Layer2擴容存誤區 重新定義可擴展性_ROLL

許多克服區塊鏈可擴展性的方案都錯誤地聚焦在增加吞吐量，然而，這忽視了吞吐量對節點的影響：為了處理區塊和存儲網絡歷史，升級硬件需求會越來越強烈，進而阻礙了一個網絡的去中心化。

區塊鏈可擴展性一直是一個熱門話題。幾乎每一個區塊鏈網絡把TPS(每秒交易量)作為一個賣點，然而，TPS不是一個對比不同區塊鏈網絡的有效指標，會給評估不同區塊鏈之間的相對性能帶來挑戰。此外，高TPS通常會帶來高成本，由此就引發一個問題：這些網絡實際上真的可以擴展，或者說它們僅僅增加了它們的吞吐量？

為了回答這個問題，讓我們看看如何定義可擴展性，為了實現它需要進行的權衡，以及為什么ValidityRollups是最終極的可擴展性解決方案。

并非所有的交易都是相同的

首先，我們需要聲明我們的主張，簡便的TPS指標不是一個精確的衡量可擴展性的標準。

為了對節點執行交易進行補償，同時也為了阻止用戶通過發送不必要的交易攻擊網絡，區塊鏈會根據鏈上的計算負擔按比例收取費用。以太坊網絡中，計算負擔的復雜性用gas費用來衡量。因為gas是一個針對交易復雜性非常簡便的度量，這個術語也將在本文中用于非以太坊的區塊鏈，即使它一般特定于以太坊的。

交易在復雜性上有巨大的不同，因此，消耗的gas也是不同的。比特幣是最早實行無需信任的點對點交易，但是只支持基本的比特幣腳本。這些地址與地址之間簡單的轉移只使用很少的gas。相反，像以太坊或者Solana這樣的智能合約鏈支持虛擬機和圖靈完備編程語言，能夠實現更加復雜的交易。因而，像Uniswap這類dApps需要更多的gas費。

以太坊Layer2上總鎖倉量為87.13億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至目前，以太坊Layer2上總鎖倉量為87.13億美元，近7日漲24.32%。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum One，約57.68億美元，占比66.20%，其次是Optimism，鎖倉量19.51億美元，占比22.40%。[2023/3/26 13:26:45]

這也是為什么比較不同區塊鏈TPS沒有意義，我們應該比較的是計算能力或者說是吞吐量。

所有的區塊鏈有可變的區塊大小和區塊時間，它們決定了每個塊可以處理多少計算單元以及添加新區塊的速度。這兩個變量決定了一個區塊鏈的吞吐量。

什么限制了可擴展性

區塊鏈發展方向是實現最大化的去中心化、包容性的網絡。在實現這一目標過程中，會受制于兩個基本的屬性：硬件、狀態。

硬件要求

一個去中心化的區塊鏈網絡由網絡中最弱的節點驗證這個區塊鏈和保持狀態的能力決定的。因此，運行一個節點成本應該盡可能地降低，以使盡可能多的人成為去信任網絡無需許可的參與者。

狀態增長

狀態的增長是指區塊鏈增長的速度。一個區塊鏈在每單位時間允許越多的吞吐，這個區塊鏈增長的就越快。全節點存儲網絡歷史，同時它們也必須能夠驗證網絡狀態。通過使用樹狀等高效結構，以太坊的網絡狀態被儲存和引用。隨著狀態增長，新的“葉子”和“分枝”被添加進去，使得其執行特定的行為時會更加復雜和消耗更多的時間。隨著鏈的規模增長，節點在最壞情況下的執行會變得更糟糕，從而導致驗證新塊的時間不斷增加。隨著時間的增加，這也增加了全節點同步所需要的總時間。

Layer1區塊鏈Shardeum已上線Sphinx Betanet 1.1:2月16日消息，WazirX聯合創始人兼CEO Nischal Shetty創立的Layer1區塊鏈Shardeum已上線Sphinx Betanet 1.1版本，允許無需許可通過GUI或CLI運行驗證期和質押測試SHM，在1小時內網絡中已經有239個社驗證器運行。[2023/2/16 12:10:40]

增加吞吐量的不利影響

節點數

運行節點的最低要求和節點數：

比特幣：350GB硬盤空間、5Mbit/s連接、、1GBRAM、CPU>1Ghz。節點數：~10,000

Ethereum2：500GB+SSD磁盤空間，25Mbit/s連接，4-8GBRAM，CPU2-4核。節點數：~6,000

Solana3：1.5TB+SSD磁盤空間，300Mbit/s連接，128GBRAMCPU12+核。節點數：~1,200

可以發現，一個區塊鏈吞吐量所需要的節點的CPU、帶寬和存儲要求越高，該區塊鏈網絡上能夠參與的節點就越少，從而導致去中心化和包容性就越弱。

同步全節點需要的時間

當第一次運行一個全節點時，它需要同步所有的現有節點，下載并驗證從創始區塊到鏈前端的網絡狀態。這個過程應該盡可能的快速和高效，以允許任何人作為這個無需許可的協議的參與者。

Qtum創始人：Qtum正在為GameFi等開發zk-rollup layer2解決方案:1月3日消息，Qtum創始人Patrick Dai表示，Qtum正在為GameFi和SocialFi以及元宇宙區塊鏈基礎設施開發zk-rollup layer2解決方案。零知識證明是實現Web3去信任的最佳擴容解決方案之一。 Qtum TPS 可以達到1萬，交易費用可以是1-2美分。[2022/1/3 8:21:32]

以JamesonLopp的2020年比特幣節點和2021年節點同步測試為參照，表1中對比了比特幣、以太坊、Solana在普通消費級電腦上同步一個全節點所需要的時間。

表1區塊鏈吞吐和節點同步比較

表1呈現了增加吞吐量會導致更長的同步時間，因為更多的數據需要被處理和存儲。

雖然區塊鏈可以通過不斷改進節點軟件以緩解不斷增長的區塊鏈挑戰，比如降低磁盤的占用空間、更快的同步速度、更強的崩潰恢復能力、某些組建的模塊化等等，但是很顯然節點無法跟上吞吐量增加的步伐。

可擴展性應該如何被定義

可擴展性是區塊鏈領域最被誤解的術語。雖然增加吞吐量是可取的，但是這只是該難題的一部分。

IOST與Play2Earn項目Zodium達成合作，擴張NFT生態版塊:據官方消息，2021年9月13日，IOST宣布與Play2Earn項目Zodium達成合作。

據悉，Zodium結合了NFT+游戲，是典型的鏈上Play-2-Earn項目。Zodium的首個產品將于2021年第3季度末上線，玩家可在參與游戲時收集、交易、升級、創建生肖角色，實現娛樂、收益兩不誤。Zodium計劃于2022年第3季度推出有關“12 KINDs”的動漫，并將業務擴大至游戲、商品、商店、主題公園等領域。

Zodium由制作公司IDOU Inc創建。IDOU Inc由LINE-FRIENDs的前聯合創始人創辦。[2021/9/14 23:24:14]

可擴展性意味著在相同的硬件上進行更多的交易。因此，可擴展性可以分為兩大類：排序可擴展性、驗證可擴展性。

排序可擴展性

排序描述了網絡中對交易進行排序和處理的行為。如前所述，任何區塊鏈可以增加區塊空間和縮短出塊時間來小幅增加吞吐量，一直到這種方法對區塊鏈去中心化產生顯著的影響。但是，調整這些簡單的參數提供的改進是有限的。理論上，以太坊虛擬機能夠實現高達2000TPS，但是長期而言，還不能滿足區塊空間的需求。

為了擴展排序，Solana做了一些令人印象深刻的創新：利用了可并行化的執行環境和巧妙的共識機制，從而實現了更加高效的吞吐量。不過，盡管它有所提升，但這種方式既不充分，也不可擴展。隨著Solana增加了自身的吞吐量，運行節點和處理交易的硬件成本也在增加。

Bridge Mutual與ChainX達成合作，以為其比特幣Layer 2提供風險保護:3月16日消息，Bridge Mutual（BMI）宣布與波卡生態系統項目 ChainX（PCX）建立合作伙伴關系，為BTC托管和X-BTC智能合約的擴展提供安全保護。[2021/3/16 18:48:29]

驗證可擴展性

驗證擴展性描述了增加吞吐量而不用持續增加硬件成本的節點負擔的方法。具體來說，它指的是像Validityproofs的密碼學創新。它們是ValidityRollups可以可持續擴展一個區塊鏈的原因。

什么是ValidityRollup？

ValidityRollups把計算和狀態存儲遷移到鏈下，但是把一小部分的確定的數據放到鏈上。區塊鏈底層上，有一個智能合約維護Rollup的狀態根。在Rollup上，一批高度壓縮的交易和當前的狀態根一起被發送到鏈下證明者。這個證明者計算交易，對結果和新的狀態根產生一個有效性證明，并且把它發送到鏈上的驗證者。這個驗證者驗證有效性證明，維護Rollup狀態的智能合約把由證明者提供的證明信息更新到新的狀態。

ValidityRollups如何在硬件要求相同的情況下實現可擴展？

即使證明者確實需要高端的硬件，它們也不會影響一個區塊鏈的去中心化；因為，交易的有效性被數學可驗證的證明保證。

重要的是驗證證明的要求。因為參與的數據被高度壓縮并且很大程度上通過計算抽象出來，它對底層區塊鏈節點的影響是很小的。

驗證者不需要高端的硬件，批次的大小不會增加硬件需求。僅僅狀態轉換和小部分的數據響應需要被節點處理和存儲。這允許了所有的以太坊節點通過現有的硬件驗證ValidityRollup的批次。

交易越多，價格越便宜

一般來說，區塊鏈上的交易越多，對于每個人來說就越貴。因為，隨著區塊空間被填滿，用戶需要在一個自由市場中出價高于他人，才能使得其交易被包含進區塊。

對一個ValidityRollup來說，這樣的情況是相反的。在以太坊上驗證一批交易是有一定的成本。隨著一個批次內的交易量增長，驗證該批次的成本以指數形式緩慢降低。也就是說，增加更多的交易到一個批次會實現更便宜的交易費用，即使該批次的驗證費用在增加。ValidityRollups希望在一個批次里面有盡可能多的交易，這樣，驗證費用可以由所有的交易者分攤。隨著批次內規模無限增長，每一次交易費無限接近于零。在ValidityRollup上越多的交易，對每個人來說，就越便宜。

dYdX是由ValidityRollup提供支持的dAPP，經常會看到一個批次內有超過12000筆交易。可以把ValidityRollup和在主網上相同交易量的gas消耗進行對比，就可以看出降低成本的好處。

在以太坊主網上處理dYdX一次交易：200，000gas

在StarkEx上處理dYdX一次交易：<500gas

從另外一個視角看：ValidityRollups的主要成本與同一批次內部的用戶數量呈現線性關系。

為什么OptimisticRollups不像人們想象中那樣提供可擴展性

理論上，OptimisticRollups提供和ValidityRollups一樣提供幾乎一樣的可擴展性優勢。但是，有一個重要的區別：OptimisticRollups對平均情況進行優化，然而，ValidityRollups對最差的情況進行優化。因為區塊鏈系統在不穩定的環境下運行，針對最差情況進行優化是僅有的方式實現安全性。

在OptimisticRollup最差的環境中，欺詐驗證者不會檢查用戶交易。所以，為了對抗欺詐，用戶需要同步一個以太坊全節點，一個L2全節點，并且需要自己計算可疑交易。

在ValidityRollup最差環境中，一個用戶將僅需要同步一個以太坊全節點來驗證有效性證明，為自己節省了計算負擔。

和ValidityRollups不同，OptimisticRollups的成本隨著交易量成線性關系，而不是用戶數量，這會讓它們會更貴。

難題的最后一部分——無需許可的獲取Rollup狀態

為了保證交易的有效性，用戶僅需要運行一個以太坊節點。然而，用戶和開發者因為各種目的想要查看和運行Rollup的狀態和運行情況。一個索引L2節點可以完美滿足這一需求。它不僅允許用戶看到網絡中的交易，而且，還是生態系統基礎設施運行所必需的關鍵基礎設施。像TheGraph、Alchemy、Infura等索引器，像Chainlink等預言機，像區塊鏈瀏覽器，所有這些都是全部由一個無需許可的、索引L2節點支持。

結論

許多克服區塊鏈可擴展性的方案都錯誤地聚焦在增加吞吐量，然而，這忽視了吞吐量對節點的影響：為了處理區塊和存儲網絡歷史，升級硬件需求會越來越強烈，進而阻礙了一個網絡的去中心化。

隨著加密學Validity-proof的出現，一個區塊鏈能夠實現真正的可擴展性，不會因為每次升級的成本給節點帶來負擔，允許更加廣泛的去中心化。對于相同的硬件，現在可以使用更強大、更復雜的計算進行更多交易，從而在此過程中扭轉費用市場的困境。ValidityRollup上的活動越多，它就越便宜。

文/StarkWare翻譯/JackYang

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