Layer2擴容存誤區 重新定義可擴展性_區塊鏈: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Validity Rollups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。

V神：ZK-EVM是以太坊Layer 1安全和驗證過程的重要組成部分:金色財經報道，以太坊聯合創始人“V神”Vitalik Buterin在其官方博客上發布文章《以太坊的多客戶端理念將如何與ZK-EVM交互？》（How will Ethereum's multi-client philosophy interact with ZK-EVMs?），其中指出ZK-EVM將在未來發展成為以太坊Layer 1安全和驗證過程的重要組成部分，但關鍵在于如何為零知識證明以太坊區塊的正確性創建一個“多客戶端”生態系統。V神建議采取開放的多個ZK-EVM，因為不同的客戶端有不同的ZK-EVM實現，每個客戶端可以在接受一個區塊為有效之前等待與自己兼容的證明。此外，Vitalik Buterin還對人工智能最近的快速發展大加贊揚，他覺得人工智能的進步可以“加速”證明ZK-EVM實現的發展。“從長遠來看，當然任何事情都有可能發生。也許AI會加強形式驗證，使其可以輕松證明ZK-EVM實現等效并識別導致彼此之間差異的所有錯誤。”[2023/4/2 13:40:23]

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

Layer2跨Rollup橋Orbiter Finance新增支持Scroll測試網:11月18日，據官方消息，Layer2 跨 Rollup 橋 Orbiter Finance 新增支持 Scroll 測試網。用戶可通過該跨鏈橋對 Scroll 測試網進行測試體驗。[2022/11/18 13:20:51]

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（硬件、帶寬、存儲）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。

增加吞吐量的不利影響

以太坊 Layer2 總鎖倉量跌至 44.74 億美元:金色財經消息，據 L2Beat 數據顯示，以太坊 Layer2 總鎖倉量跌至 44.74 億美元，創下 2021 年 11 月以來新低。鎖倉量前三名分別為 Arbitrum（24.1 億美元）、dYdX（9540 萬美元）、Optimism（4690 萬美元）。[2022/5/29 3:48:55]

節點數

運行節點的最低要求和節點數：

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

Ethereum2：500GB+ SSD 磁盤空間，25 Mbit/s 連接，4-8GB RAM，CPU 2-4 核。節點數：~6,000

Solana3：1.5TB+ SSD 磁盤空間，300 Mbit/s 連接，128GB RAM CPU 12+ 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。

數據：Layer2 Q1總鎖倉量上漲26.6%，呈逆勢上漲態勢:4月13日消息，據歐科云鏈鏈上大師發布的《2022Q1加密行業報告》顯示，2022 Q1以來，伴隨加密圈外部環境的不確定性增加，加密行業市值總體下降，DeFi的總鎖倉量出現下滑。截至3月31日，DeFi板塊總TVL收于1817.5億美元，較2021 Q4環比下降16.4%。

相比DeFi鎖倉量整體的頹勢，Layer 2在Q1季度呈現出逆勢上漲的態勢。Layer 2總TVL從57.7億美元增長到73.1億美元，漲幅為26.6%。報告認為，此次Layer 2的快速增長，與資本涌入、背后的技術方案調整有著密切的關系。[2022/4/13 14:22:18]

以Jameson Lopp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

區塊鏈開發商LayerX將成立“LayerX Labs”促進區塊鏈采用:區塊鏈開發商LayerX將于8月1日成立“LayerX Labs”。該組織將與行政機關、中央銀行、學術機關和民間企業進行共同研究，進一步擴大社會對區塊鏈的采用。（Coinpost）[2020/7/29]

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。

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。

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Validity proofs（有效性證明）的密碼學創新。它們是 Validity Rollups（有效性匯總）可以可持續擴展一個區塊鏈的原因。

什么是 Validity Rollup？

Validity Rollups（也稱“ZK-Rollup”）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（Prover）。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。

Validity Rollups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（以太坊節點）不需要高端的硬件，批次（把交易集中在一起）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Validity Rollup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Validity Rollup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。Validity Rollups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Validity Rollup上越多的交易，對每個人來說，就越便宜。

dYdX是由Validity Rollup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Validity Rollup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：

從另外一個視角看：Validity Rollups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 Optimistic Rollups不像人們想象中那樣提供可擴展性

理論上，Optimistic Rollups提供和Validity Rollups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：Optimistic Rollups對平均情況進行優化，然而，Validity Rollups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Optimistic Rollup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Validity Rollup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（validity proof），為自己節省了計算負擔。

和Validity Rollups不同，Optimistic Rollups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The Graph、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。Validity Rollup 上的活動越多，它就越便宜。

文/StarkWare 翻譯/Jack Yang

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