在过去几年里，区块链空间的需求一直在大幅增长，特别是随着DeFi应用程序的兴起和NFT市场在2021年的突然爆炸式增长。
因此，gas费用——用户为以太坊交易支付的成本——也大幅增加。2021年11月，以太坊的基本转账费用约为5美元，而DeFi交易(例如Uniswap)的费用可能超过100美元。对于普通用户来说，这些高成本可能非常令人沮丧，这也解释了为什么许多吞吐量更高、费用更低的区块链在最近几个月受到关注，例如Solana、Cardano或Binance Smart Chain。
为了适应不断增长的需求，扩大规模是必要的。扩展仅仅意味着提供更多的每秒交易(TPS)。区块链有两种方式可以做到这一点。
第一种方法是要么增加区块大小，要么减少区块之间的时间，或者两者兼得。这是Binance和Solana等高TPS区块链采用的解决方案。可以将交易数据看作是道路上的车辆，而节点则是检查点。检查站每小时只能处理这么多车。如果你想处理更多的流量，就需要建立更大的检查点。
用区块链术语来说，这意味着需要更强大的硬件来让节点处理交易，需要更多的磁盘空间来存储数据。当增加节点需求时，在某些时候会将普通的个体排除，最终只有几十个节点由企业实体运行。换句话说，你中心化了，这意味着你失去了审查阻力和安全性。
以太坊的安全模型依赖于个人电脑上运行的数万或数十万个节点。BTC的模式也是如此。对运行一个节点的低要求意味着更多的参与者：每个人都可以以很小的成本完成它。这种模式非常抵触审查制度：要强迫遍布全球的一万个人要比强迫十几个私人公司要困难得多。
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去中心化模型也更能抵抗技术故障。最近，Solana经历了大约17个小时的中断。相比之下，去年夏天导致以太坊链暂时分裂的漏洞并没有导致网络离线，而是导致一些交易停滞。
为了避免危及安全或去中心化，可以遵循另一条扩展路径：第二层解决方案。第二层是运行在区块链基本网络之上的较小的网络，减轻了区块链的一些工作。
以太坊的扩展路径是开发一种称为Rollup的第二层(L2)解决方案。Rollup将交易的计算部分从基础(或L1)层移开，但在安全性方面依赖于L1。因此，Rollup可以每秒执行更多的交易，同时仍然保持以太坊的共识和安全模型。
那么Rollup是如何工作的呢? Rollup是由强大节点组成的小型网络，可以非常快速地执行交易，并且只使用基础层发布交易数据的压缩版本。回到我们的道路类比，想象一下高速地铁把乘客从城市的一个地方带到另一个地方。更快的运输时间，更少的个人汽车，因此更少的拥挤道路。这个类比的突破是，Rollup比地铁好得多：它们就像地铁，你可以坐上任何地方，直接去你想去的地方。神奇的地铁！
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Rollup可以在L2网络中使用很少的节点，有时甚至只有一个节点。为什么?因为他们依赖L1达成共识和安全。换句话说，具有数十万节点的基础层仍然是决定Rollup是否诚实的层。
这个扩展路径专门用于每个层。基础层成为共识层和安全层。第二层是执行层。因此，基础层可以保持去中心化，而第二层可以提供更快的交易执行，因此每秒有更多的交易。由于以太坊是一个智能合约链，执行是主要的瓶颈。
总而言之，Rollup接收一批交易，在自己的机器上执行它们，并向基础层发送一些数据以更新其状态。然后继续下一批，以此类推。
有两种类型的Rollup，取决于它们如何在基础层上发布数据。
Optimistic Rollup压缩每个交易数据(按10倍左右)，并将该数据连同交易执行的结果发布到基础层。例如，由于执行智能合约而导致的账户余额变化。
Optimistic Rollup是“相信我!””类型。他们不会试图证明自己是诚实的。然而，如果有人不同意他们公布的结果，他们可以通过质押一些以太并发布欺诈证明来挑战Rollup。在基础层运行的一组智能合约将决定谁是对的，而被证明是错的一方将被削减其份额。
由于这种机制，Optimistic Rollup允许在每次发布后预定的“挑战”时间，通常是一周左右。实际上，这意味着将资金从基础层转移到Optimistic Rollup的用户可能要等几天才能取出资金。
这显然是一个痛点，但它正在由第三方解决，这些第三方可以保证立即获得Optimistic Rollup结果，并因此允许立即提取。事情仍在快速发展，所以我预计这个问题将在不久的将来得到解决。
Optimistic Rollup的主要吸引力在于其对开发人员的简单性。它们可以与以太坊的虚拟机完全兼容，因此只需很少或无需修改即可运行现有的智能合约。这使得像Arbitrum这样的公司可以在2021年推出一个完整的应用生态系统，其中包括从Aave到Uniswap等第三方的应用。
Optimism是今年推出的另一个大的乐观汇总，也支持一堆去中心化的应用程序和钱包。
第二种类型的Rollup是ZKRollup。ZK代表零知识。它是密码学的一个高级分支，目的是在不透露内容的情况下证明某些东西是正确的。ZK Rollup不会将每个交易的数据发布到基础层。相反，他们发布一个加密证明——称为有效性证明——表明Rollup的新状态确实是处理的一批交易的结果。
生成有效性证明需要复杂的计算，但结果非常小，而且很容易被基础层的规则节点“检查”。这意味着，与Optimistic Rollup不同，对一批交易不存在“等待时间”。如果有效性证明是正确的，那么它将在基础层上被接受，并继续进行Rollup。特别是，用户可以毫不延迟地从Rollup中提取资金到基础层。
另一方面，由于其数学复杂性，ZK Rollup往往比Optimistic Rollup更具应用程序特定性。在 ZK rollup 上部署特定的 DeFi 应用程序比在乐观的应用程序上部署需要更多的工作。至少在目前，ZK Rollup并不提供所有智能合约的通用解决方案。
那么，这一切对以太坊的终端用户有什么影响呢? Rollup为用户提供了更快、更便宜的体验。更便宜是因为来自第1层的费用分摊到许多交易中，更快是因为Rollup可以在将当前批量处理发布到基层之前保证交易的结果。
这就是为什么使用这两种Rollup的应用程序在过去几个月里的活动显著增加的原因。例如，Arbitrum的总锁定价值(TLV)从2021年9月初的6000万美元上升到两个月后的26亿美元!
展望未来，以太坊可扩展性路径的另一个组件是分片。分片是将验证任务拆分为多个节点子集的过程，每个子集只验证部分交易。这个过程将允许同时验证更多的交易，而不会增加对单个节点的需求，但是要在不损害安全性的情况下正确实现是很复杂的。基本上，这是区块链的并行处理。
以太坊预计在权益证明之后的2023年左右实现64分片解决方案。这将使基础层的可用数据成倍增加，从而提供更多的空间供Rollup使用，从而进一步扩展以太坊!
换句话说，分片和Rollup的效果被设计成相互叠加，推动以太坊进入非常高的TPS领域:理论上，在每秒10,000到100,000个交易之间。当然，这依赖于合并(转移到权益证明)和分片的发生没有任何重大问题。目前这只是一条路，但很有希望。
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