区块链扩容

在前一篇中，我们了解了公链、联盟链和私链的不同特点，并看到公链已成为区块链技术最成功和最具活力的应用方向。然而，公链在追求去中心化和安全性的同时，也面临着可扩展性的挑战——这就是著名的"不可能三角"问题。

扩容问题的由来

以比特币和以太坊为例，去中心化和安全性是它们的基石，正是这些特性保证了网络的中立性、抗审查性和开放性。但这在某种程度上需要牺牲一些可扩展性：

• 比特币：每秒处理约 7-10 笔交易
• 以太坊：每秒处理约 20-40 笔交易
• Visa 网络：每秒可以处理超过 20,000 笔交易

这样的性能差距，使得区块链在高频交易场景下面临网络拥堵、手续费飙升等问题。2017年的加密猫（CryptoKitties）曾一度让以太坊网络几乎瘫痪，2021年的 DeFi 热潮中，以太坊的 Gas 费用一度高达数百美元。

为了解决扩容问题，开发者们探索了多种方案。目前最主要的思路是分层扩容：Layer1 负责安全性，Layer2 负责性能。这就是我们常听到的 Layer1、Layer2 等术语的由来。

以下是区块链的分层架构图：

Layer1 扩容方案

Layer1（第一层）就是我们常说的区块链本身，如比特币、以太坊、Solana 等。Layer1 为去中心化应用（DApps）提供了基础架构，开发者可以在 Layer1 上构建各种协议，比如 MakerDAO 稳定币协议、Uniswap 去中心化交易所、CryptoPunks NFT 等。

Layer1 的扩容尝试

随着链上应用不断增长，网络吞吐量无法满足快速增加的需求，经常导致网络拥堵。为了提升 Layer1 本身的处理能力，主要有以下几种方案：

1. 扩大区块大小

这是最直观的扩容方式，通过增大区块容量来容纳更多交易。比特币现金（BCH）就是采用这个方案，将区块大小从 1MB 提升到 32MB。

优点：简单直接，立即生效 缺点：

• 区块更大意味着更慢的网络传播速度
• 需要更大的存储空间，提高了节点参与网络的门槛
• 使得网络更加中心化（只有资源充足的节点能参与）

2. 分片（Sharding）

分片是将区块链数据分成不同的组（分片），每个分片负责网络活动中的不同数据子集，多个分片可以并行处理交易。

以太坊曾经计划采用分片扩容方案，但由于工程复杂度太高，后来放弃了这个方案，转而采用以 Rollup 为中心的路线图。

3. 高性能共识机制

一些新公链通过采用高性能的共识机制来提升 TPS（每秒交易数）：

• Solana：使用历史证明（PoH）+ PoS，理论 TPS 可达 65,000
• BNB Chain（币安智能链）：使用 PoSA 共识，由 21 个验证节点维护，TPS 约 160

优点：性能显著提升 缺点：通常需要牺牲一定的去中心化程度

Layer1 扩容的局限

Layer1 扩容面临根本性的权衡：要保持去中心化和安全性，就很难在 Layer1 层面实现大幅扩容。这就是为什么业界逐渐转向 Layer2 扩容方案。

Layer2 扩容方案

Layer2（第二层）是针对底层区块链（Layer1）扩容的链下解决方案。Layer2 本身也是一个独立的区块链，但它使用 Layer1 的安全性保证。

核心思想：将原本在 Layer1 上执行的交易放到 Layer2 上处理，减轻 Layer1 的负担，然后 Layer2 定期与 Layer1 通信，将交易批量提交到 Layer1。这样既能享受 Layer1 的安全性，又能大幅提升交易处理能力。

比特币闪电网络

比特币上的主要 Layer2 扩容方案是闪电网络（Lightning Network），专为小额支付场景优化。

闪电网络的实现原理是：支付的双方在链下建立一个"通道"，双方可以在这个"通道"内多次进行支付交易，在需要结算时再关闭通道。当支付的双方没有直接的"通道"时，可以借助第三方节点进行中转。例如下图中，A 要向 F 交易时，可借助节点 C 形成"通道"链路。所有节点一起就形成了一个支付网络。

闪电网络的优势：

1. 更低的交易费用：对小额交易非常友好。比特币链上交易手续费通常在几美元，巅峰时期需要几十美元，对于小额交易来说，手续费往往比转移的金额还要多。而闪电网络的通道费用是动态的，通常按转移的 BTC 数量的万分之几收取。

2. 极高的吞吐量：闪电网络协议下每秒可以发生的支付数量没有基本限制，仅受每个节点的容量和速度限制。

3. 更好的隐私：闪电网络支付的细节不会公开记录在区块链上。支付可以通过许多连续的通道进行路由，每个节点运营商只能看到通过他们通道的支付，如果不相邻，他们将无法看到这些资金的来源或目的地。

闪电网络的局限：

• 节点需要一直保持在线以充当支付通道，容易受到黑客攻击和盗窃
• 多数用户可能会依赖某个关键枢纽节点，这样的枢纽离线可能会导致网络的局部（或完全）崩溃
• 主要适用于小额高频支付场景，不适合大额转账

以太坊的 Rollup 方案

以太坊上主要的 Layer2 扩容方案是 Rollup，Rollup 意思是卷起，Rollup的核心思想是：由 Rollup 层负责执行交易，然后将许多笔交易压缩成一笔交易批量提交给以太坊。这样既能享受以太坊的安全性，又能大幅提升交易处理能力。

Rollup 的两种类型

Rollup 目前分为两种类型：Optimistic Rollup（乐观 Rollup）和 ZK Rollup（零知识证明 Rollup），它们的主要区别在于如何向以太坊主网证明交易的有效性。

1. Optimistic Rollup（乐观 Rollup）

Optimistic Rollup 采用乐观假设策略，假设从 Layer2 上执行的交易都是可信的，并批量提交到以太坊上。为了保证安全性，设置了一个挑战期（通常为一周左右），在此期间任何人都可以发起欺诈证明（Fraud Proof）来验证交易的真实性。若挑战成功，原有交易被拒绝，并惩罚 Layer2 的排序器。

主要项目：

• Arbitrum：由 Offchain Labs 开发，目前是 TVL 最高的 Layer2 项目
• Optimism：采用 OP Stack 技术栈，支持一键发链
• Base：由 Coinbase 基于 OP Stack 构建，面向大众市场

Optimistic Rollup 的优势是可以实现 EVM 等效，现有的以太坊智能合约大部分不用做任何修改就可以直接部署。缺点是资金提现需要等待挑战期结束。

2. ZK Rollup（零知识证明 Rollup）

ZK Rollup 通过生成零知识证明（Zero-Knowledge Proof）来证明所有交易的有效性。每次向以太坊提交交易批次时，都会附带一个有效性证明（Validity Proof），以太坊验证这个证明后即可确认交易的正确性。

技术优势：

• 无需挑战期，资金提现更快（通常几小时）
• 更高的数据压缩率，成本更低
• 更强的安全性保证

技术挑战：

• 为通用计算生成零知识证明难度大，开发复杂度高
• 证明生成需要较高的计算资源

主要项目：

• ZKSync Era：由 Matter Labs 开发，2023 年 3 月上线主网，支持 Solidity 开发
• Polygon zkEVM：2023 年 3 月上线主网，实现了与以太坊 EVM 的高度等效性
• Scroll：2023 年 10 月上线主网，专注于 EVM 等效的 zkEVM
• StarkNet：使用 Cairo 语言，采用 STARK 证明系统，虽不兼容 EVM 但性能更高

技术特性对比：

Rollup 生态发展现状

经过几年的发展，Rollup 生态已经取得了显著成果。Layer2 上的交易量已经赶超以太坊主网，越来越多的应用选择在 Layer2 上部署。

上图是以太坊与 Arbitrum、Optimism 交易量的对比，可以看出 Layer2 已经成为以太坊生态不可或缺的重要组成部分。ZK Rollup 项目的成功上线也标志着零知识证明技术已经从理论走向成熟应用阶段。

以太坊 Rollup 为中心路线图

2020年10月，Vitalik 提出了以太坊以 Rollup 为中心的扩容路线图，这标志着以太坊扩容策略的重大转变（放弃分片方案）。这个路线图的核心思想是：以太坊主网专注于提供安全性和数据可用性，而将交易执行和计算主要交给 Layer2 Rollup 来完成。

相比分片需要对以太坊进行更深层的架构改造，Rollup 方案可以在现有技术框架下实现扩容，同时又可继承以太坊主网的安全性。

Rollup 扩容方案的发展历程

第一阶段（2020-2021）：概念验证与早期部署

• 2020年下半年，Optimistic Rollup 率先推出测试网
• 2021年，Arbitrum 和 Optimism 先后上线主网，开始承载实际应用

第二阶段（2022-2023）：生态爆发与技术成熟

• Layer2 上的 TVL（总锁仓量）快速增长，交易量超过以太坊主网
• ZK Rollup 项目陆续上线主网，ZKSync Era、Polygon zkEVM、Scroll 等实现了 EVM 兼容
• 出现了 Base（Coinbase）、UniChain、Lighter 等新一代 Rollup 链

第三阶段（2024-）：数据可用性优化

• EIP-4844（Proto-Danksharding）的实施，引入了 Blob 数据存储，大幅降低了 Rollup 的数据发布成本
• Rollup 交易费用进一步下降，使得更多应用场景成为可能

不过目前，多数 Rollup 仍处于中心化运营阶段，排序器（Sequencer）主要由项目方控制，同时多个 Rollup 之间的流动性割裂问题也日益凸显。未来 Rollup 的发展方向主要包括：

1. 完全去中心化：逐步实现排序器、证明者和治理机制的去中心化，提升网络的抗审查性和安全性
2. 跨 Rollup 互操作性：建立标准化的跨 Rollup 通信协议，实现不同 Rollup 之间无缝的资产和数据转移，解决流动性割裂问题
3. ZK 技术的普及：随着 ZK 证明生成效率的提升和成本的降低，ZK Rollup 有望成为主流扩容方案

侧链及其他方案

另一个和 Layer2 类似的二层扩容方案是侧链， 侧链和以太坊L2解决方案的主要区别是，Layer2继承以太坊主网络的安全性，而侧链依赖于自己的安全性。一个流行的侧链是Polygon ，他使用自己的PoS共识，有自己的验证者。但是 Polygon 会定期把交易的状态提交到以太坊。

在出现Rollup之前，状态通道、Plasma 等技术也是广泛讨论的扩容解决方案，但由于通用性不够、安全性不足等问题，被 Rollup 方案取代。

下图是以太坊链下扩容技术方案图。

Layer 3

Layer3（第 3 层）目前行业还没有一致认可的定义，Vitalik 在他的文章 什么样的 Layer3 有意义 里提出了对 Layer3 的 3 个愿景：

1. L2 用于扩容，L3 用于自定义功能，例如隐私。
2. L2 用于通用扩容，L3 用于自定义扩容，
3. L2 用于无信任扩展（rollups），L3 用于弱信任扩展（validiums）。

还有一些人，将 Layer2 上的应用层，称为第 3 层，例如 Uniswap 、AAVE 、MarkerDAO 等。

总结

区块链扩容是一个复杂但至关重要的问题。通过本篇的学习，我们了解了主流的扩容方案：

扩容方案对比：

关键要点：

1. 不可能三角依然存在：去中心化、安全性、可扩展性三者难以兼得，所有扩容方案都是在做权衡
2. 分层是主流方向：Layer1 保证安全性，Layer2 提升性能，这已成为行业共识
3. 技术仍在快速发展：从 Optimistic Rollup 到 ZK Rollup，从单一 Rollup 到跨 Rollup 互操作，扩容技术还在不断演进

对于区块链的未来，扩容不是目的，而是手段。真正的目标是在保持去中心化和安全性的前提下，让更多人能够以更低的成本使用区块链技术。随着 Layer2 生态的成熟和新技术的突破，这个目标正在逐步实现。