Ethereum的发展前景怎么样？以太坊核心技术详解

首页 > 币界资讯 > 区块链知识 2020-07-07 17:24:27

币界网报道：

扩容能力是什么?

简单的来说，可扩展性(scalability)就是对系统增长能力的衡量。就比如，在计算中网络或服务器可以通过不同方法扩容来处理更多的需求。加密货币中的可扩展性指的是区块链可扩展容那更多用户的程度。其中的更多用户意味着区块链将涉及更多的操作和交易竞争。

Ethereum扩容必要性

Ethereum的拥护者认为互联网的下一次迭代将会在该平台上建立。而那时的Web3.0将带来一种分布式拓补结构，不再需要中间商、会更注重隐私性，并最终转向数据的自我拥有。而这些基础属性将通过分布式存储/通讯协议和智能合约式的分布式计算来构建。

而为了实现之这一目标，Ethereum需要在不损害去中心化的前提下，大规模提升网络处理交易的能力。目前，Ethereum并未像Bitcoin那样通过限制区块大小来限制交易量。而只是向区块中纳入了gas limit(单一区块中可容纳最大gas量)。

比方说一个区块的gas limit为100,000gwei，则当向该区块中提交10笔gas limit为10,000，又或者是2笔gas limit为50,000的交易时，任何其他的交易都需要等待下一个区块。

对于每个人都在使用的系统来说，这并不理想。而且当未决交易数量超过区块可用空间，就会很快出现积压。同时gas price价格也将上涨，此时人们就不得不支付更高价格来使自己的交易被优先处理。也就说繁忙的网络会使得特定用例中的操作变得非常昂贵。

当初风靡一时的CryptoKitties游戏则是Ethereum网络局限性很好的示例。2017年，基于Ethereum的游戏CryptoKitties吸引了大量用户在网络中进行交易来进行虚拟猫(代表不可替换代币)的繁殖。而迅速的普及也使得待处理交易火箭式上升，最后导致了网络的极度拥堵。

Blockchain可扩展性三角困局

从表面上来看只要提高区块的gas limit就可以缓解所有可扩展性问题。也就是上限越高，网络在固定时间范围内就可处理更多的交易，对吧?

遗憾的是，除非牺牲Ethereum的某些关键特性否则这是不可行。Vitalik Buterin提出了Blockchain Trilemma(区块链不可能三角—如下图)来解释区块链必须达到的微妙平衡。

区块链三角困局：扩容(1)、安全(2)和去中心(3)。

上述三个特性中只能取其二。例如Ethereum和Bitcoin等区块链都将安全性和去中心化放在了首位。它们的共识算法确保了网络的安全性，但其中的网络是由成千上万的节点组成，所以降低了网络的可扩展性。由于接收和验证交易都是由众多节点来完成的，所以相比于中央式方案要慢的多。

另一种情形则是移除区块的gas limit，这样的网络则同时具有安全性和可扩展性，但不再是去中心化。

此时单一区块中将包括更多的交易，最后形成更大的区块。而网络中的节点扔需定期下载和广播区块，所以就需要大量的硬件基础。也就是说，当gas limit提高时，节点验证、存储以及广播区块的难度将会增加。

在此过程中无法更上节奏的节点将会退出。假如此种方式持续下去，则仅会有少部分强大的节点幸存，而这就导致了系统的更加中心化。最后你会得到一个安全且可扩展的区块链，但并会去中心化。

最后一种情况是，区块链选择了去中心化和可扩展性。也就是网络牺牲了共识算法来实现更快的速度和去中心化，而结果却是安全性降低了。

Ethereum的交易处理率

最近这些年，Ethereum的TPS(每秒交易量)很少会超过10。对于一个计划成为“世界计算机”的平台来说，这个数字低的惊人。

可扩展性解决方案一直都是Ethereum发展过程中重要部分。而Plasma就是解决方案的一种。该解决方案旨在帮助Ethereum及其他区块链网络提高效率。

Ethereum2.0

Ethereum的确具有很大潜能，但并不能掩饰其存在的局限性。之前我们也已经讨论过在可扩展性方面的局限性。简言之，如果Ethereum想成为新经济体强有力的支柱，则它就必须每秒处理大量的交易。而鉴于网络的分布式特性，导致该问题很难解决，而且多年来Ethereum的开发者们也致力于该难题解决方案研发。

一方面，为了保持网络的去中心化特性，必须设置一定限制。然而当运行节点的操作条件越高，网络中的参与者就会越少，而网络也将逐渐中心化。所以提高Ethereum处理交易的能力时节点的负担就会增加，从而威胁到网络的完整性。

Ethereum以及其他PoW(工作量证明)加密货币的另一弊端是，它们都是资源密集型。也就说为了能在区块链上成功添加区块，就必须进行挖矿。而此种区块添加方式则需要大能耗快速计算。

为了解决上述局限性，遂提出了一系列升级计划，统称为Ethereum2.0(或ETH2.0)。一旦全面实施，则将会有效提升网络的性能。

Ethereum分片

通过以上理解我们知道，每个节点都会存储区块链副本。而每个节点也都将随着区块链的变化而更新，这一过程将消耗巨大宽带和可用内存。

而如果使用名为“Sharding(分片)”的方法，则该过程就可避免。通过名字就知道该过程是将网络划分为不同节点子集，也就是所谓的shards(分片)。每一个分片都将处理自己的交易和合约，同时也会按照要求与其他网络的分片进行通信。并且由于每个分片都将独立验证，所以它们不需要存储其他分片的数据。

2020年3月的网络VS实施分片的网络

“分片”是一种复杂的扩容方式，需要大量的设计和实施工作。然而，倘若成功实施，则网络的吞吐能力将会以数量级提升。

Ethereum Plasma简介

Ethereum Plasma是一种链下扩容解决方案。顾名思义，也就是将交易脱离区块链以便于提高网络吞吐量。此时的它就与侧链和支付通道有些相似。

通过Plasma，侧链就可以与Ethereum区块链主链锚定，并保持一定程度的通信。它们的运作大体上是独立的，也就是用户依靠主链来解决争端，靠侧链来完成他们的活动。

Ethereum扩容成功的关键在于减少节点必须存储的数据量。Plasma方案则允许开发者在主链的智能合约中规定“子链”的一些规则。之后就可以将主链上昂贵的操作(构建应用或处理交易)转移到“子链”完成。

关于Plasma的详细信息，请查看《Ethereum Plasma解读》。

以太坊rollup介绍

Rollups类似于Plasma，他们都是将交易从主链中脱离，以此实现以太坊的扩容。那么，他们都是如何运作的呢?

通过在主链上的单个合约中，持有二级链上的所有资金，并保持该链当前状态的加密证明。二级链的运营者在主网合约中存入保证金，并确保仅将有效的状态转换提交给主网合约。基于当前的思路，由于该状态是在链下维护的，因此无需将数据存储在区块链上。但是，Rollups与Plasma的主要区别是将交易提交给主链的方式。Rollups使用特殊的交易类型，这种方式可以汇总海量交易，并将其捆绑在一起成为特殊的区块，称为Rollup区块。

有两种不同类型的rollup：Optimistic和ZK Rollup。两者都通过不同方式保证状态转换的正确性。

ZK Rollups 使用一种被称为零知识证明的密码学验证方式进行交易提交。其中一种较为特别的方法被称为zk-SNARK。我们无法得知它工作的具体细节，但是会明确它的确被Rollups所使用。这是一种可以让互补认同的双方互相证明自己所拥有特定的信息，而又不不需要互相透露该信息是什么的方式。

就ZK Rollups而言，这种信息是提交到主链的状态过渡。这样做的一个很大好处是，这个过程几乎会立即发生，而且几乎没有机会提交损坏的状态。

优化滚动牺牲了某些可调整性以获得更大的灵活。通过使用一个名为优化虚拟机(OVM)的虚拟机，这些虚拟机允许智能合约在二级链上运行。另一方面，这种方式不会有加密证据提交给主链，证明该状态过渡是正确的。为了缓解这个问题，会稍微将状态进行延迟，支持用户质疑和否定提交到主链的无效区块。

Ethereum权益证明机制(POS)

权益证明(PoS)是工作量证明(PoW)替代方案，用来验证区块。在PoS系统中新区块并不是通过挖矿来获得，而是通过铸造(有时也被称为锻造)来完成。矿工不再需要通过算力来竞争。现在的候选区块是由周期性随机选择出的节点(验证者)来完成验证的。如果操作正确，则该节点将会获得区块中所有的交易费用，有时也可能根据协议获得区块奖励(增发代币)。

由于PoS过程中不涉及采矿，所以它被认为是一种环境友好型方案。验证者消耗的能量相比于矿工要少的多，结果就是可以在消费级硬件上铸造区块了。

Ethereum2.0的升级过程中，会通过名为Casper的更新将PoW变革成PoS。目前确切的日期还未知，但第一次迭代可能会在2020年推出。