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全景式解读区块链的扩容格局

金色-Unitimes2021-12-02 14:43:58

截至 2021 年底，以太坊已经发展到支持 DeFi、NFTs、游戏等领域的数千个应用。整个以太坊网络每年处理价值数万亿美元的事务，当前有价值超过 1700 亿美元的资产被锁定在该平台上。

但以太坊的 去中心化设计 将其可以处理的交易量限制在每秒 15 笔。由于以太坊的受欢迎程度远远超过这个吞吐量，这带来的结果是 漫长的等待以及每笔交易的费用高达 200 美元 。最终，这使许多用户望而却步，并限制了以太坊网络目前能够处理的应用程序类型。

如果基于智能合约的区块链想要成长为能够支撑数十亿用户使用其金融和 Web 3 应用程序，就需要 可扩展性解决方案 。值得庆幸的是，“装甲部队”已经开始到来，最近有许多被提议的解决方案已经上线。

竞争还是互补？

可扩展性解决方案的目标是增加可公开访问的智能合约平台能够处理的交易量， 同时保持足够的去中心化 。需要记住的是，通过由单一实体管理的 中心化解决方案 来扩展智能合约平台是轻而易举的 (Visa 每秒可以处理 45,000 笔交易)，但这又让我们回到了原点：一个由一小撮强大的 中心化参与者 掌控的世界。

解决这一问题的方法有两种：(1) 构建与以太坊竞争的全新网络，使其能够处理更多的活动 ；或者 (2) 构建与以太坊互补的网络，使其能够处理以太坊的过剩容量 。大体来说，它们可以分为以下几个类别：

L1 (第一层) 区块链网络 (与以太坊相竞争)
侧链 (稍微与以太坊互补)
L2 (第二层) 网络 (与以太坊互补)

虽然它们在架构和方法上各不相同，但目标是相同的： 让用户在无需支付高昂费用或经历长时间等待的情况下实际使用这些网络 (比如与 DeFi、NFTs 等进行交互)。下图划分了当前的智能合约可扩展性格局：

下面我们分别来阐述一下这些方案：

L1 区块链网络

以太坊是一条 L1 区块链，也即一个同时 执行交易 和 保护资金安全 的独立网络。想要使用 Uniswap 等 DeFi 应用来将 100 USDC 兑换为 DAI？以太坊是所有这一切发生的场所。

其他竞争性的 L1 网络能做以太坊所做的一切事情，区别在于这些全新的 L1 网络系统的设计能够实现更高的吞吐量，从而降低了交易费用，但它们通常都是 以增加网络的中心化为代价 。

在过去 10 个月里，一些新的 L1 网络陆续上线，在此期间这些网络上的 TVL (锁仓总价值) 从 0 美元飙升至合计 750 亿美元 左右，目前主要由 Solana 、 Avalanche 、 Terra 和 币安智能链 (BSC) 引领，且它们都拥有不断增长的生态系统，TVL 均超过 100 亿美元 。如下图所示：

上图：2021年以来，除以太坊之外的其他主要 L1 网络的 TVL 增长情况。

所有 L1 网络都在相互竞争以吸引开发者和用户 。但在没有任何以太坊的工具和基础设施 (这些工具和基础设施使构建和使用应用变得容易) 的情况下，实现这一目标是很困难的。为了填补这一缺口，许多 L1 区块链网络采用了 兼容 EVM (以太坊虚拟机) 的策略。

EVM 即以太坊虚拟机，它本质上是执行计算以完成交易的「大脑」。这些以太坊之外的 L1 网络通过使自己兼容于 EVM， 这样以太坊上的开发者就可以很轻松地将他们现有的以太坊应用部署到这些新的 L1 网络中 ，实际上只需要复制粘贴代码即可。 用户也可以轻松地使用现有的钱包应用来访问这些兼容于 EVM 的 L1 网络，从而对用户而言，网络迁移变得简单 。

以 BSC 为例。通过发布一个兼容于 EVM 的网络，并调整共识机制以实现更高的吞吐量和更加便宜的网络成本，BSC 在去年夏季见证了许多 DeFi 应用的使用量激增，这些应用与现有的受欢迎的以太坊应用 (比如 Uniswap、Curve 等) 相类似。与此同时， Avalanche 、 Fantom 、 Tron 和 Celo 等网络也采取了同样的方式。

不同的是，目前 Terra 和 Solana 不支持 EVM 兼容性。

上图左边为兼容 EVM 的 L1 网络的 TVL；右边为不兼容 EVM 的 L1 网络的 TVL。数据截至10月26日。

专注于互操作性的区块链网络

另一类稍有不同的 L1 网络是像 Cosmos 和 Polkadot 这样专注于 互操作性 的区块链生态系统。这些项目不是构建新的独立区块链，而是 构建让开发者创建 应用专用型区块链 的标准，从而使得这些区块链能够彼此通信 。例如，这种系统可以允许某个专注于游戏的区块链网络上的代币在另一个专注于社交的区块链网络上的应用中使用。

目前，使用 Cosmos 标准来搭建的区块链网络中共计保护着价值超过 1000 亿美元的资产，这些区块链网络最终可以互操作。与此同时，Polkadot 最近也迎来了一个里程碑 (注：Polkadot 最近开始了其平行链插槽拍卖)，也将以类似的方式统一其区块链生态系统。

简言之，以太坊现在有多样化的直接竞争对手，而且还会有更多竞争对手。

侧链

诚然，侧链与上述新的 L1 区块链之间的区别是模糊的。侧链与其他兼容于 EVM 的 L1 区块链非常相似，除了 侧链的目的是处理以太坊的过剩容量，而不是作为一个整体与以太坊相竞争 。侧链的生态系统与以太坊社区紧密相连，以互补的方式托管以太坊应用。

比如，当前热门的「边玩边赚」游戏 Axie Infinity 使用的侧链 Ronin 就是一个典型例子。Axie Infinity 是一款最初在以太坊上构建的 NFT 游戏，但由于以太坊的高费用使得玩这款游戏变得非常昂贵，因此该游戏背后的开发团队创建了以太坊侧链 Ronin，从而允许玩家将他们的 NFTs 和代币从以太坊转移至一个低费用的环境。这使得更多用户能够负担得起玩这款游戏，并推动了该游戏的大受欢迎。自 2021 年 2 月 Axie Infinity 迁移至 Ronin 侧链以来，该游戏的日活用户呈现快速增长，如下图所示：

上图：Axie Infinity 迁移至 Ronin 侧链以来的日活用户呈现快速增长。

截至撰文时，用户已经从以太坊转移了超过 75 亿美元到 Ronin 上来玩 Axey Infinity。

Polygon PoS

像 Ronin 这样的侧链是应用专用型的，而像 Polygon PoS 等其他侧链则适用于更通用的应用。当前，Polygon PoS 侧链是行业领导者，撰文时该网络上的 TVL 超过了 50 亿美元 ，部署了 超过 100 个 DeFi 和游戏类应用 ，包括人们熟知的 Aave 和 Sushiswap，以及 Uniswap 的克隆版本 Quickswap。

同样，Polygon PoS 看起来与其他兼容于 EVM 的 L1 区块链没有什么不同，但它是作为扩展以太坊的框架的一部分，而不是与以太坊竞争。Polygon 团队表示，在未来，以太坊网络仍然是主要用于高价值交易和价值存储的区块链，而日常交易将转移至 Polygon 的低成本区块链上。(Polygon PoS 还通过一个称为「检查点」(checkpointing) 的过程与以太坊保持着一种特殊的关系。)

由于交易费用不到一便士，Polygon 的未来愿景似乎是可行的。在激励计划的帮助下，用户纷纷涌向 Polygon PoS，该网络日均交易量超过了以太坊 (尽管垃圾邮件交易夸大了这个数字)，如下图所示：

上图：2021年1月以来，Polygon PoS 网络中的日交易量 ( 绿线 ) 对比以太坊网络的日交易量 ( 蓝线 )

L2 网络 (Rollups)

L1 区块链和侧链都存在一个明显的挑战： 确保区块链网络的安全 。为此，他们必须向一批新的矿工或 PoS 验证者支付费用，从而使他们验证和确保交易安全，通常这是以网络原生代币的通胀来实现 (比如 Polygon 的 MATIC 和 Avalanche 的 AVAX 等)。然而，这也带来了明显的缺点：

拥有一种原生代币自然会使你的生态系统更有竞争力，而不是与以太坊互补；
验证和保护交易是一项复杂和具有挑战性的任务，你的网络将无限期地负责这项任务。

但如果我们可以 在继承以太坊的安全性的基础上来创建可扩展的生态系统 ，这不是更好吗？这就是我们接下来要讲述的 L2 网络 ，具体来说就是 Rollups 网络 。简而言之，L2 网络是位于以太坊之上的独立生态系统，其安全性依赖于以太坊。

关键的是，这意味着 L2 不需要有本地代币—— 所以它们不仅对以太坊更有互补性，它们本质上是以太坊的一部分 。以太坊的路线图甚至表示 以太坊2.0将以“Rollup 为中心” ，以此表达对这一理念的重视。

Rollups 如何运作？

L2 网络通常被称为 Rollups，因为它们会将交易“卷起来”以捆绑的方式在一个新的 (链下) 环境中执行，然后将更新的交易数据发送回以太坊 (链上)。与其让以太坊网络单独处理 1000 笔来自 Uniswap 的交易 (这很昂贵！)，Rollups 会将交易分批次地在链下完成计算，之后再将计算结果提交至以太坊上 (这更便宜！)。

那么，当计算结果被发布到以太坊上时，以太坊要如何知道这些数据是正确和有效的呢？以太坊如何阻止人们发布不正确的信息？这些问题正是区分两种不同类型的 Rollups 的关键： Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 。

Optimistic Rollups

当向以太坊提交计算结果时，Optimistic Rollups 会 “乐观地” 假设它们是有效的。换句话说，Optimistic Rollups 网络会让其运营者发布他们想要发布的任何数据 (包括潜在的不正确/欺诈性数据)，并假设这些数据是正确的！

但是 Optimistic Rollups 也有方法来对抗欺诈。作为一种制衡，任何向以太坊主网发起的提款都有一个时间窗口 (约7天) 等待期，任何人都可以在此期间检查是否有欺诈行为 (请记住，区块链是透明的，任何人都可以查看正在发生的事情)。如果其中一个观察者可以通过数学方法证明发生了欺诈行为 (也即通过提交 欺诈证明 (fraud proof) )，那么 Optimistic Rollups 将恢复 (撤销) 任何欺诈性交易，并惩罚恶意参与者和奖励该观察者 (这是一个很聪明的激励系统！)

当然其缺点是，当你在 Optimistic Rollups 网络和以太坊网络之间转移资金时，会有一个 短暂的延迟 ，用于查看是否有任何观察者发现任何欺诈行为。在某些情况下， 这可能长达一周时间 ， 但我们预计这些延迟会随着时间的推移而减少 。

关键点在于，Optimistic Rollups 本质上是与以太坊联系在一起的，并且当前已经准备好帮助以太坊扩容。因此，随着许多领先的 DeFi 项目部署/转移到主要的 Optimistic Rollups 网络 (包括 Arbitrum 和 Optimistic Ethereum )，我们已经看到了强劲的初期增长。

Arbitrum & Optimistic Ethereum

Off-chain Labs 的 Arbitrum 网络以及 Optimism 的 Optimistic Ethereum 网络，是当前实现了 Optimistic Rollups 的两个主要项目。值得注意的是，这两个项目都仍处于 早期阶段 ，因此它们背后的团队都仍对各自的网络保持着中心化的控制水平，但都计划随着时间的推移来 实现去中心化 。

据估计，一旦成熟，Optimistic Rollups 可以提供 10 - 100 倍的可扩展性提升。甚至在早期，Arbitrum 和 Optimism 上的 DeFi 应用就已经积累锁仓了数十亿的网络价值。

Optimism 在 DeFi 采用方面更早一些，该网络上部署的 7 个 DeFi 应用 的合计 TVL 超过了 3 亿美元 (见下图)，其中最知名的是 Uniswap、Synthetix 和 1inch。

上图：Optimism 网络的 TVL 增长情况

Arbitrum 则更进一步，在该网络上 60 多个应用 (包括熟悉的 DeFi 协议，如 Curve、Sushiswap 和 Balancer 等) 的 TVL 合计大约为 25 亿美元 。如下图所示：

上图：Arbitrum 网络的 TVL 增长情况。

Arbitrum 也被 Reddit 选为其扩展性解决方案，作为这个社交媒体平台为其 3 亿月活跃用户的社区积分进行代币化的努力。

ZK Rollups

如前所述，Optimistic Rollups 假设交易是有效的，并为他人证明欺诈而留出时间。相比之下，ZK-Rollups 则实际上 向以太坊网络证明交易是有效的 。

除了提交被捆绑交易的计算结果，ZK-Rollups 还向一个以太坊智能合约提交一个「 有效性证明 」(validity proof)。顾名思义，有效性证明让以太坊网络验证这些交易的有效性，从而使得中继者 (relayer) 不可能欺骗系统。 这就消除了像 Optimistic Rollups 那样存在欺诈证明窗口期，因此在以太坊网络和 ZK-Rollups 之间转账实际上是 即时的 。

虽然即时结算且没有窗口等待期听起来很棒，但 ZK-Rollups 并不是没有权衡。首先，生成有效性证明需要大量计算，因此需要高性能的机器来完成；其次，围绕有效性证明的复杂性使得 ZK-Rollups 更难以兼容 EVM，因此限制了可以部署在 ZK-Rollups 上的智能合约类型。正因如此，Optimistic Rollups 要先一步进入市场，并且更有能力解决目前以太坊的可扩展性问题；但从长远来看，ZK-Rollups 可能成为一种更好的技术解决方案。

ZK Rollup 的采用

ZK-Rollup 的格局很深，有多个团队和实现正在进行中或处于生产中。一些知名的参与者包括 Starkware、Matter Labs、Hermez 和 Aztec 等。 当前，ZK-Rollups 主要支持相对简单的应用，比如支付或交易所 (因为目前 ZK-Rollups 能够支持的应用类别有限)。比如，衍生品交易所 dYdX 使用了由 Starkware 团队开发的 ZK-Rollup 方案 StarkEx ，该方案支撑了近 500 万笔的周交易量和 dYdX 超 10 亿美元的 TVL。

上图：dYdX 协议的 TVL 增长趋势。

然而，真正值得称赞的 ZK-Rollups 方案是 完全兼容于 EVM 的 ZK-Rollups ，这将使其能够支持流行的通用应用程序 (比如所有的 DeFi 应用)，并且无需像 Optimistic Rollups 那样存在取款延迟。这方面的主要参与者是 Matter Labs 的 zkSync 2.0 、Starkware 的 StarkNet 、Polygon Hermez 的 zkEVM 和 Polygon Miden ，它们目前都正在致力于主网发布。(与此同时，Aztec 专注于将 ZK (零知识) 证明应用于隐私。)

许多业内人士 (包括以太坊联合创始人 Vitalik Buterin) 都 将 ZK-Rollups 与以太坊2.0的结合作为扩展以太坊的长期解决方案 ，这主要是因为 ZK-Rollups 能够在不牺牲安全性和去中心化的情况下基本上每秒处理数十万笔交易 。即将推出的 完全兼容于 EVM 的 ZK-Rollups 将是以太坊发展过程中需要关注的关键事件之一。

碎片化的世界

从长远来看，如果智能合约平台想要扩展到数十亿用户，上述这些可扩展解决方案是必要的。然而，在短期内，这些解决方案可能会给用户和运营者带来重大挑战。从以太坊导航到这些网络需要使用 跨链桥 ，这对用户来说是复杂的，并带有潜在的风险。例如，一些跨链桥 (比如 Poly Network) 已经成为黑客攻击的目标

更重要的是，多链世界 打破了可组合性，并使流动性碎片化 。比如 Sushiswap 目前在以太坊、BSC、Avalanche、Polygon 和 Arbitrum 上实现；Sushiswap 的流动性曾经集中在一个网络 (即以太坊) 上，而现在分布在五个不同的网络上。

以太坊应用一直受益于 可组合性 ——例如，以太坊上的 Sushiswap 可以与 Aave 或 Compound 等其他以太坊应用组合。随着这些应用扩展到新的网络，在其他 L1、侧链或者 L2 网络上实现的应用不再能够与在另一个网络上实现的应用进行组合，限制其可用性，给用户和开发者带来挑战。