解析 | 以太坊的扩容问题及解决方案

• 从理论上来说，使用代币是扩容问题的解决方案之一。这个方案摈弃了所有交易都发生在一条区块链上的想法，采行多个代币共存但运行于独立区块链上的模式。通过将运行压力分布至其他区块链上使得扩容性得以实现。但是，如此一来每条区块链的节点将会减少，那么区块链就更容易受到攻击或产生欺诈行为。因此，使用代币的解决方案兼顾去中心化和扩容性，但对于安全性却是捉襟见肘。
• 扩大区块容量是另一个解决扩容性问题的理论方案。如果每个区块的容量增加，所有的节点仍然可以运行各种操作，但是同样的时间却可以容纳更多的交易。然而，随着区块容量增大，需要耗费更高的成本来打包交易，这对于许多矿工来说是难以负担的。这就可能导致网络将来被一些超级计算机掌控，因为它们拥有足够验证每个区块的资源。由此看来，增加区块容量能够保证安全性和扩容性，却显著降低了网络的去中心化程度。

目前有四种协议在开发中，以期解决扩容性问题，即分片(sharding)、Plasma和雷电网络，至于第四种协议，Casper，在内容上更为广泛，但仍然对以太坊甚至是其他区块链网络提供扩容性参考。

分片可以让节点同时并行操作，也就提高了整体区块链的每秒交易处理量。在分片方案下，以太坊网络可以被划分成多组节点。每组节点构成一个分片，每个分片处理组内的所有交易。这就使得每个分片可以同时处理不同的交易。

在每个分片内部，某些节点扮演了“汇总人”(collators)的角色，定期创建“汇总”(collation)，或者说是关于该分片的信息合集。每个 collation 都会包括以下信息：

1. 该 collation 所属分片信息；

2. 交易完成之前分片状态的信息；

3. 交易完成之后分片状态的信息；

4. 2/3汇总人的数字签名以验证 collation 中的信息。

在网络中，每个分片中的汇总信息都会被整合进一个单独的区块，然后添加到到以太坊区块链中。也就是说，分片技术使得节点组合处理并验证交易，但只有汇总信息会被添加到区块链上。假设有10个分片，每个分片处理5笔交易，那么下个区块链中的区块则包含了50笔交易信息，而不再要求节点按顺序处理这五十笔交易。

但是分片技术会伴随两个问题。首先，每个分片都必须保证有足够多的节点才能确保网络的安全性。如果节点过少，那么2/3的汇总人则有可能进行串通，从而产生恶意行为。其次，两个分片之间的交易处理难度很高，如果只存在一个分片，则不会产生类似问题，因为它代表了整个区块链。目前的方法还需要详尽的收据和证明。

雷电网络对于经常性和规律性支付来说十分实用，例如，用户需要每周支付某公司10美金以获取某项服务，或是在超市进行定期采购。在两个节点间记录并验证此类交易，而无需调动整条区块链中的节点，如此一来根链就可以释放出巨大的空间。

无论何时，状态通道中的参与者可以选择关闭交易，但所有交易的最终结果都会记录在根链上，继而被包含在下一个区块中。这意味着，假使连续一年每周支付10美元，区块中的最终交易记录是520美元，而非52笔10美元的交易。

雷电网络解决方案有利有弊。问题在于节点只能与他们的“邻居”交流，也就是说如果节点A和节点B之间开启了一条状态通道，节点B和节点C之前也有一条状态通道，A无法直接向C发送资金。但是以这种通道形式进行交易可以避免资金被盗取或锁定。A虽然无法直接转账给C，但可以将B作为“中间人”，而B由于受到A和C的限制，也无法窃取资金。

而雷电网络最主要的优点，就是可以大幅降低交易的gas费用。因为与根链上的交易相比，发生在节点之间的链下交易所需gas成本更低。

在权益证明 (PoS) 中，验证者会取代矿工在区块链中对区块进行验证（验证取代挖矿）。验证者通过在某个区块上质押资产进行验证，避免了计算难题所需的资源成本。质押数额最高的区块会被验证，进而被添加到区块链中。

实质上，验证者通过在合约中锁定资金押注某个区块会被添加到区块链中，直到下一个区块被加入并且被证明是正确的区块，他们就会获得奖励。如果验证者施行不正当行为，那么他们所质押的资金将会被罚没。

从概念上来看，PoW 到 PoS 的转变可以防止区块链被恶意攻击。在 PoW 算法下，一次失败的区块链攻击仅仅使攻击者损失了时间和资源成本。但在 PoS 算法下，失败的攻击则会直接导致经济损失，因为他们质押在错误区块中的资金将会被立即罚没。

Casper 最终的部署将基于该协议的两个迭代：Casper FFG 和 Casper CBC。这两个协议将被部署在以太坊上用于网络测试 PoS，并且在算法过渡完成之前识别潜在问题。

那么 CBC 如何适应过程中可能出现的问题呢？这就需要通过一个被称为“理想对手”的协议来为 CBC 提出假设、错误和协议未来可能面临的问题。

Casper 系列协议不仅仅囊括了扩容性议题，其中还包括节省能源和提高安全性的考虑。然而，随着增加区块所需能源损耗的降低，要实现网络扩容也将更具有挑战性。尽管 Casper 并不是专门为实现扩容设计的，但仍然会为网络的流量承载能力作出积极贡献。

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