開發者的 Ethereum 擴容方案指南

Ethereum 強調去中心化與安全性，這意味著交易處理速度較慢。這會影響網路吞吐量，並衝擊去中心化應用程式的擴展能力。

已有許多方案被提出來解決 Ethereum 的擴展性問題，各自提供不同的優勢。本指南將介紹 Ethereum 的擴展方案，說明其運作方式以及為何重要。

什麼是擴展性？

**擴展性指的是系統在使用量呈指數增長時，仍能維持功能運作的能力。**在區塊鏈技術的脈絡下，擴展性指的是區塊鏈在不影響功能的情況下，支援更多交易量的能力。

目前 Ethereum 的交易處理能力僅限於每秒 7-15 筆交易（TPS）。相較之下，傳統的集中式資料庫——像是 Oracle Database 和 Microsoft SQL Server——每秒可處理數千筆交易。

來源：Blockchair

Ethereum 設計影響擴展性的兩種方式

Ethereum 的吞吐量低、處理速度慢，是因為它將去中心化與安全性置於擴展性之前（擴展性三難）。

以下是 Ethereum 設計影響擴展性的幾種方式：

1. Ethereum 的共識演算法依序處理交易

Ethereum 使用工作量證明（PoW），這意味著網路上的交易必須經過所有節點的接受與驗證。這有助於促進去中心化，更重要的是，有助於安全性。

缺點是交易的循序執行會影響交易終局性（確認一筆交易所需的時間）。這進一步導致 Ethereum 無法支援高 TPS 速率。

2. Ethereum 將區塊大小限制在 1MB

Ethereum 限制一個被挖出的區塊能容納的資料量（1MB），因為限制區塊大小能讓節點更有效地儲存區塊鏈歷史紀錄，藉此提升去中心化程度。較大的區塊大小會讓一般人難以運行完整節點，損害去中心化。

然而，1MB 的區塊大小限制減少了礦工能塞進一個區塊的交易資料量，進而影響網路吞吐量。較小的區塊大小也會影響 gas 的成本，也就是在 Ethereum Virtual Machine 中執行操作所需的運算資源。

由於礦工的運算能力有限，他們往往被迫優先處理手續費較高的交易。這在 Ethereum 使用者之間形成了某種競價戰，迫使交易手續費大幅飆升。

什麼是 Ethereum 擴展方案？

**Ethereum 擴展方案是專為改善 Ethereum 網路交易執行效率而設計的平台。**像是 layer 2 rollup 和側鏈這類的 Ethereum 擴展方案，是採用不同機制來提升網路吞吐量的協定。

來源：Reddit

Layer 1 與 layer 2 擴展方案的比較

擴展方案大致可分為兩類：「鏈上」與「鏈下」方案，區分依據在於其執行的位置。

Layer 1 擴展方案

Layer 1 擴展涉及對區塊鏈網路本身進行變更，重寫基礎層。「鏈上」這個描述意味著針對 Ethereum 的擴展升級是在區塊鏈本身上執行的。

Layer 1 可透過增加區塊大小來擴展

一個潛在的 Layer 1 擴展改善方式是增加區塊大小。如果 Ethereum 的 1MB 區塊大小提高，礦工就能有更多空間在區塊中容納額外的交易資料。

雖然增加 Ethereum 的區塊大小會提升 TPS 速率，但副作用是會緩慢地朝中心化發展，因為隨著區塊大小增長，區塊鏈的體積也會增加——這使得運行完整節點變得困難（除非你擁有超級電腦）。因此，Ethereum 社群已排除以增加區塊大小作為擴展方案的可能性。

Layer 1 可透過區塊鏈分片實現交易平行處理來擴展

區塊鏈分片是一種擴展性改善方案，它以交易的平行執行取代 Ethereum 預設採用的循序執行模型。在分片機制中，區塊鏈被劃分為較小的鏈（分片），各自驗證與處理不同的交易。

先看看 Ethereum 目前的運作方式：

交易會在整個網路中被廣播，直到獲得驗證為止。分片機制不需要每筆交易都經過所有節點的核准。相反地，每個分片都有負責核准交易的驗證者（稱為 collator）。

每個 collation（分片鏈上交易的集合）必須由三分之二的 collator 簽署。此外，提議的 collation 必須先被加入主鏈才能達成終局性。這些措施共同確保了系統的安全性。

透過分片，Ethereum 能在不犧牲去中心化或安全性的情況下提升 TPS。由於各個分片鏈能同時處理不同的交易，網路整體的處理能力隨之提升。此外，網路參與者仍可透過密碼學證明來驗證分片 collation 的有效性。

來源：Genesis Block

Layer 2 擴展方案

Layer 2（L2）擴展改善方案之所以如此命名，是因為它們是在主鏈（Layer 1）之外執行的。Layer 2 擴展也被稱為「鏈下」方案，涉及在依賴主鏈提供安全性的獨立網路上處理交易。

L2 方案的設計往往著重於交易速度與擴展性——去中心化與安全性在此相對次要。由於它們會將交易資料發佈到 Ethereum 主層，L2 能享有主網的去中心化與安全性優勢。此外，由於 L2 方案建構在 Ethereum 之上，它們不需要自己的原生代幣。

這些鏈下協定能將多筆交易聚合成單一交易，再加入主鏈。這減輕了網路的負擔，並隨著使用量增長而提升應用程式的擴展潛力。

Layer 2 擴展方案的例子包括：

• Rollups
• 狀態通道（State channels）
• Plasma
• Validium

Layer 2 與側鏈的比較

側鏈是一條與 Ethereum 主網互動、但不依賴主網提供安全性的獨立區塊鏈。側鏈透過跨鏈橋接與 Ethereum 連接，藉此實現兩條鏈之間的資產轉移。

側鏈之所以有利於擴展性，是因為它們採用不同的特性設計以實現高吞吐量。舉例來說，Polygon 側鏈使用權益證明（PoS）共識演算法來加快交易速度。

Layer 2 方案與側鏈之間的主要差異在於其安全性保證。L2 網路享有 Ethereum 的安全性保障，而側鏈則沒有。

側鏈由自身的共識機制來保障安全，而 L2 則受益於 Ethereum 的共識機制。這也是為什麼許多人認為 L2 比側鏈更安全的原因。

為什麼 Ethereum 需要擴展方案？

良好的 Ethereum 擴展方案能為 web3 開發者與使用者提供更低的 gas 費用與更快的交易速度，同時維持交易的安全性。

以下是 Ethereum 需要擴展方案的原因：

1. 更低的交易手續費

Ethereum 的 gas 費用問題已成為廣泛批評的話題。擴展方面的改善能減少網路壅塞，並大幅降低交易成本。

較低的 gas 價格意味著更好的使用者體驗，以及更高的應用程式採用率。使用者不必再面對交易失敗，或支付過高的 gas 費用。

2. 更快的交易速度

許多擴展方案的設計目的，就是為了在更短的時間內提升 Ethereum 處理更多交易的能力。

舉例來說，rollup 能將數千筆鏈下交易批次打包成單一鏈上交易。同樣地，分片透過鼓勵交易的平行處理來提升吞吐量。

這些改善的最終結果是每秒交易數（TPS）的提升。雖然各方估計不一，但許多人預期 L2 與分片能將 Ethereum 的 TPS 推升至數千。

3. 更完善的安全性

L2 能在不降低網路安全性的前提下擴展 Ethereum。與鏈上擴展不同，鏈下擴展專案不會影響 Ethereum 的去中心化程度。

儘管這些 L2 是獨立的鏈，但其安全性與 Ethereum 區塊鏈緊密相連。這意味著使用者可以安全地與這些專案互動，享受擴展性帶來的好處，而不必冒著資產風險。

五種最受歡迎的 Ethereum 擴展方案

五種最受歡迎的 Ethereum 擴展方案分別是：rollup、側鏈、狀態通道、plasma 鏈，以及 Validium。

1. Rollups

Rollup 會將多筆在鏈下執行的交易合併或「卷起」為一個批次，再傳送至主鏈。單一個 rollup 可包含數百甚至數千筆經過壓縮的交易，藉此減少主鏈需要處理的交易量。

除了提升擴展性，rollup 還提供與 Ethereum 本身相近程度的安全性，因為 rollup 中的交易是錨定於 L1 鏈上，這確保了交易的終局性。

Rollup 主要分為兩種類型：optimistic rollup 與 zero-knowledge rollup。兩者的差異在於交易的運算方式，以及如何發佈至 Ethereum：

Zero-knowledge rollup（ZK-rollup）在鏈下執行運算，並產生一種稱為簡潔非互動式知識論證（SNARK）或簡潔透明知識論證（STARK）的密碼學證明。這些**「有效性證明」**能向主鏈上的節點保證交易批次的有效性。

Optimistic rollup 預設假定交易有效，不會為每個交易批次產生有效性證明。不過，optimistic rollup 中的交易有效性可以透過詐欺證明來提出質疑。

那麼這兩種 rollup 方案相比之下如何呢？ZK-rollup 由於會產生有效性證明，因此更安全，但也因此比 optimistic rollup 更慢。

ZK-rollup 是複雜的機制，這使得將 EVM 相容性寫入其中變得困難。因此，ZK-rollup 的功能性相較於 optimistic rollup 較為有限。

Polygon 正致力於開發 zero-knowledge EVM（zkEVM），透過其 Hermez 2.0 計畫，將 zero-knowledge rollup 的功能性延伸至 Ethereum 網路。

使用 optimistic rollup 的 Ethereum L2

• Optimism
• Arbitrum
• Boba Network
• Immutable X

使用 ZK rollup 的 Ethereum L2

• zkSYNC
• Loopring
• dYdX
• StarkNet

身為開發者，你可以將 rollup 整合進你的 dApp 中，以改善交易終局性與擴展性。如此一來，你的使用者就不必經歷在 Ethereum 上常見的高 gas 費用、交易失敗，以及緩慢處理速度等問題。

2. 側鏈

側鏈是 layer 2 方案的一種，屬於與 Ethereum 主網並行運作的獨立區塊鏈。這些差異可能包括加密經濟誘因、共識機制等等。

專為 Ethereum 設計的側鏈具備 Ethereum Virtual Machine（EVM）相容性，並可支援智慧合約。這意味著你可以在側鏈上部署專案，並利用其擴展性改善來提升應用程式效能。

跨鏈橋接是連接側鏈與 Ethereum 智慧合約平台所必需的機制。正如其名稱所示，區塊鏈橋接為使用者提供了在主鏈與側鏈之間移動的通道。

要使用橋接，你必須先在起始鏈上鎖定一定數量的資產（此例中為 ETH）。之後，等量的資產會在側鏈上被產生，並存入你的錢包。

接著你便可以在側鏈上自由進行交易，享受其優越的交易處理能力。如先前所述，側鏈是專為提供擴展性而設計，並採用不同的機制來達成這個目標。

Ethereum 側鏈範例：

• Polygon
• xDAI
• SKALE

其他替代性的 Layer 1（L1）區塊鏈也能作為 Ethereum 側鏈使用，尤其是與 EVM 相容的區塊鏈。這些替代性 L1 通常提供較低的 gas 費用、更佳的交易終局性，在某些情況下還具備更豐富的功能。

EVM 相容 L1 範例：

• Avalanche
• Fantom
• Binance Smart Chain

3. 狀態通道

狀態通道是一種鏈下擴展方案，允許雙方進行交易，而不需要主鏈驗證每一筆交易。狀態通道本質上是一種多重簽章智慧合約，只有在所需各方都核准的情況下才會執行。

狀態通道的運作方式

1. Alice 想與每天早上賣咖啡給她的 Bob 開設一個狀態通道。假設她在通道中存入了 0.4 ETH，這筆交易會被發佈到主網上。

2. 完成這筆開通交易後，Alice 與 Bob 就可以在鏈下執行任意次數的交易。唯一的條件是雙方都必須簽署交易，也就是說每次購買咖啡，Alice 與 Bob 都必須核准這筆付款。

3. 如果 Alice 用完了她的存款，她可以在主鏈上發佈一筆退出交易。這筆交易會反映通道的最後已知狀態，並被記錄下來以達成終局性。即使 Alice 與 Bob 可能已經交易了十幾次，Ethereum 網路也只會記錄兩筆交易——進入交易與退出交易。

狀態通道讓雙方能夠進行安全的鏈下交易，而不必經歷漫長的等待時間與高額的交易手續費。這也提升了擴展性，因為礦工需要處理的交易數量減少，能更快速地運作。

使用狀態通道的 Ethereum 擴展方案：

• Raiden Network
• Connext Network
• Celer Network

4. Plasma 鏈

Plasma 白皮書提出了「子鏈」的概念，這些子鏈源自於主要區塊鏈，也就是「根鏈」。雖然 Plasma 鏈能夠驗證交易，但它們仍依賴根鏈的安全性。為了證明交易的有效性，子鏈會向根鏈提交密碼學證明。

Plasma 鏈與側鏈類似，都是透過智慧合約與 Ethereum 區塊鏈連接。使用 Plasma 鏈需要先在根鏈上的智慧合約中鎖定 ETH，才能在子鏈上取得代幣。

Plasma 被視為一種 L2 擴展方案，因為它直接從 Ethereum 的基礎層獲取安全性。這也是為什麼它們比側鏈等方案更安全的原因。

Plasma 會為每個區塊在 Ethereum 主鏈上發佈 Merkle root。區塊根是一小段資訊，我們可以用它來驗證交易的相關資訊。如果 Plasma 鏈遭受攻擊，使用者可以安全地退出至主鏈，並使用適當的證明提取自己的資金。

使用 plasma 的 Ethereum 擴展方案

• OMG Plasma
• Gluon Network

5. Validium

Validium 與 ZK-rollup 類似，都是在 Ethereum 主層之外執行運算，但主要差異在於 validium 使用「鏈下資料可用性」，而不是像 ZK-rollup 那樣將壓縮資料發佈到主鏈上。

Validium 將資料儲存在鏈下的資料提供者處，這在某種程度上使其帶有託管性質。不過，部分方案如 StarkWare 使用資料可用性委員會（DAC）來確保資料提供者誠實運作。

Validium 具有非常低的手續費與快速的交易速度（最高可達每秒 10 萬筆交易）。然而，相較於 ZK-rollup 等其他擴展方案，它們涉及更多的信任假設。

使用 validium 的 ETH 擴展方案：

• DiversiFi
• Immutable X

擴展方案有哪些缺點？

Ethereum 擴展方案的兩個缺點是：實作複雜，以及安全性保證可能較低。

1. 複雜性

許多擴展方案在實作上相當複雜，這會影響其功能性。舉例來說，Ethereum 開發團隊已多次延後分片機制的發佈日期，原因在於這項升級所需投入的工作量龐大。

2. 較低的安全性保證

雖然許多 L2 與 L1 擴展方案依賴 Ethereum 提供安全性，但它們終究無法與 Ethereum 本身一樣安全。每種擴展方案都會在某些元素上（如去中心化與安全性）做出取捨，以換取速度。使用者在使用這些平台之前，必須充分了解這些風險。

結論

本指南所介紹的擴展方案，很可能在 Ethereum 邁向擴展性的道路上扮演重要角色。不過，這些方案是否足以保證長期的擴展性，仍有待觀察。

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