操作，但是在同樣的時間裡，可能會發生更多的轉賬。但是，隨著更大的區塊大小，每個轉賬需要更多的能源，那麼越來越少的節點可以承擔這部分能源。結果就是未來網路會被一些擁有大量驗證每個區塊的處理能力的超級計算機掌控。因此，增加區塊大小保證了安全和擴容，但是顯著降低了網路的去中心化。

區塊鏈發展最初的問題是安全和去中心化。因此，對於擴容最重要的阻礙是每個節點都需要處理每比交易。因為絕對地安全和去中心化，系統對於擴容不會有太多的增值性。因此問題來了，我們的以太坊工程師如何能夠在不影響安全和去中心化的前提下進行擴容。

現在有4種正在開發的協議，可以解決擴容的問題。分片，Plasma和雷電都是為了幫助以太坊擴容。第四種協議，Casper，在內容上更廣泛，但是也會有擴容的效果。

分片

分片這種擴容方案還是將交易放在原來的區塊鏈上，因此被稱為「鏈上」方案。分片解決了在以太坊網路上交易都是線性的，因為每個節點都需要處理交易。分片可以讓節點同時運行，因此提高了整體區塊鏈可以處理的每秒交易。有了分片，以太坊網路可以分成很多組節點。每組都是一個分片，並且每個分片都會處理組內的交易。這就可以讓分片同時地處理不同的交易。

每個分片內部，某些節點會定期創建「collation」，或者是一系列關於分片的信息。每個collation都會包括以下信息：

1. 每個分片collation來自何處

2. 在交易完成之前分片狀態的信息

3. 在交易完成之後分片狀態的信息

4. 來自2/3 collator的數字簽名驗證collation中的信息

在網路中，每個分片中的collation都會存到單個區塊，並且加到以太坊區塊鏈上。因此分片技術可以讓這些群體節點去處理和驗證交易，但是只有collation中的信息會加到區塊鏈上。假設有10個片區，每個片區處理5筆交易，那麼下個區塊就可以在區塊鏈上包含50個區塊的交易信息，而不是節點都需要按順序地去處理所有交易。

但是分片技術會有2個問題。首先，每個片區都必須要有足夠多的節點來確保網路的安全。如果一個片區有太少的節點，2/3的collator可能會被妥協，從而開始進行欺詐。其次，要處理在2個片區之間的交易會比1個片區要難很多（如果是一個片區，就不會有問題，因為就是整個區塊鏈）。目前的方法需要冗長的收據和證明。

Plasma

Plasma是另一種在 「鏈下」 處理交易的解決方案，也就是說，交易並不是在以太坊主網上進行。Plasma可以讓很多區塊鏈（子鏈）從原來的區塊鏈上分離出來（根鏈）。因此，每個子鏈都能處理和維護它自己的轉賬記錄，當然這是基於根鏈的底層安全性。通過Plasma，根鏈是所有子鏈發生計算的推動。但是根鏈只需要在子鏈中有爭議的時候才會進行計算。這種方案可以使得所有子鏈來分配區塊鏈上的所有轉賬信息，從而可以最優化速度和效率。如果子鏈上的節點願意，他們可以提交轉賬信息，並且輸出他們的轉賬記錄到根鏈。

這個方法有一個非常大的好處。每個Plasma鏈都能有自己的標準，這意味著不同的子鏈可以支持有不同需求的交易（例如，私有鏈），並且所有的交易都處在同樣，安全的生態系統中。

雷電網路

雷電網路是另一種鏈下擴容解決方案，可以讓節點在不用根鏈驗證每筆交易的前提下，去維護轉賬記錄。兩個節點之間可以開通一個「狀態通道」，這是在用戶間的雙向通道。交易信息會在兩個節點之間進行，同時會由各方簽名來保證不可篡改性。雷電網路是專門為經常性支付使用的，也就是說，知道自己將要給某個公司每周支付10美金來獲得服務，或是你會在某個地方經常性消費的。將這兩個節點間的交易記錄並且驗證，而不是通過整個區塊，根鏈可以釋放出大量的流量。任何時候，狀態通道的參與者可以選擇關閉交易，並且所有交易的結果都會記錄在根連上，並包含在下個區塊。這意味著在你使用了每周10美元的服務1年後，用戶會有驗證520美元交易的區塊，而不是52比10美元的交易。

雷電網路解決方案有一個問題，也有一個好處。問題在於節點只可以和他們的「鄰居」交流，也就是說如果節點A和節點B打開狀態通道，並且節點B和C的狀態通道打開，A就不能直接發送資金給C。但是，這樣通過通道來進行轉賬，可以保證資金不會盜竊和鎖定。A節點能夠通過B作為中介來發送資金給C，這樣節點B就不可能偷取資金。雷電網路最主要的好處，就是可以大幅度地降低每筆交易的燃料費用。

Casper

Caper是以太坊目前的工作量證明即將轉去的權益證明協議。通過工作量證明演算法，礦工目前必須要提高能源使用來解決加密難題，從而挖出區塊。如果解決難題，那麼他們就可以獲得獎勵，但是這個過程需要大量能源（並且現在需要的越來越多）。這很燒錢並且也非常地對能源不利，目前每年需要消耗120億美元來維持工作量證明。

在權益證明中，驗證節點會代替礦工，並且他們會在區塊鏈上驗證區塊，而不是挖出區塊。這樣就不會是在某個區塊上進行不斷地提高能源消耗，驗證節點會在某個區塊鏈進行權益抵押。有最多權益的區塊就會被驗證，從而加入到區塊鏈上。最終，驗證節點通過在合約上鎖定資金投注某個區塊會被加到鏈上，直到下一個區塊被加入。如果最後的區塊是正確地，那麼他們就會獲得獎勵。如果他們惡意去想要驗證錯誤或者帶有賄賂信息的區塊，那麼他們的資金就會丟失。

從概念上來說，這樣的轉變可以保護區塊鏈被惡意攻擊。通過工作量證明演算法，失敗的區塊鏈攻擊會消耗攻擊者的時間和能源。但是在權益證明演算法中，失敗的攻擊會直接導致他們損失錢，因為他們會立刻失去壓在錯誤區塊上的權益資金。

Casper最終的實施會被分為2個協議的迭代：Casper FFG和Casper CBC。

Casper FFG

Casper FFG將會成為Casper的首個迭代版本，大概會在以太坊下個硬分叉的時候發布。在Casper FFG中，區塊依舊是由工作量證明挖出的。但是，經過每50個區塊，驗證節點會介入測試權益證明的機制。這個檢查點會使用權益證明協議來評估最終性。這個最終性的意思是這次操作已經完成並且完全不可篡改。在FFG中，驗證節點會把資金作為權益來完成鏈上前50個區塊的驗證。

Casper CBC

Casper CBC會是Casper的第二個迭代。這個協議會被正式驗證，並且證明可以滿足所有給定的屬性。在CBC協議中，PoS協議只會被部分設定，然後進一步精細調整，以滿足其屬性符合要求。最終，和一開始就完全定義好不同，這個協議是逐漸推進和完善的。這是通過實現一個被稱為「理想對手」的協議來實現的，這個協議可以提出問題，錯誤和協議未來可能出現的問題。

最終的Casper協議可能會通過學習FFG和CBC進行布署。這個協議會比單純的擴容更加寬泛，包括能源和安全性的提高。但是，每個節點消耗更少的能源意味著網路會提高現有擴容的難度。儘管Casper並不是為了擴容專門設定的，它也肯定會為網路承擔更多流量做出積極影響。

向前看

以上這四個方案互不排斥，他們可以並且也有可能都會實施到某種程度來幫助以太坊逐漸擴容。擴容問題是2018年以太坊開發者最關心的。因為越來越多的dApp在被開發並且啟動，我們會看到擴容解決方案的不斷推進，從而能讓以太坊發揮它全部的潛力。

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