區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性一直是個(gè)熱門話題。幾乎所有的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)都將每秒交易量（TPS）作為賣點(diǎn)。然而，TPS 并不是比較區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的有效指標(biāo)，這也使得評(píng)估它們的相對(duì)性能成為挑戰(zhàn)。此外，高 TPS 通常要付出代價(jià)。這就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：這些網(wǎng)絡(luò)是否真的有那么高擴(kuò)展性，還是它們只是提高了吞吐量？

我們首先來(lái)看看如何定義可擴(kuò)展性，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性做出了哪些取舍，以及為什么有效性證明是可擴(kuò)展性的終極解決方案。

并非所有的交易都平等

首先我們要確定，簡(jiǎn)單的 TPS 指標(biāo)并不是可擴(kuò)展性的準(zhǔn)確衡量標(biāo)準(zhǔn)。

為對(duì)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行交易進(jìn)行補(bǔ)償（并阻止用戶用不必要的計(jì)算來(lái)擾亂網(wǎng)絡(luò)），區(qū)塊鏈會(huì)按照鏈上計(jì)算收取一定比例費(fèi)用。在以太坊?上，計(jì)算負(fù)擔(dān)的復(fù)雜性以 gas 來(lái)衡量。由于用 gas 衡量交易復(fù)雜性非常方便，因此該術(shù)語(yǔ)將在本文中也應(yīng)用于非以太坊區(qū)塊鏈，盡管它通常是以太坊專有的。

交易在復(fù)雜性上存在顯著差異，那對(duì)應(yīng)的 Gas? 也是如此。比特幣?是無(wú)需信任的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易的先驅(qū)，只支持基本的比特幣腳本。這種地址對(duì)地址的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)移消耗的 gas 很少。相比之下，以太坊或 Solana? 等智能合約?鏈，支持虛擬機(jī)?和圖靈完備的編程語(yǔ)言，允許進(jìn)行更復(fù)雜的交易。因此，像 Uniswap 這樣的 DApp 需要更多的 Gas。

這就是為什么比較不同區(qū)塊鏈之間的 TPS 沒(méi)有意義。相反，我們應(yīng)該比較的是計(jì)算能力，或者是吞吐量。

所有區(qū)塊鏈都有一個(gè)（可變的）區(qū)塊大小和區(qū)塊時(shí)間，它們決定了每個(gè)區(qū)塊可以處理多少個(gè)「計(jì)算單元」以及新出塊的速度。這兩個(gè)變量共同決定了區(qū)塊鏈的「吞吐量」。

什么限制了可擴(kuò)展性？

區(qū)塊鏈的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)去中心化、包容性最大化的網(wǎng)絡(luò)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，有兩個(gè)特性必須得關(guān)注。

硬件要求

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化是由網(wǎng)絡(luò)中最弱的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證驗(yàn)證區(qū)塊鏈以及其保持狀態(tài)的能力所決定。因此，運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本（硬件、帶寬和存儲(chǔ)）應(yīng)盡可能低，以讓更多的個(gè)體成為無(wú)需信任網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)需許可參與者。

狀態(tài)增長(zhǎng)

狀態(tài)增長(zhǎng)指的是區(qū)塊鏈增長(zhǎng)的速度。一條區(qū)塊鏈在單位時(shí)間內(nèi)的吞吐量越大，區(qū)塊增長(zhǎng)速度就越快。全節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)歷史，它們必須能夠驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。通過(guò)使用樹狀等高效結(jié)構(gòu)，以太坊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)得以儲(chǔ)存和引用。隨著狀態(tài)增長(zhǎng)，新的葉子和分支添加到其中，使得執(zhí)行某些行動(dòng)變得越來(lái)越復(fù)雜和耗時(shí)。隨著鏈的增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行最差情況也會(huì)惡化，從而導(dǎo)致驗(yàn)證新區(qū)塊的時(shí)間不斷增長(zhǎng)。隨著時(shí)間推移，這也增加了同步一個(gè)全節(jié)點(diǎn)的總時(shí)長(zhǎng)。

增加吞吐量的不利影響節(jié)點(diǎn)數(shù)

運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最低要求以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量是：

• 比特幣：350GB 硬盤空間，5M/s 帶寬，1GB 內(nèi)存，CPU 大于 1Ghz。節(jié)點(diǎn)數(shù)量約 1 萬(wàn)
• 以太坊：500GB 以上的 SSD 硬盤空間，25 M/s 帶寬，4 至 8GB 內(nèi)存，CPU 2-4 核。節(jié)點(diǎn)數(shù)量約 6 千
• Solana：1.5TB 以上的 SSD 硬盤空間，300M/s 帶寬，128GB 內(nèi)存，CPU 12 核以上。節(jié)點(diǎn)數(shù)量約 1.2 千

請(qǐng)注意，區(qū)塊鏈的吞吐量對(duì)節(jié)點(diǎn)的 CPU、帶寬和存儲(chǔ)要求越高，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量就越少，導(dǎo)致去中心化程度越弱，網(wǎng)絡(luò)的包容性越差。

同步全節(jié)點(diǎn)的時(shí)間

當(dāng)?shù)谝淮芜\(yùn)行節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要與現(xiàn)有的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，下載并驗(yàn)證從創(chuàng)世區(qū)塊到鏈頂端的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程應(yīng)盡可能快且有效，以允許任何人都可以成為無(wú)需許可的協(xié)議參與者。

以 Jameson Lopp 的 2020 年比特幣節(jié)點(diǎn)?和 2021 年節(jié)點(diǎn)同步測(cè)試為指標(biāo)，下表比較了在普通消費(fèi)級(jí) PC 上同步一個(gè)比特幣與以太坊與 Solana 的完整節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間。

上表顯示，增加吞吐量會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的同步時(shí)間，因?yàn)樵絹?lái)越多的??數(shù)據(jù)??需要處理和存儲(chǔ)。

盡管節(jié)點(diǎn)軟件在不斷地優(yōu)化（降低磁盤占用空間，加快節(jié)點(diǎn)速度，增強(qiáng)崩潰恢復(fù)能力，組件??模塊化??等等），以應(yīng)對(duì)區(qū)塊鏈持續(xù)增長(zhǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，但節(jié)點(diǎn)顯然仍然無(wú)法跟上吞吐量增加的步伐。

應(yīng)該如何定義可擴(kuò)展性？

可擴(kuò)展性是區(qū)塊鏈領(lǐng)域中誤解最多的術(shù)語(yǔ)。雖然提升吞吐量是可取的，但它也只是難題的一部分。

可擴(kuò)展性意味著在相同的硬件上有更多的交易。

所以，可擴(kuò)展性可分為兩類。

?排序可擴(kuò)展性

排序是網(wǎng)絡(luò)中交易的排序和處理行為。如前所述，任何區(qū)塊鏈都可以通過(guò)提高區(qū)塊大小和縮短區(qū)塊時(shí)間來(lái)微弱地增加其吞吐量，直至對(duì)其去中心化的負(fù)面影響顯著到無(wú)法忽視為止。但是，調(diào)整這些簡(jiǎn)單的參數(shù)并不能達(dá)到所需的提升。以太坊 EVM? 理論上可以處理高達(dá)約 2 千 TPS?，但這不足以滿足長(zhǎng)期區(qū)塊空間需求。為擴(kuò)展排序，Solana 做出了創(chuàng)新：利用可并行的執(zhí)行環(huán)境和一個(gè)巧妙的共識(shí)機(jī)制，讓吞吐量的效率大大提高。但是，盡管有這些改進(jìn)，它既不充分，也不具備可擴(kuò)展性。隨著吞吐量的增加，Solana 運(yùn)行節(jié)點(diǎn)和處理交易的硬件成本也在增加。

驗(yàn)證可擴(kuò)展性

驗(yàn)證可擴(kuò)展性是在不增加硬件成本加重節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)的情況下增加吞吐量的方法。具體來(lái)說(shuō)，指的是像有效性證明這樣的密碼學(xué)創(chuàng)新，讓區(qū)塊鏈得以可持續(xù)地?cái)U(kuò)展。

什么是有效性證明 Rollup

有效性證明 Rollup（也稱為 ZK-Rollup）將計(jì)算和狀態(tài)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移到鏈下，鏈上只保留少量的特定數(shù)據(jù)。底層區(qū)塊鏈上的一個(gè)智能合約維護(hù) Rollup 的狀態(tài)根。在 Rollup 上，一批高度壓縮的交易，連同當(dāng)前的狀態(tài)根，發(fā)送到一個(gè)鏈下的證明器。證明器計(jì)算交易、生成結(jié)果和新?tīng)顟B(tài)根的有效性證明，并將其發(fā)送給鏈上的驗(yàn)證器。驗(yàn)證器驗(yàn)證有效性證明，存儲(chǔ) Rollup 狀態(tài)的智能合約將其更新為證明器提供的新?tīng)顟B(tài)。

有效性證明 Rollup 如何在相同的硬件要求下進(jìn)行擴(kuò)展？

證明器對(duì)硬件要求確實(shí)高，但它們不會(huì)影響區(qū)塊鏈的去中心化，因?yàn)榻灰椎挠行允怯蓴?shù)學(xué)上可驗(yàn)證的證明來(lái)保證的。

重要的是驗(yàn)證證明的要求。由于所涉及到的數(shù)據(jù)被高度壓縮，并很大程度上通過(guò)計(jì)算被抽象化，它對(duì)底層區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的影響是最小的。

驗(yàn)證器（以太坊節(jié)點(diǎn)）不需要高端硬件，批次的大小也不會(huì)增加硬件要求。只有狀態(tài)轉(zhuǎn)換和少量的調(diào)用數(shù)據(jù)需要由節(jié)點(diǎn)處理和存儲(chǔ)。這允許所有以太坊節(jié)點(diǎn)用現(xiàn)有的硬件可以來(lái)驗(yàn)證有效性 Rollup 的批量交易。

交易越多越便宜

在傳統(tǒng)區(qū)塊鏈中，交易越多，區(qū)塊空間占用越大，也就越昂貴。這就導(dǎo)致用戶需要在手續(xù)費(fèi)市場(chǎng)上競(jìng)價(jià)來(lái)優(yōu)先打包交易。

而對(duì)有效性證明 Rollup 來(lái)說(shuō)，這種動(dòng)態(tài)是相反的。在以太坊上驗(yàn)證一批交易有一定成本。隨著一批交易內(nèi)交易數(shù)量的增加，驗(yàn)證該批交易的成本增加速度會(huì)以指數(shù)級(jí)降低。有效性證明中，一個(gè)批次里交易數(shù)量增多，盡管批量交易驗(yàn)證費(fèi)用增加，但單筆交易費(fèi)用反而更便宜，因?yàn)榭偨灰壮杀居赏慌蝺?nèi)所有交易均攤。有效性證明希望一個(gè)批次內(nèi)有盡可能多的交易，這樣驗(yàn)證費(fèi)用就可以由批次內(nèi)所有用戶平攤。當(dāng)批次規(guī)模增長(zhǎng)到無(wú)限大時(shí)，每筆交易的平攤費(fèi)用就會(huì)接近于零，也就是說(shuō)，有效性證明的交易越多，對(duì)每個(gè)用戶來(lái)說(shuō)就越便宜。

dYdX，一個(gè)由有效性證明驅(qū)動(dòng)的 DApp，經(jīng)常有超過(guò) 1.2 萬(wàn)交易的批次規(guī)模。對(duì)比在以太坊主網(wǎng)和在有效性證明上，同樣的交易的 Gas 消耗，可以說(shuō)明可擴(kuò)展性的提升：

在以太坊主網(wǎng)上結(jié)算一筆 dYdX 交易：200,000 Gas

在 StarkEx 上結(jié)算一筆 dYdX 交易：低于 500 Gas

從另一個(gè)方面來(lái)看，有效性證明 Rollup 的主要成本與同一批次的用戶數(shù)量成線性比例。

為什么 Optimistic Rollup 不像大家想的那樣可擴(kuò)展

從理論上來(lái)講，Optimistic Rollup 提供了與有效性證明幾乎相同的可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)。但有一個(gè)重要的區(qū)別，Optimistic Rollup 針對(duì)平均情況進(jìn)行優(yōu)化，而有效性證明針對(duì)最壞情況進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)閰^(qū)塊鏈系統(tǒng)是在極端對(duì)抗的條件下運(yùn)行的，針對(duì)最壞情況進(jìn)行優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)安全的唯一途徑。

在 Optimistic Rollup 的最壞情況下，用戶的交易不會(huì)被欺詐檢查器檢查。因此，為了質(zhì)疑欺詐，用戶必須同步一個(gè)以太坊全節(jié)點(diǎn)，一個(gè) L2 全節(jié)點(diǎn)，并自己計(jì)算可疑的交易。

在有效性證明 Rollup 的最壞情況下，用戶只需要同步一個(gè)以太坊全節(jié)點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證有效性證明，這就節(jié)省了計(jì)算負(fù)擔(dān)。

與有效性證明相比，Optimistic Rollup 的成本與交易數(shù)量呈線性關(guān)系，而不是用戶數(shù)量，這也使得它的交易更昂貴。

最后的難題 — Rollup 狀態(tài)的無(wú)需許可訪問(wèn)

用戶只需運(yùn)行一個(gè)以太坊節(jié)點(diǎn)就能保證交易的有效性。然而，用戶和開發(fā)人員可能會(huì)出于各種目的想要查看、運(yùn)行 Rollup 的狀態(tài)和執(zhí)行。「索引 L2 節(jié)點(diǎn)」完美滿足了這個(gè)需求，它不僅可以讓用戶看到網(wǎng)絡(luò)中的交易，而且也是生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)作所必需的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施?。像 The Graph?、Alchemy? 和 Infura? 這樣的索引器，還有 Chainlink? 這樣的預(yù)言機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以及區(qū)塊瀏覽器，無(wú)需許可的索引 L2 節(jié)點(diǎn)都可以完全支持。

結(jié)論

許多解決區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性的方案錯(cuò)誤地集中在增加吞吐量上。但是忽略了吞吐量對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響：處理區(qū)塊和存儲(chǔ)歷史網(wǎng)絡(luò)的硬件要求不斷增加，會(huì)妨礙網(wǎng)絡(luò)的去中心化。

而有效性證明密碼學(xué)的出現(xiàn)，不給節(jié)點(diǎn)不斷加重成本負(fù)擔(dān)，允許廣泛的去中心化的情況下，讓區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)真正的可擴(kuò)展性?，F(xiàn)在同樣的硬件可以進(jìn)行更多復(fù)雜且強(qiáng)大交易計(jì)算。這就逆轉(zhuǎn)了手續(xù)費(fèi)市場(chǎng)的困境 — 有效性證明上的活動(dòng)越多，就越便宜！