给区块链扩容难吗？从比特币到以太坊

DeFi 业务的增长从 2020 年起飞，TVL 从 $600M 到 $25B，增长了 40 倍。从一个现象就能直观感受：DEX 去年从每日数千笔到达数十万笔规模，Uniswap 的单日交易量甚至一度超过了老牌中心化交易所 Coinbase。

以太坊上的交易量不断攀升，区块容量却开始吃紧，而矿池选择 GasPrice 竞价排序交易使其利益最大化。同时考虑到 DeFi 业务技术上存在抢跑攻击，用户心理上存在 FOMO 等问题，导致最终大家愿意付出更高的价格让交易跑得飞快。高价矿工费，使我们离普惠金融的初衷渐行渐远。

那么以太坊为什么不选择直接提升区块容量，承载更多交易呢？原因很简单，区块链核心限制在于「每一笔交易都要由网络中每一个节点验证处理」，那么当区块大小扩大几倍时，则会让更多小型节点退出，逐渐走向中心化。

给区块链扩容难吗？

早在 2010 年时中本聪就已经探讨过扩容问题，最初中本聪在比特币源码中设定区块容量为 32M，但后来区块交易量一直很小，就把容量设置为了 1M。他自己也认为如果有扩容需求，那么在代码中设定区块高度自动升级区块容量就好了。

但是后来比特币扩容却不是那么顺利，主要分歧在于是采用「隔离见证和闪电网络」，还是「增加区块容量」。前者认为「区块容量增大要求更高带宽和存储，会使节点逐渐走向中心化」，希望借助隔离见证和闪电网络这两项技术完成扩容，不增加区块容量。

注：这也是为什么 Eth2 希望采用 PoS 降低节点门槛，从而让更多人可以成为验证人，使其完成去中心化世界账本的理想。

当然这最后已经不是技术问题了， 而是上升到了意识形态之战，经历香港共识的出尔反尔与不信任，最终走向硬分叉的道路，形成目前 Bitcoin Core 和 Bitcoin Classic 两条扩容路线。

比特币扩容过程就像一场戏剧，我们可以看到诸如 SegWit、Schnorr Signature、Lightning Network 等扩容技术落地实现，但还未有质的改变。

• SegWit：交易数据压缩至 25%；

• Schnorr Signature：单签名数据压缩至 50%；多重签名：多笔交易压缩成单笔交易体积；

• Lightning Network ：缺少点对点小额支付场景，资产规模仅有 1000+ BTC。

后来闪电网络白皮书的作者 Joseph Poon 转战以太坊社区，与 Vitalik 在 2017 年发布 Plasma 白皮书，试图解决 以太坊 的扩容问题。

Plasma 主张将交易的计算和存储搬到 Layer2，然后将多笔交易压缩成一个区块，并将区块的默克尔根提交到 Layer1 Plasma 合约，从而提高吞吐量和降低交易成本。

Layer2 依赖 Layer1 Plasma 合约作为安全信任和仲裁层，如果 Layer2 出现问题/作恶，那么用户可以借助 Layer1 Plasma 合约退出资金。退出资金要等待约 2 周的挑战期，在此期间任何人都可以提交「欺诈性证明」证明退出无效，从而获得奖励。反之，若无问题则等待挑战期结束，顺利退出。

Vitalik 称 Plasma 是 side chains that have a non-custodial property，究其原因主要是用户需要信任 Side Chain 机制，而无法保障自己资金的所有权，但 Plasma 通过交互式欺诈性证明可以让用户随时申请退出资金，即便 Plasma 子链出现问题/作恶。

Plasma 曾是社区的希望，我们可以看到许多 Plasma 变体实现诸如 OmiseGo、Matic、Loom 等，但因为一些缺陷，它并没有获得社区最终的青睐：

• 缺少数据可用性，用户不得不依赖 Plasma 可信任节点数据或不断监控网络是否作恶，无法获得同等于 Layer1 的安全性。

• 提款周期长，依赖长达两周的欺诈性证明挑战期，如果有人作恶，同时挑战期内无人发现并提交作恶 ( 欺诈 ) 证明，那么用户资金存在损失风险。

上面这段话可能有些难以理解，我们来举个数据可用性的例子：

当你去赌场玩德州扑克时，你从柜台 ( Layer1 ) 将美元换取筹码，然后你开始随便找了一张桌子玩了几个小时德州 ( Layer2 交易) ，当你赢到盆满钵满的时候，你准备起身到柜台兑换筹码。此时赌场的坏人给你当头一棒，你失去了记忆 ( 数据不可用 ) ，牌桌上的荷官当作什么事情没有发生过一样，重新开始刚才的牌局，骗走你本应赢到的筹码。

从过去比特币和以太坊扩容情况来看，我们逐渐找到了理想扩容方案应该有的样子

• 保持区块容量大小，避免走向中心化；

• 支持数据可用性，用户可以从 L1 上重建交易状态；

随着 2019 年以太坊硬分叉升级 - Istanbul，我们离理想扩容方案越来越近，此次升级包含两个 Layer2 友好的 EIP 提案

1. EIP - 1108：使 SNARKs 和 STARKs 验证运算更便宜；

2. EIP - 2028：降低 Calldata Gas 消耗量，以便 L2 数据采用 Calldata 形式低成本上链。

Layer2 Rollup 的现状

什么是 Rollup？

Rollup 有不少中文译名，其中一个打趣的翻译是「春卷」，你可以想象将食物卷起来一口吃下去的感觉。实际上，Rollup 就是将交易数据压缩放到 Layer1 上，从而实现同样的区块容量可以塞下更多交易，将 30 TPS 扩容到 3000 TPS 级别，再搭配上 Eth2 Sharding 扩容，效果可以媲美当下 Visa 的水准。

如何压缩数据？

压缩是 Rollup 的精华，巧妙的压缩技巧可以塞下更多的交易，同时压缩数据上链可以提供「数据可用性」，保障用户资产安全。

一笔简单的以太坊交易 ( 比如发送 ETH ) 通常消耗约 110 字节。然而，在 Rollup 上发送 ETH 仅消耗约 12 字节。我们以收款地址和交易签名举例：

• To：使用「索引」来代替 20 字节的地址 ( 例如：一个地址是「状态树」中的第 4,527 个地址，我们就可以用索引 4,527 来表示它 ) ；

• Signature：利用零知识证明的特性，将数千笔交易签名转化为零知识证明，通过检查证明的有效性，从而证实数千笔交易有效。

Rollup 方案对比

Rollup 方案主要分为两种 ：ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。前者采用有效性证明，后者采用欺诈性证明，这两种证明方式背后的理念是不同的：

• 有效性证明：采用数学的方式保障资金安全、用户体验流畅和隐私，但短期内无法支持通用的 EVM 计算；

• 欺诈性证明：支持通用 EVM 计算 ( 方便以太坊项目迁移 ) ，但短期内无法采取零知识证明，所以折衷选择欺诈性证明，保障资金安全。

最后，本文为了讲述 Layer2 发展历程提及了一些过往不同的扩容方案，但这并不意味这些方案的思路是失败的。这其中除了技术问题，商业可行性也是值得深思的，正如 Vitalik 对这两种 Rollup 方案的评价：

短期内，Optimitic Rollup 很可能在通用的 EVM 计算中胜出，而 ZK Rollup 则可能在简单的支付、交易和其他特定应用场景中胜出。但从中长期来看，随着 ZK-SNARK 技术的改进，ZK Rollup 最终将在所有场景中胜出。