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與比特幣一樣，以太坊可擴展性問題的主要原因是網絡中的每個節點都必須處理每筆交易的網絡協議。以太坊 1.x 實現了略微修改版本的工作量證明 （PoW） 共識機制。在以太坊，礦工必須競相找到滿足目標難度的隨機數。每個節點都需要驗證礦工的工作是否有效，並準確記錄當前網絡狀態。這極大地限制了以太坊區塊鏈網絡的交易過程能力和吞吐量。目前，每秒只能處理 12-15 次交易。
Vitalik Buterin 首次使用可擴展性 trilemma 是區塊鏈中的一個概念，它能夠解決可擴展性、去中心化和安全性問題，同時不影響其中任何一個。Trilemma聲稱，在區塊鏈系統中幾乎不可能實現所有三種屬性：
去中心化：這是比特幣和區塊鏈創建的核心原則。去中心化使審查具有抗性，並允許任何人在沒有中央機構或中間機構的情況下參與去中心化生態系統。
安全性：這是指公共賬本的完整性和不變性，以及抵禦 51% 攻擊的能力或像網絡攻擊這樣的 DDoS。
可擴展性：這涉及到區塊鏈網絡中處理越來越多交易的能力。爲了使以太坊區塊鏈成爲發明者設想的世界計算機，它需要與亞馬遜、Visa或Mastercard等許多中心化系統的交易吞吐量相匹配。
下圖顯示了區塊鏈的可擴展性 Trilemma：
可擴展性的關鍵挑戰在於找到一種在基層實現全部三個目標的方法。比特幣和以太坊的設計選擇有利於去中心化和安全性，同時犧牲可擴展性。
以太坊可擴展性解決方案是以太坊社區中最活躍的主題之一。以下是社區爲以太坊的未來而努力解決的一些問題：
PoW 交易處理和區塊創建時間 — 礦工處理所有交易並透過挖礦創建新區塊的速度有多快？
交易最終性 – 去中心化網絡多久才能達成交易已發生且無法恢復的共識？ 目前，使用比特幣需要大約六個區塊，使用以太坊需要 3-4 分鐘，網絡纔會考慮在主鏈中完成區塊。感興趣的讀者應查看 Vitalik 的交易結算區塊和區塊最終概率。
正在實施或提議的解決方案分爲三類：鏈上解決方案、鏈下解決方案和共識機制協議。有一些明顯的或理論上的區塊鏈，例如增加區塊大小或將一個區塊鏈切成許多獨立的altcoin鏈。由於點對點的性質，傳統的橫向擴展方法可能無法使用。具體到以太坊網絡，一些考慮因素也包括導致可擴展性問題的有狀態或無狀態智能合約。我們將深入探討所有這些解決方案的高級概念，然後深入研究一些前景廣闊的解決方案。
這與垂直擴展方法類似。比特幣現金、以太坊 Core 等其他代幣正在實施更大的區塊規模，以獲得整體交易表現。這種方法背後的理論是，由於 PoW 挖礦是整個過程中的主要瓶頸，因此透過增加區塊大小，我們每次挖礦可以處理更多交易。創建定向非循環圖 （DAG） 進行基於存儲的挖礦可能需要更長的時間，但完成挖礦的平均時間可能不會變得更糟，因爲大多數以太坊客戶端都會緩存 DAG。
下圖說明了該技術的工作原理：
然而，與垂直擴展一樣，該解決方案通常要求網絡節點具有更好的計算能力，以便處理大型區塊。這可能會導致網絡集中在幾隻富手中，因此最終可能會損害區塊鏈的主要原則去中心化和安全性。
另一種解決方案不是擁有一個巨大的區塊鏈，而是擁有許多較小的區塊鏈和代幣。最終可能會如此，因爲許多垂直行業正在創建或計畫創建特定行業的鏈。這將減少每個區塊鏈上的用戶活動，從而實現更可擴展的生態系統。
下圖說明了該技術的工作原理：
但是，此選項存在一些問題。一是安全問題。人們普遍認爲，如果更多網絡節點參與區塊鏈中的交易處理，則網絡會更安全。隨着altcoin鏈的廣泛分佈，任何給定區塊鏈上的節點數量將減少。這可能會降低區塊鏈的安全性，因爲較小的altcoin網絡可能更容易受到網絡攻擊。假設在較大的網絡上，我們大約有 10，000 個節點，至少需要 5，001 個節點（或稱爲 51%）才能在網絡上發起攻擊。如果我們將 10，000 個節點劃分爲 50 個較小的鏈，則每個鏈由 200 個節點組成，只需 101 個節點即可刪除任何較小的鏈，這就是所謂的 1% 攻擊問題。另一個問題是跨鏈整合。雖然有一些跨區塊鏈整合解決方案，但整合小鏈和另類幣的整體複雜性將大幅增加。
鏈上解決方案有時也稱爲第 1 層解決方案，旨在尋找解決方案來解決以太坊區塊鏈網絡底層的可擴展性和性能問題。其中一種解決方案就是分片。分片並不是一個新概念，因爲傳統 RDBMS 和新的大數據平台多年來一直在使用分片來提高可擴展性和性能。
使用以太坊網絡，分片的目的是將網絡節點、區塊鏈和全局狀態分組爲不同的分片，並且每個分片將在組內的節點之間就整個分片交易狀態達成共識。在概念層面上，這可能與Plasma、L2側鏈方法沒有太大不同，但技術難度、影響和網絡工作卻大不相同。
另一種第 1 層或鏈上解決方案是轉向質押證明 （PoS） 共識機制，這是以太坊解決可擴展性和性能問題的最活躍研究領域之一。關於基於 PoW 的共識機制的優缺點，存在諸多爭論。在去中心化網絡中保護區塊鏈安全方面非常有效，但這也是區塊鏈性能的主要瓶頸。
簡而言之，質押證明是區塊鏈網絡上最受歡迎的共識算法之一。與 PoW 共識相反，在 PoS 共識算法中，礦工解決加密謎題會獲得獎勵，而選定的驗證者將輪流提出新的區塊。驗證者的選擇方式取決於其財富，也稱爲質押。將代幣存入質押的任何人都可以成爲驗證者。參與機會可能與他們投入的權益成比例。比如，Alice、Bob、Catherine 和 David 分別投入 40 Ether、30 Ether、20 Ether 和 10 Ether 權益參與；他們被選爲區塊創建者的機會分別爲 40%、30%、20% 和 10%。
下面介紹了 PoS 共識機制的運作方式。如下圖所示，區塊鏈跟蹤一組驗證者，有時也稱爲區塊創建者或僞造者。在任何時候，只要需要創建新區塊，區塊鏈就會隨機選擇驗證者。所選驗證者將驗證交易，並提出新的區塊供所有驗證者同意。新區塊將由所有當前驗證者投票。投票權基於驗證者投入的質押。惡意提出無效交易或阻止或投票的任何人，即故意破壞鏈的完整性，可能會損失其權益。對於區塊本身的創建，節點不會獲得獎勵。本次交易將支付報酬。新區塊被接受後，區塊創建者可以收取交易費，作爲創建新區塊工作的獎勵。有兩種基本節點選擇選項：
從「最富裕」節點隨機獲取；
從最舊節點隨機獲取。
與 PoW 機制相比，PoS 被認爲更節能、更環保。這也被視爲更安全。惡意驗證者需要累計 50% 以上的總風險，才能接管區塊鏈網絡，因此這基本上降低了 51% 攻擊的威脅。此類算法旨在阻止攻擊者驗證虛假交易，因爲存在丟失「抵押品」的風險。
與PoW類似，基於PoS的公共區塊鏈可能無法完全實現完全去中心化。這是因爲一些富裕節點可能會壟斷網絡中的風險。 投入更多股權的用戶可以有效控制大部分投票，並有更多機會生成新區塊。 這兩種算法都受到社會和經濟問題的影響，使富人更加富有。
與鏈上解決方案的基本原理類似，以太坊社區也在積極尋找鏈下解決方案，有時也稱爲第 2 層解決方案。一種是使用 Plasma 的側鏈解決方案。與將所有交易都放在主鏈中不同，Plasma 允許任何人創建側鏈並將側鏈綁定到全球區塊鏈中。這與比特幣的照明網絡解決方案類似。
另一個是Raiden的狀態渠道解決方案，類似於比特幣中的支付渠道。這種方法背後的假設是，許多交易對手的交易只需要相關方進行驗證，無需讓所有交易都經過整個網絡的驗證。
提高可擴展性和吞吐量的一個直觀解決方案是創建許多小鏈。這可能聽起來像是一個合理的解決方案，因爲它可能適合企業和社會需求。例如，作爲客戶或公民，我們從本地雜貨店購買水果和蔬菜，這些雜貨可能利用一個區塊鏈來確保整個新鮮農產品供應鏈的可追溯性和食品安全。
購物結束後，您可以直接透過 P2P 支付區塊鏈支付雜貨。當您申請抵押貸款或企業借貸時，您或許可以透過抵押區塊鏈等方式獲得抵押貸款和借貸批准。在我們看到一個巨大的全球鏈之前，我們更有可能滿足所有這些垂直鏈或私人鏈的要求。
然而，它會產生跨鏈集成和安全執行問題。這就是 Plasma 想要解決的問題。Joseph Poon 和 Vitalik Buterin 於 2017 年 8 月首次提出。其設計理念是將交易卸載到速度更快、擁擠程度更低的側鏈，也稱爲等離子鏈。與狀態渠道方法類似，Plasma 鏈將定期將其交易提交至以太坊根鏈。
安全與誠信將透過根鏈執行。如果發現任何涉嫌欺詐的行爲，交易將被回滾，Plasma 用戶可退出等離子體鏈並移至根鏈。
下圖顯示了等離子網絡的外觀：
每個等離子鏈本身就是一個區塊鏈。它們透過智能合約與以太坊根鏈綁定。智能合約將整個子鏈與根鏈連接起來，充當橋樑。任何人都可以創建等離子鏈，並編寫智能合約，將等離子鏈綁定到根鏈。
如下圖所示，在每個週期，等離子鏈的每個區塊的區塊標頭都會提交到根鏈，並記錄在根鏈的區塊中。
血漿鏈中的交易將保留在每個血漿鏈上。隨後，區塊標頭中的默克爾證明將用於驗證子鏈上的數據。這使數以萬計的交易能夠在許多等離子鏈中並行處理，同時在根鏈上留下最少且足夠的默克爾標頭信息來增強安全性：
根鏈將扮演仲裁員角色，與美國聯邦法院體系類似，其中根鏈是最高法院，等離子鏈是巡迴法院或地區法院。在聯邦法院體系中，一旦聯邦地區法院決定了案件，該案件即可向巡迴法院或最高法院提起訴訟進行仲裁。
當在等離子鏈中發生欺詐時，無論是跨鏈的雙重支出，還是您在所有賬戶中的現金支出，任何人都可以提供欺詐證明來證明交易無效。如果證明存在欺詐交易，則交易將回滾。
等離子用戶可退出子等離子鏈，並將醚轉移回主鏈。最初的提案引入了一個驗證器概念，作爲等離子區塊鏈的運營商，用於驗證和添加交易到區塊，並管理子區塊鏈的狀態。
這種方法背後的理念是，全球區塊鏈的安全性和完整性由根鏈使用 PoW 或最有可能的混合 PoW 和 PoS 共識協議來執行。如果等離子鏈的驗證者可能持有資金並從事欺詐活動，任何人都可以向根鏈提供針對驗證者的欺詐證明。
驗證者證明存在欺詐行爲後，根鏈將允許受影響的等離子鏈中的所有賬戶遷移至根鏈。這稱爲「集體退出」場景。在這種情況下，單個賬戶將逐個遷移至根鏈，無效交易將回滾，等離子鏈的驗證者將受到其投入智能合約的質押處罰。根據需要遷移的賬戶數量，可能需要一段時間才能完成批量退出。
雖然它是以太坊研究界最有趣和最活躍的話題之一，但尚未公開發布等離子體實現。相反，最初提案的縮小版本也稱爲最小活等離子體或 MVP，旨在實現簡單的實施，其中包括簡化的安全模型和退出等離子體鏈的基本操作。
MVP 的一個非常有趣的方面是重新引入 UTXO 模型。以太坊的一個關鍵區別是，從比特幣的UTXO模式轉向更明確的賬戶模式，其中賬戶餘額是維持在世界狀態的狀態對象。
以太坊賬戶模式簡化了交易驗證和資金劃轉，同時犧牲了並行性。這可能不是重大缺點，因爲所有交易都需要由所有節點進行驗證。但對於 Plasma，隨着根鏈從交易處理轉向安全執行和仲裁，能夠並行驗證無效交易變得至關重要。
區塊鏈的樹形結構，因此是所有子鏈的UTXO樹形結構，可輕鬆應用分佈式並行算法來驗證欺詐證明，並在所有等離子鏈中強制執行安全性。
下圖顯示了當以太坊等離子子鏈樹與父等離子鏈綁定，並最終連接到以太坊根鏈並透過以太坊根鏈進行保護時，Plasma 可能能夠爲以太坊區塊鏈網絡帶來哪些影響：
將昂貴的計算卸載到子鏈，使根鏈能夠在全球範圍內爲區塊鏈提供共享安全和仲裁服務，從而實現巨大的可擴展性。Cosmos 網絡等跨鏈互操作性解決方案也很相似。Cosmos網絡自稱是區塊鏈的互聯網，提供集線器輻射集成架構。獨立區塊鏈作爲區域或輻條，作爲中心連接到主區塊鏈。其目的是透過 IBC（區塊鏈間通信）協議促進區塊鏈集成。