擴容能力是什麼？

簡單地來說，可擴充套件性（scalability）就是對系統增長能力的衡量。就比如，在計算中網路或伺服器可以透過不同方法擴容來處理更多的需求。

加密貨幣中的可擴充套件性指的是區塊鏈可擴充套件容納更多使用者的程度。其中的更多使用者意味著區塊鏈將涉及更多的操作和交易競爭。

Ethereum擴容必要性

Ethereum的擁護者認為網際網路的下一次迭代將會在該平臺上建立。而那時的Web3.0將帶來一種分散式拓補結構，不再需要中間商、會更注重隱私性，並最終轉向資料的自我擁有。而這些基礎屬性將透過分散式儲存/通訊協議和智慧合約式的分散式計算來構建。

而為了實現之這一目標，Ethereum需要在不損害去中心化的前提下，大規模提升網路處理交易的能力。目前，Ethereum並未像Bitcoin那樣透過限制區塊大小來限制交易量。而只是向區塊中納入了gas limit（單一區塊中可容納最大gas量）。

比方說一個區塊的gas limit為100,000gwei，則當向該區塊中提交10筆gas limit為10,000，又或者是2筆gas limit為50,000的交易時，任何其他的交易都需要等待下一個區塊。

對於每個人都在使用的系統來說，這並不理想。而且當未決交易數量超過區塊可用空間，就會很快出現積壓。同時gas price價格也將上漲，此時人們就不得不支付更高價格來使自己的交易被優先處理。也就說繁忙的網路會使得特定用例中的操作變得非常昂貴。

當初風靡一時的CryptoKitties遊戲則是Ethereum網路侷限性很好的示例。2017年，基於Ethereum的遊戲CryptoKitties吸引了大量使用者在網路中進行交易來進行虛擬貓（代表不可替換代幣）的繁殖。而迅速的普及也使得待處理交易火箭式上升，最後導致了網路的極度擁堵。

Blockchain可擴充套件性三角困局

從表面上來看只要提高區塊的gas limit就可以緩解所有可擴充套件性問題。也就是上限越高，網路在固定時間範圍內就可處理更多的交易，對吧？

遺憾的是，除非犧牲Ethereum的某些關鍵特性否則這是不可行。Vitalik Buterin提出了Blockchain Trilemma（區塊鏈不可能三角—如下圖）來解釋區塊鏈必須達到的微妙平衡。

區塊鏈三角困局：擴容（1）、安全（2）和去中心（3）

上述三個特性中只能取其二。例如Ethereum和Bitcoin等區塊鏈都將安全性和去中心化放在了首位。它們的共識演算法確保了網路的安全性，但其中的網路是由成千上萬的節點組成，所以降低了網路的可擴充套件性。由於接收和驗證交易都是由眾多節點來完成的，所以相比於中央式方案要慢得多。

另一種情形則是移除區塊的gas limit，這樣的網路則同時具有安全性和可擴充套件性，但不再是去中心化。

此時單一區塊中將包括更多的交易，最後形成更大的區塊。而網路中的節點仍需定期下載和廣播區塊，所以就需要大量的硬體基礎。也就是說，當gas limit提高時，節點驗證、儲存以及廣播區塊的難度將會增加。

在此過程中無法跟上節奏的節點將會退出。假如此種方式持續下去，則僅會有少部分強大的節點倖存，而這就導致了系統的更加中心化。最後你會得到一個安全且可擴充套件的區塊鏈，但並會去中心化。

最後一種情況是，區塊鏈選擇了去中心化和可擴充套件性。也就是網路犧牲了共識演算法來實現更快的速度和去中心化，而結果卻是安全性降低了。

Ethereum的交易處理率

最近這些年，Ethereum的TPS（每秒交易量）很少會超過10。對於一個計劃成為“世界計算機”的平臺來說，這個數字低得驚人。

可擴充套件性解決方案一直都是Ethereum發展過程中重要部分。而Plasma就是解決方案的一種。該解決方案旨在幫助Ethereum及其他區塊鏈網路提高效率。

Ethereum2.0

Ethereum的確具有很大潛能，但並不能掩飾其存在的侷限性。之前我們也已經討論過在可擴充套件性方面的侷限性。簡言之，如果Ethereum想成為新經濟體強有力的支柱，則它就必須每秒處理大量的交易。而鑑於網路的分散式特性，導致該問題很難解決，而且多年來Ethereum的開發者們也致力於該難題解決方案研發。

一方面，為了保持網路的去中心化特性，必須設定一定限制。然而當執行節點的操作條件越高，網路中的參與者就會越少，而網路也將逐漸中心化。所以提高Ethereum處理交易的能力時節點的負擔就會增加，從而威脅到網路的完整性。

Ethereum以及其他PoW（工作量證明）加密貨幣的另一弊端是，它們都是資源密集型。也就說為了能在區塊鏈上成功新增區塊，就必須進行挖礦。而此種區塊新增方式則需要大能耗快速計算。

為了解決上述侷限性，遂提出了一系列升級計劃，統稱為Ethereum2.0（或ETH2.0）。一旦全面實施，則將會有效提升網路的效能。

Ethereum分片

透過以上理解我們知道，每個節點都會儲存區塊鏈副本。而每個節點也都將隨著區塊鏈的變化而更新，這一過程將消耗巨大寬頻和可用記憶體。

而如果使用名為“Sharding（分片）”的方法，則該過程就可避免。透過名字就知道該過程是將網路劃分為不同節點子集，也就是所謂的shards（分片）。每一個分片都將處理自己的交易和合約，同時也會按照要求與其他網路的分片進行通訊。並且由於每個分片都將獨立驗證，所以它們不需要儲存其他分片的資料。

2020年3月的網路VS實施分片的網路

“分片”是一種複雜的擴容方式，需要大量的設計和實施工作。然而，倘若成功實施，則網路的吞吐能力將會以數量級提升。

Ethereum Plasma簡介

Ethereum Plasma是一種鏈下擴容解決方案。顧名思義，也就是將交易脫離區塊鏈以便於提高網路吞吐量。此時的它就與側鏈和支付通道有些相似。

透過Plasma，側鏈就可以與Ethereum區塊鏈主鏈錨定，並保持一定程度的通訊。它們的運作大體上是獨立的，也就是使用者依靠主鏈來解決爭端，靠側鏈來完成他們的活動。

Ethereum擴容成功的關鍵在於減少節點必須儲存的資料量。Plasma方案則允許開發者在主鏈的智慧合約中規定“子鏈”的一些規則。之後就可以將主鏈上昂貴的操作（構建應用或處理交易）轉移到“子鏈”完成。

關於Plasma的詳細資訊，請檢視《Ethereum Plasma解讀》。

以太坊rollup介紹

Rollups類似於Plasma，他們都是將交易從主鏈中脫離，以此實現以太坊的擴容。那麼，他們都是如何運作的呢？

透過在主鏈上的單個合約中，持有二級鏈上的所有資金，並保持該鏈當前狀態的加密證明。二級鏈的運營者在主網合約中存入保證金，並確保僅將有效的狀態轉換提交給主網合約。基於當前的思路，由於該狀態是在鏈下維護的，因此無需將資料儲存在區塊鏈上。但是，Rollups與Plasma的主要區別是將交易提交給主鏈的方式。Rollups使用特殊的交易型別，這種方式可以彙總海量交易，並將其捆綁在一起成為特殊的區塊，稱為Rollup區塊。

有兩種不同型別的rollup：Optimistic和ZK Rollup。兩者都透過不同方式保證狀態轉換的正確性。

ZK Rollups 使用一種被稱為零知識證明的密碼學驗證方式進行交易提交。其中一種較為特別的方法被稱為zk-SNARK。我們無法得知它工作的具體細節，但是會明確它的確被Rollups所使用。這是一種可以讓互不認同的雙方互相證明自己所擁有特定的資訊，而又不不需要互相透露該資訊是什麼的方式。

就ZK Rollups而言，這種資訊是提交到主鏈的狀態過渡。這樣做的一個很大好處是，這個過程幾乎會立即發生，而且幾乎沒有機會提交損壞的狀態。

最佳化滾動 犧牲了某些可調整性以獲得更大的靈活。透過使用一個名為最佳化虛擬機器(OVM)的虛擬機器，這些虛擬機器允許智慧合約在二級鏈上執行。 另一方面，這種方式不會有加密證據提交給主鏈，證明該狀態過渡是正確的。 為了緩解這個問題，會稍微將狀態進行延遲，支援使用者質疑和否定提交到主鏈的無效區塊。

Ethereum權益證明機制（POS）

權益證明（PoS）是工作量證明（PoW）替代方案，用來驗證區塊。在PoS系統中新區塊並不是透過挖礦來獲得，而是透過鑄造（有時也被稱為鍛造）來完成。礦工不再需要透過算力來競爭。現在的候選區塊是由週期性隨機選擇出的節點（驗證者）來完成驗證的。如果操作正確，則該節點將會獲得區塊中所有的交易費用，有時也可能根據協議獲得區塊獎勵（增發代幣）。

由於PoS過程中不涉及採礦，所以它被認為是一種環境友好型方案。驗證者消耗的能量相比於礦工要少得多，結果就是可以在消費級硬體上鑄造區塊了。

Ethereum2.0的升級過程中，會透過名為Casper的更新將PoW變革成PoS。目前確切的日期還未知，但第一次迭代可能會在2020年推出。

Ethereum Staking（權益質押）

在PoW協議中，網路的安全性由礦工來保證。其中的礦工並不會作弊，因為作弊只會白白浪費電力而並不會獲得任何獎勵。在PoS中並不存在此種博弈關係，而是透過其他加密經濟學措施來確保網路安全。

在PoS中防止不誠實行為的不是能源浪費風險而是資金損失顧慮。驗證者（Validator）需要抵押一定數量的代幣才可能獲得驗證權。如果節點試圖作弊，則他所質押的代幣（一定量的Ether）將會被銷燬，而如果該節點無響應或離線則質押代幣也將逐漸耗盡。

Ethereum中所需ETH質押量

想獲得驗證權的最低質押量為32ETH。此高額設定可有效的防止51%攻擊。

Ethereum中ETH的質押收益率

收益率的大小並不固定。因為收益不僅取決於你抵押的代幣量，還受到網路中總ETH質押量以及通貨膨脹率的影響。粗略估算，目前年收益率大約為6%。當請記住，這個數字也只是現在，並不代表未來。

質押鎖定期

想要取回ETH時，就會被放入到一個取款佇列。如果不排隊的情況下，最短的贖回時間為18個小時，且時間會根據當時正在取款的人數動態調整。

質押安全性

因為你是負責網路完全的驗證者，所以需要將各種風險考慮在內。如果驗證節點長時間離線，則將會損失很大一部分押金。而當你的押金低於16ETH時，就被會被移出驗證者集合。

還存在另一個系統性風險因素。權益證明機制（PoS）之前未在大規模網路上實施，所以不能保證它不會出現崩潰。軟體總是存在缺陷和漏洞的，而且可能會造成毀滅性影響，尤其是質押價值達到數十億美元的時候。