在完成The Merge以及向权益证明（PoS）过渡之后，以太坊继续稳步发展，稳居市值第二大数字资产的地位。作为首个智能合约网络，以太坊带来了破局式的区块链技术，使开发者得以构建越来越丰富的新用户应用。如今，以太坊正面临着越来越激烈的来自其他智能合约第一层生态系统的竞争。可扩展性无疑是以太坊维持在加密领域影响力的核心挑战。替代区块链所带来的更短结算时间和更低交易成本（也就是更好的可扩展性），被视为对以太坊主导地位的潜在威胁。

鉴于此，以太坊当前的发展路线图主要关注提升整个网络及生态系统的可扩展性。该扩展路线图包括两个关键升级：直接链上扩展升级（已逐渐转移重点）和间接链下扩展升级。本文将探讨这两种扩展方式，并讨论为何第二层网络正逐渐成为关注焦点。

以太坊的扩容挑战

随着时间推移，以太坊网络的活跃用户和应用程序数量迅速增长，将现有可扩展性推向极限，并导致日常网络交易成本上升。部分升级有助于缓解交易费用的剧增。然而，以太坊仍未能提供始终稳定的低成本交易，普通用户偶尔会因高昂成本无法实施经济审慎的链上交易。

目前，以太坊基础层的处理速度每秒仅为27笔交易（TPS），相较之下，Avalanche网络的TPS为4,500，Solana的TPS为50,000。尽管如此，由于各种原因，这些网络至今尚未达到相同水平的广泛采纳或使用。智能合约链的相对总价值锁定（TVL）是衡量采用率的一种方法，如下图所示。

随着数字资产平台试图以指数级速度吸引更多用户，以太坊必须抵制那些为了更好可扩展性而作出妥协的竞争对手。

虽然The Merge本身并未对以太坊的可扩展性带来显著改进，但它确实为下一阶段的增长奠定了基础，重点是降低成本和提高交易吞吐量。

链上扩容策略

一种提升网络可扩展性的方法是通过直接链上升级来增强交易处理能力。区块链三难困境，即去中心化、安全性和可扩展性这三个理想属性之间的权衡，为优化特定数字分类账的人们设置了限制。以太坊开发者曾主要关注改善链上扩容，而不是通过所谓的“分片”技术进行大量权衡或妥协。

最初的设计基于这样的想法：大部分交易执行将发生在以太坊的基础层。将以太坊数据库分成计划中的64个独立执行分片（它们只是更小的独立链）将通过分散数据存储负载，提高在特定时间内可验证的交易数量。然而，由于相关复杂性，开发者转而寻求其他解决方案，以维持基础层的简单性和安全性。以太坊的知名创始人和开发者Vitalik Buterin在他2022年11月发布的更新路线图中没有提及这种类型的执行分片，但它仍有可能在未来实现。

相反，分片的概念已从执行分片转变为数据分片。在被称为“danksharding”的新分片设计中，基础层保持简单，聚焦于去中心化和安全性，同时将大部分执行外包给第二层平台。执行在主链之外进行，第二层平台将数据（过去交易的列表）发布到以太坊基础层，以达成对所有链状态的共识。因此，未来的扩展工作将集中在优化数据发布到基础层的成本和效率上。

计划于2023年下半年推出的下一个链上扩展升级被称为EIP-4844，引入了一个名为“proto-danksharding”的概念。这次升级将创建一种新的、独立的交易类型，不与普通交易的gas使用竞争，称为blob-carrying交易。这些交易的功能类似于普通交易，但引入了一个名为blob的附加数据，从而使第二层网络的批量交易能以更低的成本结算。

Proto-danksharding被视为实现完整danksharding的跳板，因为它采用了一种未来用于分片以太坊链的有用元素——新的交易格式，但实际上并未引入数据分片本身。随着时间推移，以太坊链上扩展的未来已经发生了变化，但社区认为第二层和rollup对网络未来至关重要的观点似乎已达成共识。

链下扩容策略

在不对网络基础层本身进行设计更改的情况下，我们也可以提高基础层的吞吐量。链下解决方案允许交易在与主链不同的环境中进行。本文的主要焦点是最流行的链下扩展解决方案：Layer2网络。

L2解决方案从底层的以太坊共识中继承了它们的安全性。这些网络的主要目标是提高交易速度、减少基础层网络拥塞（从而降低单个交易成本），同时从底层第一层区块链继承去中心化和安全性。第二层网络在不强制执行第一层区块链上的设计升级或权衡的情况下，提供了额外的可扩展性，并在很大程度上将潜在风险隔离给该第二层扩展协议的用户。

最流行的第二层网络类型称为rollup。Rollup允许交易在与第一层链不同的环境中进行，但仍然通过批处理、压缩以及将交易数据中继回主链来依赖以太坊的安全性。这种通过交易汇总组合和减少数据需求的过程可以显著降低费用并增加交易吞吐量。

Rollup主要有两种类型：Optimistic Rollup和零知识（ZK）rollup。每种类型都有不同的设计并涉及某些权衡。

Optimistic Rollup

如今，使用最广泛的第二层网络是Optimistic Rollup。顾名思义，这些网络采用Optimistic 的设计，假设在第二层发生的任何交易都是有效的，除非有证据证明其无效。Optimistic Rollup通过将计算和状态存储转移到链下，减少了需要存储在以太坊基础层上的数据量。降低对以太坊的依赖意味着Optimistic Rollup可以显著降低交易成本。

Optimistic Rollup假定在第二层上发生的链下交易默认为有效，这意味着不需要为链上发布的批量交易提供加密证明。人们可以将Optimistic 交易视为“在被证明有罪之前是无辜的”。

相反，这些Rollup依赖于激励和欺诈证明的结合来检测无效交易的实例。负责在第二层区块链中记录交易，然后将它们聚合并中继回以太坊的节点称为序列化器。

设定的时间段（通常为一周）用作所谓的“挑战期”，在此期间可以提交欺诈证据以证明任何无效交易。如果发现无效交易，协议会撤销不当交易，负责包含无效交易的序列化器将受到惩罚。挑战期结束后，以太坊结算完成。

尽管如今Optimistic Rollup已经大规模运作，但它们仍处于起步阶段，正积极致力于进一步去中心化和改善用户体验。

目前，绝大多数通用以太坊第二层网络都采用Optimistic Rollup的方式运行。两个最大的Optimistic 第二层网络是Arbitrum和Optimism。这些网络总共拥有价值50亿美元的资产，并且在交易量上已经开始与以太坊主网相媲美。在这些网络上发送以太币的成本通常低于0.20美元，而在以太坊上可能超过1美元，每次传输可能花费几美元。执行更复杂的交易，如代币交换，会使成本差距更为明显。每个生态系统都有50多个去中心化应用程序（dApp），其中最大的应用程序是GMX（Arbitrum），一个去中心化的现货和永续合约交易所，以及Synthetix（Optimism），一个允许创建和交易合成资产的衍生品协议。

ZK-Rollup

ZK-Rollup为Optimistic Rollup提供了一种新兴的替代方法。同样地，交易在链下执行，批量信息被转发回以太坊。然而，提供的关于链下交易的数据类型有所不同。ZK-Rollup不遵循“无罪直到被证明有罪”的模式。相反，这些Rollup要求用户提交有效性证明，这些证明提供了交易确实有效的加密证据。这意味着一旦ZK-Rollup在以太坊上结算了交易，那么所有交易都被视为有效。

ZK-Rollup中的“零知识”来自一个称为零知识证明的数学概念，它是指在不泄露实际信息本身的情况下验证一组信息是否真实的方法。零知识证明如何工作的一个经典示例来自涉及两个不同颜色的台球和一个色盲朋友的场景。如何向色盲朋友证明他们可以区分两种不同颜色的台球？首先可以简单地识别他们的颜色，让朋友在背后交换（或不交换）球，然后再次识别颜色。在任何一次尝试中正确识别的概率是50%，但正确猜测的概率随着每次连续的独立尝试而降低。在这个例子中，一个人可以证明验证颜色之间的差异，而无需他们的朋友通过足够的尝试就知道颜色。这个例子类似于ZK-Rollup如何使用零知识证明来最小化证明一系列有效交易所需的信息集。

ZK-Rollup被认为在速度和安全性方面优于Optimistic Rollup。此外，防欺诈方面的差异意味着ZK-Rollup允许将价值快速转移回以太坊，而Optimistic Rollup则需要用户等待一周。这些优势的权衡带来了额外的复杂性，这就是为什么最著名的现有ZK-Rollup主要针对特定应用程序，例如dYdX。

多个数字资产行业团队竞相推出兼容通用以太坊虚拟机（EVM）的zk-rollup（zkEVM）

包括Polygon、Matter Labs和Scroll在内的多个数字资产行业团队正竞相率先推出与通用以太坊虚拟机（EVM）兼容的zk-rollup（zkEVM）。这意味着零知识支持者期待已久的产品可能离发布并不遥远。有人预计第一个zkEVM将在2023年推出。许多人，包括Vitalik Buterin本人，认为一旦zkEVM完全运行并提供与以太坊主网相当的功能，同时结算交易更快、更便宜，它将成为最终的扩展技术。

结论

2022年，以太坊从工作量证明向权益证明的过渡，即所谓的合并，成为焦点。随着以太坊Shanghai升级的完成，现在允许提取抵押的以太币，开发者的重点已经转移到扩展和改善用户体验上。去中心化应用程序已经显示出将其产品复制到L2环境的意愿，以提供更好的可扩展性和用户体验。在某些情况下，这使得它们能够在核心金融原语（如转移、交易和借贷资产）上与中心化应用程序竞争。