比特币和以太坊如何扩展？

与传统支付工具（VISA、支付宝等）相比，比特币和以太坊的交易处理速度并不快。因此，需要扩展比特币和以太坊。那么，如何解决这个问题呢？

一、事务处理速度：

比特币的交易速度=7 tps（Transactions Per Second，每秒7笔交易），远低于Visa的2000 tps。计算公式如下：

1024000(1M)/250B(交易的基本大小)/600s(10分钟)=6.6 tps

比特币每秒可以处理的交易量受两个因素的限制：

1.出块速度（比特币的平均出块间隔为10分钟，是难度系数和全网算力共同作用的动态结果。）

2.块大小限制（现在默认为1MB，segwit（隔离验证）升级后，实际块大小将升级为1.8M）。

以太坊的交易处理速度约为每秒 15 笔交易，仍远低于 VISA 的处理速度。

二、可扩展性低的原因

比特币和以太坊都是公链。公链的共识机制是其核心。在共识机制的要求下比特币出块速度，有核心限制：每笔交易都必须经过网络中各个节点的确认，各个节点必须同步各个区块的信息。

在这种情况下，如果出块时间大大减少，分叉、算力攻击等的可能性就会大大增加。如果区块容量增加，传播和验证时间会变长，验证会造成延迟；容量数据会大幅增加，对硬件要求更高，算力会进一步集中，这也违背了去中心化的初衷。

三、试试解决办法

比特币试图扩大区块大小，并经历了一次硬分叉，导致了 BCH 的出现。以太坊正在试验状态通道、分片、侧链、Layer 2、以太坊2.0（修改后的共识机制）等。

四、各种方案的原理、优势及存在的问题

(一）增加方块

原理：通过增加区块容量的大小，可以同时记录更多的交易。类似的城市道路已经从两车道扩大到四车道和八车道。

好处：可以在短期内提高交易确认的速度，每个区块可以容纳更多的交易记录，因此可以更快地记录人发起的交易。

缺点：

1.大块传播速度变慢，验证速度变慢，导致频繁重组，增加双花攻击概率。

2. 大块导致存储容量大幅增加，成本增加，节点可能减少，这往往会导致中心化并影响安全性。

状态：硬分叉，BCH 占用大块。

(二）减少出块时间

原理：减少出块时间意味着矿工可以同时打包更多的块并记录更多的交易。类似于缩短城市道路红绿灯的红灯时间，可以让车流更快通过。

好处：可以在短期内增加交易确认的次数，在固定的时间内可以打包更多的区块，更快地记录人发起的交易。

缺点：

1.如果出块时间大大减少，由于全网验证时间的延迟，并行出块的可能性会迅速增加，分叉的可能性会增加。

2.网络分叉的大幅增加，降低了双花攻击的门槛，降低了网络安全性。

状态：未实施。

(三）压缩交易（隔离见证）

原理：压缩交易大小，从而增加每个区块可记录的交易数量。隔离见证方案将比特币交易数据分为交易信息和签名信息。交易信息打包进区块，签名信息不进区块。

好处：升级后，比特币区块大小增加了，相当于空间翻了一番。

缺点：

1、扩容有限，仍然难以满足大量转账的需求。

2、计算节点需要存储的数据量也显着增加。

状态：2017年7月21日，全球比特币矿工开始实施基于BIP91提出的“隔离见证=SegWit”方案的升级。 Segregated Witness 被设计为 1M 的基础块和 3M 的见证块，这使得块变成 4M。

(四）改变共识机制

原理：目前比特币和以太坊的共识机制均采用POW模式。矿工需要计算出满足一定条件的值才能打包区块；并且该区块需要在全网广播进行验证。如果采用其他共识机制（POS/DPOS等），改变出块规则，可以处理大量交易。

好处：修改后可以从根本上改变出块规则，朝着有利于交易量增加的方向进行修改。

缺点：

1.无论怎么变，共识算法仍然是分布式算法，需要多个节点达成一致，处理的上限是单机处理能力的上限。

2.共识机制是加密货币的核心，涉及加密货币的整体逻辑。如果发生变化，比特币和以太坊的底层逻辑将发生重大变化，其难度不亚于重建一个新的加密货币系统。 ，需要综合考虑老区块的继承、安全、后续开发等问题。

状态：Casper 项目致力于将以太坊主网的共识算法从 POW 改为 POS。从 2014 年就提出来了。在过去的四年里，以太坊开发者们讨论了协议实现中需要克服的各种问题（比如远程攻击，进行了大量的技术尝试。

(五）分片

原理：以太坊的扩容方式之一是链上扩容技术，旨在增加协议基础层的容量。分片就是将块中的数据分成许多不同的“段”，存储在各个节点中，降低了各个节点的数据存储容量，提高了系统的验证速度。

好处：分片后比特币出块速度，数据被分片存储在不同的分片中。减少了每个分片中需要认证的信息，提高了容量和速度。

缺点：如何处理跨区域交易？如何保证各个区域的去中心化？区域是怎么划分的？区域如何同步？

现状：技术发展面临诸多困难，仍在研发中。

(六）状态通道

原理：状态通道是一种链下扩展方案，是支付通道的总称。稳定交易双方的交易数据记录在链下，只有最终结果返回链上，作为结算层存在。

好处：

1.长期合作关系的两方之间的小额和小额支付都可以通过这种方式实现。

2.可以在链下进行大量小额支付。

缺点：

1.零星交易很难申请。

2.通道不能用于向未参与的人发送链下资金。

3.通道不能用于表示没有明确逻辑所有者的对象。

4.当渠道用于做比简单的定期付款更复杂的事情时，需要锁定大量资金。

状态：应用该技术的项目：比特币闪电网络、以太坊闪电网络。现阶段大部分人使用比特币、以太坊等作为投资产品，而不是日常交易支付，相关渠道使用不好。

(七）侧链

原理：侧链就像一条路径，将不同的区块链相互连接起来，实现区块链的扩展。侧链独立于区块链，受主链智能合约规则限制。

好处：可以构建无数侧链，大大提高速度。

缺点：核心问题是从侧链检索资产时的安全问题。侧链将欺诈索赔和争议解决逻辑编程到第 1 层的存款/取款合约中。用户必须不断在线监控以太坊上的第 1 层合约，以阻止/惩罚威胁其资产的恶意取款。用户还必须存储提交争议所需的数据。

(八）等离子

原理：以太坊的链下扩容方案是一种侧链。 Plasma 中的每个子链都可以处理和维护自己的转账记录。它使用特定的技术来实现“主链”和“子链”之间的连接。主链维护其安全性。主链只需要在子链上有争议。仅在交易处理时进行验证计算，提高交易处理的速度和效率。

优点：可以将资产发送给从未参与过系统的参与者，并且资本要求要低得多。

缺点：

1.Plasma 的数据没有提交到链上，所以在 Plasma 上提取资产的周期大约是一周（争议期）。如果在争议过程中没有人提交欺诈证明，那么资产只有这样才能安全退出主链。

2.plasma 目前很难实现智能合约，因为智能合约的代码和状态太多，很难达成所有合约用户都同意将合约和状态迁移到主链上。

状态：这个方案最终没有被采用，已经针对两层乐观汇总进行了优化。

(九）第二层（具体来说，Optimistic Rollup 和 ZK rollup）

原理：两层扩展方案，复杂的计算和证明生成在链下进行，证明在链上进行验证并存储部分数据，保证数据的可用性。数据可用性允许任何人根据存储在链上的交易数据恢复账户的全局状态，从而消除数据可用性带来的安全风险。

两者的主要区别

optimistic rollup 和 ZK rollup 是他们使用不同的数据证明方法。

1.乐观汇总，使用欺诈证明：子链上的交易结果不直接生成相关证明访问主链，子链只向主链上报结果。如果有人发现结果错误，他们可以向链发布计算错误的证明。合同将验证证明并对结果进行更正。

2.ZK rollup，使用零知识证明：子链使用ZK-SNARK技术生成自己交易的加密证明，证明状态根是子链上执行交易的正确结果-链。无论计算量如何，都可以在链上快速验证证明。

优点：

1.两种方式生成的证明都很小，验证时间很快，而且不会随着交易次数的增加而变大，可以大大提高TPS。

2. 在 ZK rollup 中，Layer 2 上的执行与 Layer 1 上的数据更新同步。rollup 要求用户需要退出的所有数据都在 Layer 1 上可用。只要状态为 on Layer 2 发生变化，rollup 算子会在 Layer-1 上披露导致状态变化的交易数据。

问题：

1. Optimistic rollup模式下，子链信息不直接上传到主链，风险很大。

2. ZK rollup方式，零知识证明技术开发难度大，计算量大；而ZK的编程方式比较复杂，如果想和DAPP联动，需要按照其规则重写代码，增加应用难度。

发展趋势：

目前这两种技术都在研发中，每个DAPP也有自己的选择。短期来看，Optimistic rollup 有机会；中长期来看，ZK rollup 会随着 ZK-SNARK 技术的提升而逐渐胜出。 ​​​​​​​​​​