区块链扩容：速度、成本优化全攻略
区块链扩容：解决速度与成本难题，迎接更广阔的应用前景
扩容，对于区块链而言，是一个老生常谈却又至关重要的话题。 早年比特币社区因扩容路线分歧，最终导致比特币现金（BCH）的分叉，足以见得其重要性。 以太坊的扩容之路也已持续多年，至今仍在进行中。 那么，扩容究竟是什么？ 为什么区块链需要扩容？
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区块链为何需要扩容？
过去，区块链一直面临着速度慢、费用高的诟病。 比特币链上转账，从一个虚拟账户转移到另一个虚拟账户，通常需要20-30分钟才能确认。 相比国际转账，这个速度已经很快了，但与国内转账或日常支付相比，却慢得令人难以接受。
以太坊的速度稍快一些，在网络不拥堵的情况下，大约5-10分钟可以确认。 但与国内转账或日常支付相比，仍然显得迟缓。
不仅速度慢，交易还需要支付手续费。 手续费的高低取决于当时的链上状况，网络畅通时费用较低，交易活跃甚至拥堵时费用则会飙升。 一般情况下，手续费大约在数十到数百元不等。 相比国际转账，这并不算昂贵，但与国内转账、日常支付相比，仍然显得偏高。
如果区块链想要真正普及到日常生活，就必须实现更快、更便宜的交易。
那么，为什么区块链的速度如此之慢，费用又如此之高呢？ 这与区块链本身能够承载的交易量密切相关。 区块链的基本运作模式是：用户在链上发起交易，矿工或节点会检查和处理这笔交易，其他矿工与节点则会验证这笔交易。 之后，每隔一段时间，会将一批已验证的交易打包成一个区块，并将其添加到区块链上。
处理交易本身的速度很快，但处理完毕后还需要进行验证，验证完成后还要打包区块并上链。 区块本身也存在容量限制。 总体而言，区块链的运作牺牲了一部分速度与效率，以换取去中心化与安全性。 但如果区块链想要普及到日常生活，就必须变得更快更便宜。
区块链的不可能三角
以太坊的创始人Vitalik Buterin 提出了一个著名的“区块链不可能三角”理论，也被称为区块链的三角悖论或三角困境。
该理论指出，目前的区块链网络无法同时满足去中心化、安全性、可扩展性这三个要素。 最多只能同时追求两者，必然会牺牲其中一个。 如果既要安全又要快速，那就必须牺牲一部分的去中心化才能实现。 如果既要保持去中心化又要确保安全，就不得不牺牲部分的可扩展性。
比特币网络经过多年的验证，已经实现了高度的去中心化和安全性。 但比特币的交易速度平均只有每秒5-7笔交易。 而以太坊在扩容之前，也只能做到平均每秒15笔左右。 这个数字被称为TPS（Transactions Per Second），即每秒交易量。 如果要让区块链能够普及到日常生活，需要达到多高的TPS 呢？
生活中常见的刷卡交易，或许能为我们提供一些参考。 VISA 和Master 的数据显示，VISA 的理论TPS 最高可达24000，最低也有1700，这可能是理论值与实际值的差异。 而Master 的TPS 大约是5000。 这些数字都明显高于目前的区块链网络。
区块链扩容，就是要让区块链网络能够更快速地处理更多交易，扩展区块链网络的容量。 我们可以将其想象成增加网络带宽，升级电脑配置，让我们能够更快速地完成更多事情。
扩容有哪些方式？
区块链是虚拟的，区块和链是概念，并不是真的有摸的到实体的一条链子，呈现起来类似下图：
交易打包成区块，跟上一块旧区块相连，也会跟后面的新区块相连，块与块之间透过加密算法验证，一块接着一块就像链子一样所以叫做区块链，交易上链就不可更改，持续运行下去这条链会愈来愈长。
想要扩展区块链网络的容量，让它可以承载更多交易，主要有两种扩容方向：
- 链上扩容：直接在区块链上进行修改，通过调整区块链本身的规则来实现扩容。 例如调整区块大小、调整出块时间、分片等等。
- 链下扩容：不改变区块链本身，从其他方面入手进行扩容。 例如另外新增一条链、点对点之间开启状态通道等等。
链上扩容：提升区块链吞吐量
链上扩容是指直接在区块链上进行修改，通过调整区块链本身的规则来实现扩容。 如果把区块链想象成捷运或火车，区块链扩容就像是要设法提高运量，所谓的链上扩容，就是直接去改列车、改车站。
加大区块大小
加大区块大小，意味着每个区块可以容纳更多的交易。
从示意图上可以看出，下面的这条链似乎可以装载更多的东西。
以比特币为例，比特币的区块容量限制为1 MB。 平均记录一笔交易需要256 bytes 的容量，也就是说平均一个区块可以打包4096 笔交易。
2017 年，由于扩容路线之争，比特币分叉出了比特币现金（BCH）。 比特币现金将区块容量提升到了8 MB，后来又再次提升到32 MB。
需要注意的是，区块大小提高几倍并不意味着交易数量就能提高几倍。 这还取决于不同链上的不同规则。 不同的交易内容可能会有不同的交易大小，更复杂的交易会需要更大的容量。
如果用捷运的比喻，加大区块大小就像是把车厢变大，更大的车厢可以挤进更多乘客，整体运量上升。 但车厢的增大必然会受到原本设计的限制，不可能无止境地加大。
区块大小影响的是一个区块可以打包多少笔交易，但在打包之前，节点仍然必须先处理交易。 如果节点能够处理的交易已经达到上限，继续增大区块大小并不能提高多少交易量。 如果车站在入口闸门处就已经拥堵，即使车厢增大可以容纳更多旅客，但人们根本无法进入车站，运量也不会因此而提升。
增加出块频率
增加出块频率，意味着在相同的时间内可以产生更多的区块。
加速出块，虽然每个区块能够容纳的交易数量不变，但在相同的时间内，区块的数量增加了，整体可以打包的交易也随之增多。
比特币的平均出块时间是10 分钟一个区块。 对应上文提到的每个区块可以容纳4096 笔交易，换算下来就是平均每秒6.82 笔交易。 这是理论值，实际上出块时间略有浮动，而且不一定每个区块都能完整打包4096 笔交易。
以太坊在转换为POS 机制后，目前的出块时间大约是14 秒一个区块。 有些公链的速度更快，可以做到3-6 秒出一个区块。 但需要注意的是，出块时间快并不意味着可承载的交易数量就一定更多。 还需要综合评估区块大小以及交易内容等因素。
如果用捷运来比喻，增加出块频率就像是增加发车班次。 本来两分钟一班车，改成一分钟一班车，运量自然就提升了。
分片
分片的概念相对复杂一些，可以将其理解为分工协作。
Original diagram by Hsiao-wei Wang, design by Quantstamp.
分片并非区块链独有的概念，在传统的数据库处理中就存在这个概念。 简单来说，就是不必每个服务器都储存所有数据，而是将数据切分成几个部分，分散储存在不同的服务器上。
在区块链的运作中，原本是所有矿工与节点都要验证所有交易，这在一定程度上存在重复劳动。 通过分片技术，部分节点验证部分交易，用分工的方式来提升整体效率。
例如，假设原本共有500 个节点。 由于每个节点都要验证所有交易，也许原本的处理上限是每秒500 笔。 现在将这500 个节点分成10 组，每组只要负责验证十分之一的交易。 这样一来，处理上限就提高了10 倍，变成了5000 笔。
但原本交易会被500 个节点验证，现在只会被50 个节点验证，这似乎降低了安全性。 参与的节点变少，51% 攻击变得更容易。 针对这个问题，一种解决方案是每次都通过随机抽样的方式来分配节点。
简单来说，分片就是一种分工协作。 在同样的节点数量之下，增加可以处理的交易数量。 如果用捷运的概念来理解，有点像是增加闸门、增加月台。 列车大小一样、车站大小一样，但增加闸门数、月台数，可以允许更多人进站，也可以同时开出更多的列车，运量自然就提升了。
链上扩容需要直接对区块链进行修改，必然会受到区块链原本设计的限制。 就像在现实世界中，如果要直接修改捷运车厢、车站，一定会面临诸多困难，限制很多，成本也很高。 因此，另一种方法是链下扩容。
链下扩容：也被称为Layer 2 扩容
链下扩容是指不改变区块链本身，从其他方面入手进行扩容。 如果仍然用捷运来比喻，那链下扩容就是不改列车、车站，通过其他方式，例如增加接驳公车、另外开辟新的支线来提升运量。
链下扩容主要有五种方式：侧链、状态通道、Rollups、Plasma、Validium。 由于这部分在技术上比较艰深，本文作为入门科普文章只会简单介绍，建议阅读相关资料以深入了解。
侧链
侧链的概念就像是在原本的捷运之外，再建立一条支线，或是加开接驳公车。 由其他公司来运营，走不同的系统。 与原本的捷运线不能直接共通，需要出站，需要重新购票。
侧链是另外一条链，有自己的节点、共识、安全性。 与主链之间通过某种方式相互合作。
状态通道
状态通道是一种点对点之间的通道，有点类似于在我家和公司之间开了一个传送门。 两地之间传来传去其实并没有通过捷运，但每过一段时间，总结传送次数后，一次性打包进出明细给捷运公司。
在区块链中的运作方式是，例如A 虚拟账户和B 虚拟账户之间开启状态通道。 彼此之间的交易其实都在链下进行，并没有每笔交易都打包上链。 这样就可以避开区块链本身的容量限制。 一段时间后，才会将这段期间的所有明细一次性打包上链，同时关闭通道（可以再次开启）。
Layer 2
Rollups、Plasma、Validium 都属于Layer 2 解决方案，只是各自使用的技术不同。 Layer 2 简单来说就是建立在Layer 1 主链上的第二层链。 目前最多的是以太坊的Layer 2，也就是建立在以太坊之上，承接了以太坊安全性的另外一条区块链。
与侧链的差异在于，侧链有自己的节点、共识、安全性，但Layer 2 不需要。 它是依赖主链而生的一条链。 用捷运的比喻来解释，依然是一条支线，但这次使用与原本捷运相同的系统，彼此高度相关。
Layer 2 简称L2。
概念都类似，在L2 链上处理交易，一段时间之后再将多笔交易合并打包回主链。 因为不用每笔交易都上主链，就可以避开主链本身的交易容量限制。 大部分交易都在L2 上处理，累积多笔交易之后再合并为一笔打包回主链即可。
而根据不同的打包方式、与主链之间的验证方式，又区分为几种类型。 目前最主流的L2 方案为Rollups，其中非常有潜力的方案为ZK-Rollups，采用零知识证明。 难度较高，在过去较为小众，但以太坊创始人Vitalik Buterin 在2023 年的公开演讲中提到，他认为零知识证明在接下来十年非常重要。
扩容后的以太坊可以有多快？
之前的以太坊区块链采用POW 共识机制，当时平均每秒交易次数(TPS) 大约是15 笔。 与VISA 相比确实太慢了。 许多后发的平台公链也都超过了这个数字，例如Solana 的TPS 大约介于2000 - 3000 之间，理论值号称可以达到65000 TPS。
以太坊的扩容方案基本上是链上与链下同时进行。 链上部分更改了共识机制，从POW 调整成POS，出块时间稍稍快了一些，也会持续提升区块容量，并采取分片技术，同时搭配Layer 2 为主的链下扩容方案。
所以扩容后的以太坊到底可以有多快？
2022 年7 月，在以太坊社区会议(ETHCC) 上，以太坊创始人Vitalik Buterin 和以太坊的开发人员介绍了Ethereum 最新的未来路线图(Roadmap)。
以太坊未来的发展会分为五个关键的部分，而这五个部分都是同时进行的，它们分别是：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge。
其中的The Merge 指的是将主网和信标链合并，从POW 共识机制转向POS 的重大合并事件。 这个合并已经在2022 年9 月15 日完成。 从那天起，以太坊的挖矿成为历史，从此转换成POS 机制。
一旦五大路线完成升级，以太坊的主链将可以达到，甚至超越10 万TPS (Transaction Per Second)，同时拥有超过64 个分片，一口气处理大量交易。 对比现在以太坊只有约15 TPS 来说，完成升级后的以太坊将会快近10000 倍。
如果区块链在未来生活中的应用不只是金融支付，那我们就不能只是单单拿VISA、Master 的TPS 来参考。 如果区块链在日常中的应用可以像我们现在使用网络一样自然而然，那区块链的扩容目标显然必须设定的更大。 某大型搜索引擎在现今平均每秒约处理40000 次搜索，这个数字或许可以作为区块链扩容的初步目标。
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