# 深入解析 Ethereum 的可扩展性之路

> Ethereum 的愿景是成为一条能够解决区块链不可能三角问题的区块链。这意味着它将变得更具可扩展性、更安全，同时依然保持去中心化。

作者 Shodipo Ayomide，发布于 2022年9月19日。网页版本：https://blog.shodipoayomide.com/zh/deep-dive-into-ethereum-journey-to-achieving-scalability

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Ethereum 在 2015 年成功上线之后，就迎面撞上了几个阻碍它充分发挥潜力的问题。巨大的需求导致网络拥堵、交易成本高昂，快速的增长让运行节点变得困难，而工作量证明（Proof-of-Work）共识机制也让 Ethereum 难以实现可持续发展。

为了解决这些问题，Ethereum 开始着手升级网络，并将升级分为 5 个阶段，分别是：the Merge、Surge、Verge、Purge、Splurge

![Ethereum 的 5 个阶段](https://i.ibb.co/6PK0hSM/miles.jpg)

*Ethereum 升级各个阶段的示意图 [https://twitter.com/milesdeutscher/status/1550315295402668032?t=0M6hOoA6VYZo2ehiodXoIw&s=19]*

需要注意的是，这些阶段是并行推进的，而不是按顺序依次进行。

# The Merge（合并）

The Merge 是 Ethereum 宏大扩容计划中的第一个阶段，发生在 2022 年 9 月 15 日，它标志着 Ethereum 从高耗能的工作量证明（Proof-of-Work）模型过渡到了绿色环保的权益证明（Proof-of-Stake）模型。

The Merge 发生时，实际上是把运行在 PoW 上、作为 Ethereum 执行层的主网，与作为全新 PoS 共识层的信标链（Beacon Chain）合并到了一起。现在，整个网络由质押的 ETH 来保障安全。

### 信标链（Beacon Chain）

信标链于 2020 年 12 月 1 日上线。它是一条与 PoW Ethereum 区块链并行运行的 PoS 区块链，创建它的目的是试运行权益证明的逻辑，确保这套逻辑在集成到主网之前是可靠的。如今 The Merge 已经完成，不再有两条区块链，而只有一条 PoS Ethereum 链。

### The Merge 的成果

**可持续性提升** - 对 Ethereum 的根本性重构使其能耗需求降低了 99.95%，这让 Ethereum 变得更加可持续。这次重构也让 Ethereum 具备了继续升级的可能。
**安全性增强** - 权益证明让网络参与变得更加民主化，从而带来了更高的安全水平。The Merge 让任何拥有网络连接和足够 ETH 余额的人都可以参与到网络中。Ethereum 的验证者数量比所有 PoS 区块链加起来还要多，而质押的 ETH 数量之大，让攻击 Ethereum 的成本高到几乎不可能承受。
**ETH 供应量减少** - 在 PoW 模型下，每天释放到流通中的 ETH 约为 13,000 个（挖矿奖励），而在 The Merge 之后，每天释放到流通中的 ETH 估计约为 1,600 个（质押奖励）。这使新 ETH 的发行量下降了大约 90%。此外，Ethereum 计划每天销毁大约 1,600 个 ETH。

# The Surge（激增）

在 The Surge 阶段，Ethereum 将引入分片（sharding）。分片并不是区块链世界特有的概念，它其实是计算机科学中的一个概念，指的是把一个数据库拆分成更小的部分，也就是所谓的分片（shard），以减轻主数据库的负载。

![](https://i.ibb.co/LQ0DxqF/png-20220916-164227-0000.png)

*Ethereum 分片链概览*

分片的目的，是提升交易速度，同时缓解网络拥堵。

就 Ethereum 而言，实施分片后，网络将被拆分为 64 个分片，每个分片都相当于一条迷你区块链，拥有自己的状态、账户余额和智能合约。

验证者将不再需要验证 Ethereum 网络上广播的每一笔交易，而是专注于验证自己所在分片上的新区块，之后再由一个 128 名验证者组成的委员会在主链上进行确认。

### 分片的特点

**人人都能运行节点** - 有了分片，就可以在不牺牲去中心化的前提下实现扩容，因为硬件要求降低了。由于验证者不再需要存储 Ethereum 数据库的全部数据，存储数据的成本也随之降低。

**网络参与度提升** - 由于网络被拆分成了更小的部分，分片可以带来更快的交易。这意味着交易能够被更快、更高效地处理。

### 分片链的版本

版本 1：**数据可用性** - 由于硬件要求更低，人们可以用自己的个人电脑或手机来运行 Ethereum。这降低了参与门槛，也提升了网络的安全性，因为现在任何人都可以参与进来。

版本 2：**代码执行** - 在这个版本中，分片链会增加额外的功能，使其与主网更加接近。分片链将能够执行代码、处理交易，并拥有自己独立的账户余额和智能合约集合。此外还将支持跨分片通信。
考虑到版本 1 已经带来的性能提升（即每秒 100,000 笔交易），社区目前仍在讨论是否有必要把分片链从版本 1 升级到版本 2。
最初，Ethereum 考虑在 The Merge 之前实施分片，但随着 L2 扩容方案的兴起，人们逐渐意识到，过渡到 PoS 才是更重要的事情。
没有 rollup 的 Ethereum 每秒大约能处理 15-40 笔交易（tps），单靠 rollup 能达到 1,500-4,000 tps，而当分片与 rollup 的能力结合起来时，我们可以达到大约 100,000 tps。

# The Verge（边缘）

在 The Verge 阶段，Ethereum 将引入 Verkle 树。Verkle 树是对 Merkle 树的一次强大升级。The Verge 的目标是优化存储，同时减小节点的体积。为了理解这一点，我们需要先了解什么是 Merkle 树。

### 什么是 Merkle 树

Merkle 树可以被描述为一种使用密码学哈希算法的二叉树。它能够高效地验证数据的正确性，同时降低验证过程所需的内存。Merkle 树的一大优势在于，与其他数据结构相比，它占用的空间更少。

Ethereum 目前使用的是一种叫做 Merkle Patricia 树的 Merkle 树，它提供了一种可用于存储所有键值绑定的数据结构，并且经过了密码学认证。

### 什么是 Verkle 树

![](https://i.ibb.co/wQzGKJB/Screenshot-2022-09-17-at-22-56-00.png)

*六叉 Verkle 树示意图（Vitalik.ca）*

Verkle 树与 Merkle 树非常相似，但它最重要的特性是证明大小的高效性。对于一棵拥有 10 亿个数据点的树，Merkle 树需要大约 1 KB 才能提供一个证明，而 Verkle 树只需要不到 150 字节。Verkle 树依托多项式函数，使用多项式承诺（Polynomial Commitments）来描述数据。

由于证明体积更小，Verkle 树减少了所需的复杂密码学运算，同时也为让 Ethereum 区块链变得更高效、更具可扩展性创造了机会。

# The Purge（清除）

The Purge 被视为一个清理阶段，在这个阶段中，历史数据会被移除，以缓解网络拥堵。Vitalik 表示，The Purge 的目标是减少你需要在硬盘上占用的空间，尽量简化 Ethereum，并且不再要求节点存储历史数据。

正如前面提到的，硬件要求的降低将提升去中心化程度，进而增强网络的安全性。

# The Splurge（挥霍）

Vitalik 把这个阶段称为“好玩的部分”。它的目标是在其他所有升级都完成之后，让网络运行得更加顺畅。

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# 总结

未来当 Ethereum 100% 完成时，它看起来会像是由 L2 区块链、数据可用性协议和侧链聚合而成的整体。Ethereum 的未来一片光明，我对此感到非常兴奋。