以太坊開發(fā)人員很久之前就明白網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容是一個(gè)值得討論和投入的話題。但是這個(gè)問題直到2017年下半年才被開發(fā)社區(qū)注意到，那時(shí)候有個(gè)去中心化應(yīng)用叫做虛擬貓占據(jù)了太多流量，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的速度都被降低了。除了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，需要用來在以太坊區(qū)塊鏈上運(yùn)行智能合約所需的燃料費(fèi)用激增，因?yàn)橛脩舾偁幹胱屪约旱慕灰咨А?/p>

雖然這個(gè)故事有些過度報(bào)導(dǎo)，但是虛擬貓的情況揭示了現(xiàn)階段的以太坊也許還沒有為成功運(yùn)dApp提供所需流量做好準(zhǔn)備。較慢的速度和昂貴的使用成本使得用戶開始離開這個(gè)平臺(tái)和應(yīng)用。DApp開發(fā)人員正在全力釋放首個(gè)廣泛應(yīng)用的app，所以開發(fā)人員必須繼續(xù)攻克區(qū)塊鏈擴(kuò)容問題。

“三元悖論”

區(qū)塊鏈技術(shù)的其中一個(gè)理論是網(wǎng)絡(luò)可以支持以下的兩個(gè)：安全，去中心化和擴(kuò)容性。這個(gè)“三元悖論”，已經(jīng)成為了以太坊開發(fā)人員的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兿胍跒榱烁鼜V泛應(yīng)用和實(shí)施的同時(shí)，也能維持區(qū)塊鏈的核心特征（去中心化和安全）。有些擴(kuò)容解決方案會(huì)嚴(yán)重影響安全或者去中心化：

1. 使用替代幣是解決擴(kuò)容問題的理論解決方案。這個(gè)方案是將轉(zhuǎn)賬計(jì)算放在鏈下進(jìn)行，而且接受多個(gè)替代幣同時(shí)存在的模型，這些都會(huì)在獨(dú)立的區(qū)塊鏈上運(yùn)行。每個(gè)區(qū)塊鏈減少的流量，可以讓整個(gè)區(qū)塊鏈進(jìn)行擴(kuò)容。但是，隨著每個(gè)區(qū)塊鏈有更少的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)塊鏈就會(huì)更容易被攻擊以及產(chǎn)生欺詐用戶。因此，使用替代幣維持了去中心化和提高了擴(kuò)容性，但是也很大地影響了安全。

2. 增加區(qū)塊大小是另一個(gè)解決擴(kuò)容問題的理論方案。如果以太坊社區(qū)投票增加每個(gè)區(qū)塊的大小，所有節(jié)點(diǎn)也仍然可以運(yùn)行各種操作，但是在同樣的時(shí)間里，可能會(huì)發(fā)生更多的轉(zhuǎn)賬。但是，隨著更大的區(qū)塊大小，每個(gè)轉(zhuǎn)賬需要更多的能源，那么越來越少的節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)這部分能源。結(jié)果就是未來網(wǎng)絡(luò)會(huì)被一些擁有大量驗(yàn)證每個(gè)區(qū)塊的處理能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)掌控。因此，增加區(qū)塊大小保證了安全和擴(kuò)容，但是顯著降低了網(wǎng)絡(luò)的去中心化。

區(qū)塊鏈發(fā)展最初的問題是安全和去中心化。因此，對(duì)于擴(kuò)容最重要的阻礙是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要處理每比交易。因?yàn)榻^對(duì)地安全和去中心化，系統(tǒng)對(duì)于擴(kuò)容不會(huì)有太多的增值性。因此問題來了，我們的以太坊工程師如何能夠在不影響安全和去中心化的前提下進(jìn)行擴(kuò)容。

現(xiàn)在有4種正在開發(fā)的協(xié)議，可以解決擴(kuò)容的問題。分片，Plasma和雷電都是為了幫助以太坊擴(kuò)容。第四種協(xié)議，Casper，在內(nèi)容上更廣泛，但是也會(huì)有擴(kuò)容的效果。

分片

分片這種擴(kuò)容方案還是將交易放在原來的區(qū)塊鏈上，因此被稱為“鏈上”方案。分片解決了在以太坊網(wǎng)絡(luò)上交易都是線性的，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都需要處理交易。分片可以讓節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行，因此提高了整體區(qū)塊鏈可以處理的每秒交易。有了分片，以太坊網(wǎng)絡(luò)可以分成很多組節(jié)點(diǎn)。每組都是一個(gè)分片，并且每個(gè)分片都會(huì)處理組內(nèi)的交易。這就可以讓分片同時(shí)地處理不同的交易。

每個(gè)分片內(nèi)部，某些節(jié)點(diǎn)會(huì)定期創(chuàng)建“collation”，或者是一系列關(guān)于分片的信息。每個(gè)collation都會(huì)包括以下信息：

1. 每個(gè)分片collation來自何處

2. 在交易完成之前分片狀態(tài)的信息

3. 在交易完成之后分片狀態(tài)的信息

4. 來自2/3 collator的數(shù)字簽名驗(yàn)證collation中的信息

在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)分片中的collation都會(huì)存到單個(gè)區(qū)塊，并且加到以太坊區(qū)塊鏈上。因此分片技術(shù)可以讓這些群體節(jié)點(diǎn)去處理和驗(yàn)證交易，但是只有collation中的信息會(huì)加到區(qū)塊鏈上。假設(shè)有10個(gè)片區(qū)，每個(gè)片區(qū)處理5筆交易，那么下個(gè)區(qū)塊就可以在區(qū)塊鏈上包含50個(gè)區(qū)塊的交易信息，而不是節(jié)點(diǎn)都需要按順序地去處理所有交易。

但是分片技術(shù)會(huì)有2個(gè)問題。首先，每個(gè)片區(qū)都必須要有足夠多的節(jié)點(diǎn)來確保網(wǎng)絡(luò)的安全。如果一個(gè)片區(qū)有太少的節(jié)點(diǎn)，2/3的collator可能會(huì)被妥協(xié)，從而開始進(jìn)行欺詐。其次，要處理在2個(gè)片區(qū)之間的交易會(huì)比1個(gè)片區(qū)要難很多（如果是一個(gè)片區(qū)，就不會(huì)有問題，因?yàn)榫褪钦麄€(gè)區(qū)塊鏈）。目前的方法需要冗長的收據(jù)和證明。

Plasma

Plasma是另一種在 “鏈下” 處理交易的解決方案，也就是說，交易并不是在以太坊主網(wǎng)上進(jìn)行。Plasma可以讓很多區(qū)塊鏈（子鏈）從原來的區(qū)塊鏈上分離出來（根鏈）。因此，每個(gè)子鏈都能處理和維護(hù)它自己的轉(zhuǎn)賬記錄，當(dāng)然這是基于根鏈的底層安全性。通過Plasma，根鏈?zhǔn)撬凶渔湴l(fā)生計(jì)算的推動(dòng)。但是根鏈只需要在子鏈中有爭議的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行計(jì)算。這種方案可以使得所有子鏈來分配區(qū)塊鏈上的所有轉(zhuǎn)賬信息，從而可以最優(yōu)化速度和效率。如果子鏈上的節(jié)點(diǎn)愿意，他們可以提交轉(zhuǎn)賬信息，并且輸出他們的轉(zhuǎn)賬記錄到根鏈。

這個(gè)方法有一個(gè)非常大的好處。每個(gè)Plasma鏈都能有自己的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著不同的子鏈可以支持有不同需求的交易（例如，私有鏈），并且所有的交易都處在同樣，安全的生態(tài)系統(tǒng)中。

雷電網(wǎng)絡(luò)

雷電網(wǎng)絡(luò)是另一種鏈下擴(kuò)容解決方案，可以讓節(jié)點(diǎn)在不用根鏈驗(yàn)證每筆交易的前提下，去維護(hù)轉(zhuǎn)賬記錄。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以開通一個(gè)“狀態(tài)通道”，這是在用戶間的雙向通道。交易信息會(huì)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，同時(shí)會(huì)由各方簽名來保證不可篡改性。雷電網(wǎng)絡(luò)是專門為經(jīng)常性支付使用的，也就是說，知道自己將要給某個(gè)公司每周支付10美金來獲得服務(wù)，或是你會(huì)在某個(gè)地方經(jīng)常性消費(fèi)的。將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的交易記錄并且驗(yàn)證，而不是通過整個(gè)區(qū)塊，根鏈可以釋放出大量的流量。任何時(shí)候，狀態(tài)通道的參與者可以選擇關(guān)閉交易，并且所有交易的結(jié)果都會(huì)記錄在根連上，并包含在下個(gè)區(qū)塊。這意味著在你使用了每周10美元的服務(wù)1年后，用戶會(huì)有驗(yàn)證520美元交易的區(qū)塊，而不是52比10美元的交易。

雷電網(wǎng)絡(luò)解決方案有一個(gè)問題，也有一個(gè)好處。問題在于節(jié)點(diǎn)只可以和他們的“鄰居”交流，也就是說如果節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B打開狀態(tài)通道，并且節(jié)點(diǎn)B和C的狀態(tài)通道打開，A就不能直接發(fā)送資金給C。但是，這樣通過通道來進(jìn)行轉(zhuǎn)賬，可以保證資金不會(huì)盜竊和鎖定。A節(jié)點(diǎn)能夠通過B作為中介來發(fā)送資金給C，這樣節(jié)點(diǎn)B就不可能偷取資金。雷電網(wǎng)絡(luò)最主要的好處，就是可以大幅度地降低每筆交易的燃料費(fèi)用。

Casper

Caper是以太坊目前的工作量證明即將轉(zhuǎn)去的權(quán)益證明協(xié)議。通過工作量證明算法，礦工目前必須要提高能源使用來解決加密難題，從而挖出區(qū)塊。如果解決難題，那么他們就可以獲得獎(jiǎng)勵(lì)，但是這個(gè)過程需要大量能源（并且現(xiàn)在需要的越來越多）。這很燒錢并且也非常地對(duì)能源不利，目前每年需要消耗120億美元來維持工作量證明。

在權(quán)益證明中，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)代替礦工，并且他們會(huì)在區(qū)塊鏈上驗(yàn)證區(qū)塊，而不是挖出區(qū)塊。這樣就不會(huì)是在某個(gè)區(qū)塊上進(jìn)行不斷地提高能源消耗，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)在某個(gè)區(qū)塊鏈進(jìn)行權(quán)益抵押。有最多權(quán)益的區(qū)塊就會(huì)被驗(yàn)證，從而加入到區(qū)塊鏈上。最終，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)通過在合約上鎖定資金投注某個(gè)區(qū)塊會(huì)被加到鏈上，直到下一個(gè)區(qū)塊被加入。如果最后的區(qū)塊是正確地，那么他們就會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)。如果他們惡意去想要驗(yàn)證錯(cuò)誤或者帶有賄賂信息的區(qū)塊，那么他們的資金就會(huì)丟失。

從概念上來說，這樣的轉(zhuǎn)變可以保護(hù)區(qū)塊鏈被惡意攻擊。通過工作量證明算法，失敗的區(qū)塊鏈攻擊會(huì)消耗攻擊者的時(shí)間和能源。但是在權(quán)益證明算法中，失敗的攻擊會(huì)直接導(dǎo)致他們損失錢，因?yàn)樗麄儠?huì)立刻失去壓在錯(cuò)誤區(qū)塊上的權(quán)益資金。

Casper最終的實(shí)施會(huì)被分為2個(gè)協(xié)議的迭代：Casper FFG和Casper CBC。

Casper FFG

Casper FFG將會(huì)成為Casper的首個(gè)迭代版本，大概會(huì)在以太坊下個(gè)硬分叉的時(shí)候發(fā)布。在Casper FFG中，區(qū)塊依舊是由工作量證明挖出的。但是，經(jīng)過每50個(gè)區(qū)塊，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)介入測(cè)試權(quán)益證明的機(jī)制。這個(gè)檢查點(diǎn)會(huì)使用權(quán)益證明協(xié)議來評(píng)估最終性。這個(gè)最終性的意思是這次操作已經(jīng)完成并且完全不可篡改。在FFG中，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)把資金作為權(quán)益來完成鏈上前50個(gè)區(qū)塊的驗(yàn)證。

Casper CBC

Casper CBC會(huì)是Casper的第二個(gè)迭代。這個(gè)協(xié)議會(huì)被正式驗(yàn)證，并且證明可以滿足所有給定的屬性。在CBC協(xié)議中，PoS協(xié)議只會(huì)被部分設(shè)定，然后進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整，以滿足其屬性符合要求。最終，和一開始就完全定義好不同，這個(gè)協(xié)議是逐漸推進(jìn)和完善的。這是通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)被稱為“理想對(duì)手”的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)協(xié)議可以提出問題，錯(cuò)誤和協(xié)議未來可能出現(xiàn)的問題。

最終的Casper協(xié)議可能會(huì)通過學(xué)習(xí)FFG和CBC進(jìn)行布署。這個(gè)協(xié)議會(huì)比單純的擴(kuò)容更加寬泛，包括能源和安全性的提高。但是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗更少的能源意味著網(wǎng)絡(luò)會(huì)提高現(xiàn)有擴(kuò)容的難度。盡管Casper并不是為了擴(kuò)容專門設(shè)定的，它也肯定會(huì)為網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)更多流量做出積極影響。

向前看

以上這四個(gè)方案互不排斥，他們可以并且也有可能都會(huì)實(shí)施到某種程度來幫助以太坊逐漸擴(kuò)容。擴(kuò)容問題是2018年以太坊開發(fā)者最關(guān)心的。因?yàn)樵絹碓蕉嗟膁App在被開發(fā)并且啟動(dòng)，我們會(huì)看到擴(kuò)容解決方案的不斷推進(jìn)，從而能讓以太坊發(fā)揮它全部的潛力。