【鑑輕塵】「V神」的以太坊究竟有沒有想象中的那麼好？

對以太坊來講，2018年是專一於基礎設施的一年。這一年裏，你們對網絡侷限性進行了測試，從新把精力集中到擴容技術上。

以太坊還處於嬰兒時期。今天，它還不夠健全，也不具有可擴展性。任何瞭解這項技術的人，都清楚知道這一點。但在過去的一年裏，由投機驅動的炒做，過度誇大了區塊鏈的能力。以太坊距離Web 3.0（一個安全、易於使用的分佈式網絡，受一套共識機制約束，併爲數十億人使用）仍高不可攀，在關鍵基礎設施完善以前，都不會實現。

構建這一基礎設施、擴展以太坊功能的項目，都被稱做擴容方案。
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它們有許多不一樣的形式，並且每每都是相互兼容或互補的。

本文中，我將深刻探討其中一種擴容方案：「鏈下」或者「Layer2」擴容，但願能讓你對Layer 2的工做原理有個全面而詳細的理解。
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1:公有鏈的擴容挑戰

「擴容」不是單一的、具體的問題，它是以太坊在服務全球幾十億用戶以前，必需要解決的問題。

首先，是交易吞吐量方面。目前，以太坊每秒能夠處理15筆交易，相比之下，Visa處理速度能夠達到45000筆/秒。

像以太坊這樣的公有鏈，要求網絡中每個節點參與處理每一筆交易，其主要侷限也正在於此。以太坊上的每一個操做都必須由網絡中的每一個節點一塊兒執行，保證了公有鏈的足夠權威。

這就限制了以太坊的交易吞吐量：它不能高於單個節點處理數據的速度。

若是咱們將區塊大小加倍，這將意味着在相同出塊時間內，每一個節點的工做量大約是如今工做量的兩倍。但這是以犧牲去中心化爲代價的：須要節點作更多的工做，那麼較弱的節點可能會退出網絡，挖礦權利將集中到強大的礦場手中。
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2:解決方案

咱們須要一種方案：既能不增長單個節點的負荷，又能處理更多交易。

從理論上講，咱們能夠採起兩種方法來解決這個問題：
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一、若是每一個節點沒必要並行處理每一個操做呢？

若是咱們能夠構建一個區塊鏈，鏈內節點沒必要參與處理每筆交易，網絡被分紅兩個部分，能夠半獨立地運做呢？

被分開後，A區能夠處理一批交易，B區也能夠處理一部分，這能夠把區塊鏈交易吞吐量提升一倍。若是咱們把區塊鏈分紅許許多多不一樣區域，那吞吐量會提升許多倍。

這就是「分片（Sharding）」背後的理念，由以太坊V神和其餘科研人員提出。一個區塊鏈被分紅許多不一樣的「片」，每一個「片」均可以獨立處理交易。分片通常是指「Layer 1」的擴容方案，由於它是在以太坊的基層協議上實現的。
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二、若是爲以太坊創建協議層網絡呢？

第二種選擇和第一種偏偏相反：與其增長以太坊自身的能力，不如在其基礎之上採起措施。在以太坊區塊鏈基本層的吞吐量不變的狀況下，能執行更多的操做，好比交易、狀態更新或簡單的計算。

這就是「鏈下」技術背後的原理，包括狀態通道、Plasma、Truebit等。雖然每一種技術旨在解決不一樣問題，但它們都須要在保證安全性的前提下，進行「鏈下」操做。

這也被稱做「Layer 2」，由於它創建在以太坊主鏈之上，不須要在基礎層上進行改變，相反，它只做爲與鏈下軟件交互的智能合約存在。
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3:Layer 2是數字經濟解決方案

在細說Layer 2的解決方案以前，咱們先來了解一下其背後的原理。

公有鏈的權威來源於共識。經過激勵措施，並將其與密碼學結合，從系統內部達成共識。

數字經濟共識給了咱們肯定性——除非像51%攻擊這樣極端事件，不然全部的操做（包括支付、智能合約）都將按以前設計好的程序執行。

Layer 2背後的原理是，咱們能夠將這個肯定性做爲一個錨，在此基礎之上附加其餘機制。Layer 2能夠將公有鏈的效用擴展到鏈外，讓咱們在鏈外交互成爲可能，這些交互在須要的時候仍然能夠返回到主鏈。

由於這些層創建在以太坊主鏈之上，因此它並不能像主鏈上操做同樣安全，但仍然能夠確保它們安全實用，特別是只須要犧牲一點操做權限，就能夠提升運做效率，下降手續費用。



下面是正在嘗試應用的技術介紹：
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一、狀態通道（State Channels）

狀態通道，指的是「鏈下」處理交易和其餘操做的一種技術，有很高的安全性：若是出了什麼問題，咱們仍然能夠選擇回到鏈上交易。

不少讀者都知道支付通道，這個已經出現許多年了，最近也在經過閃電網絡（Lightning Network）在比特幣上實施。狀態通道是比支付通道更爲廣泛的形式——不只能夠處理支付，也能夠處理區塊鏈的「狀態更新」，好比智能合約的更改。

2015年，Jeff Coleman首先提出了狀態通道。咱們先來看一個例子，以便更好地解釋狀態通道的工做方法。

想象一下，張三和李四玩三連棋遊戲，贏家能夠得到1個ETH做爲獎勵。最簡單的辦法，就是在以太坊上建立一個智能合約，將三連棋的規則寫入智能合約，並追蹤張3、李四的選擇。每次玩家作出選擇時，給合約發送一次。當一個玩家勝出，按規則，智能合約將支付1個ETH給勝出者。
這雖然可行，但效率低、速度慢。由於遊戲的每一步都須要獲得全部的節點確認，形成資源的浪費。他們每玩一局遊戲，就要支付一筆費用，而且還要等礦工完成驗證後才能進行下一局。

這時候，咱們就能夠設計一個系統，讓張三和李四的互動儘可能在鏈下進行。他們能夠在鏈下更新狀態，並在須要的時候，回到鏈上交易。咱們把這種系統稱之爲「狀態通道」。

首先，咱們在以太坊主鏈上建立一種智能合約做爲「法官」，並將遊戲規則寫入合約，並識別出張三和李四是本次遊戲的兩個玩家，再給這個合約設置1個ETH的獎勵。

緊接着，張三和李四開始互動。張三開始走第一步，簽名後發送給李四，李四也會簽名，並將本身簽名後的版本發回，本身保存一份副本。而後李四走一步，簽名後發送給張三，張三也簽名後發回，本身保存副本。每次，他們都會更新本身的狀態。每次互動都會包含一次「隨機數」，這就能夠給每次互動按時序排列。

至此，全部操做都不是在鏈上發生。若是遊戲結束，好比說張三贏了，他們能夠上傳最終狀態（交易清單）並關閉通道。這樣，只用支付一次交易費用就能夠了。合約能夠確保「最終狀態」有雙方簽名，並等待一段時間，以確保結果可靠，最後把1個ETH的獎金支付給張三。

爲何須要這個等待時間？

假設李四上傳的不是最終版本，而是他贏過了張三的那個版本，但合約只會執行指令，沒法知道哪個是最終版本。這個時候，設置一段等待時間，可讓張三提供證據證實本身提供的是最終版本。

張三提交雙方簽名的交易副本，合約經過交易的隨機數肯定張三提交的是最終版本，駁回李四的請求。

狀態通道適用於不少應用程序，並對傳統的鏈上操做進行了許多升級。
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二、Plasma

2017年8月11日，V神和Joseph Poon發表了名爲《Plasma：自主智能合約》的論文。這篇文章引入了一種全新的技術，能夠提升以太坊的處理效率。

與狀態通道同樣，Plasma是一種處理鏈下交易的技術，須要依賴以太坊底層技術去對其安全性進行保障。但Plasma的切入點不同，它能夠容許在以太坊主鏈上建立「子鏈」。這些「子鏈」，反過來也能夠建立它們本身的「子鏈」，以此類推。

其結果是，咱們能夠在子鏈執行許多複雜的操做，運行包含數千名用戶的應用程序，而且只須要與以太坊主鏈進行不多的交互。Plasma運行很快，並收取較低的交易費用，由於整個過程不須要在以太坊主鏈上發生。

咱們先來看一個例子，理解Plasma是如何運做的。

想象一下，你正在以太坊上建立一個交易卡片遊戲。這些卡片是ERC-721令牌（好比以太貓），但它們具備某些特性和屬性，讓用戶能夠進行博弈。在鏈上執行這些複雜的操做很昂貴，因此使用Plasma是很好的選擇。

首先，咱們在以太坊主鏈建立一套智能合約，做爲服務於咱們Plasma子鏈的「Root」。Plasma Root包含咱們子鏈的「狀態轉換規則」（好比「不能雙花」），記錄子鏈狀態的哈希，並充當一種「橋樑」，容許用戶在以太坊主鏈和子鏈之間進行互動。

而後，咱們創造咱們的子鏈，子鏈能夠有本身的一套共識機制。在本例中，是受權證實（PoA），依賴可信區塊生產者的共識機制。

一旦子鏈被建立或者激活，區塊生產者就對Root合約作出承諾，至關於「我做證，子鏈中的最新區塊是X。」這些承諾都會被記錄在Plasma Root，以證實子鏈中發生的交易。

子鏈準備好後，咱們就能夠建立交易卡遊戲的基本組成部分。卡片基於以太坊主鏈的ERC-721，經過Plasma Root轉移到子鏈。這就引入了一個關鍵點：Plasma容許咱們與基於以太坊的數字資產進行大規模交互。

而後，咱們在子鏈上部署遊戲應用的智能合約，把遊戲邏輯和規則都寫進合約裏。遊戲用戶，其實只是與咱們的子鏈交互。他們能夠持有資產（ERC-721令牌）與其餘用戶進行遊戲，不須要與主鏈直接互動。由於只有少許節點須要處理交易，交易費用會低不少，操做速度也會更快。
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三、Truebit

與狀態通道和Plasma擴大吞吐量不一樣，Truebit是幫助以太坊完成繁重計算的鏈下技術。Truebit不會提升交易吞吐量，但會讓基於以太坊的應用程序作更復雜的事情。

有些操做計算成本過高，沒法在鏈上執行。例如，驗證來自其餘區塊鏈的「簡單支付驗證(SPV)」證實，讓以太坊智能合約「檢查」一項交易是否發生在另外一條鏈上(如比特幣網絡)。

在以太坊上作的全部計算都很貴，由於總須要全部節點都要參與到計算中。

然而，你能夠給某我的（解決者）支付一點費用，讓它完成鏈下計算。

首先，解決者往智能合約存入一筆費用，而後，你把需求告知解決者。他進行計算，而後把結果反饋給你。若是計算結果正確，他的押金會被退回；若是計算出錯（他出錯或做弊），就會損失本身的押金。

那咱們怎麼知道結果正不正確呢？

Truebit使用一種叫「驗證遊戲」的經濟機制。從本質上講，咱們創造了一種激勵機制，鼓勵「挑戰者」來驗證解決者提交的結果。若是挑戰者可以經過驗證遊戲，證實解決者提交了一個錯誤的結果，那麼他們就會獲得獎勵，而解決者則會失去他們的押金。
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4:結論

「狀態通道」和Plasma，將增長平臺的吞吐量；Truebit，將更困難的計算做爲智能合約的一部分，從而打開新的應用例子。

這三個示例僅表明了擴容方案的一小部分。

在以太坊上構建Layer 2，能夠在訪問速度、安全性和成本之間達到平衡。對於高價值的交易，建議使用主鏈；對於交易數字收藏品，速度更重要，Plasma是不錯的方案。
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