以太坊是用户和开发者最喜欢的区块链之一， TVL在 DeFi和 NFT上的投资总额已经达到了550多亿。但是，这样高的使用率也给以太坊网络造成了严重的问题，特别是它的扩展性，当前的网络平均每秒能处理13.5次业务，同时维持着理想的分散化水平。

近年来，以太坊的扩展性发展出了许多新的方式，现在也在进行更多的探索。这些解决方法包括状态通道、普罗米斯、威利迪姆、鲁普斯和侧链。

尽管他们可以归入不同的范畴，但是他们其实并没有很大的区别。有些基本想法实质上是一样的，而且往往基于先前的想法。

以太坊扩容解决方案

以太坊扩展解决方案的示例。（侧链可以扩展以太坊，但不能从以太坊的安全性中受益）

状态通道

状态通道是最早和最容易扩展以太坊的方式。其核心理念是在链下进行事务的处理，并且仅将最后的结果返回到主要的网络中。这将会降低对主要网络的不必要的中间业务，并因此降低了网络的可能阻塞。

状态通道用户流。以太坊交易的数量可以减少到 2 笔——打开和关闭通道。

下面是如何在后台进行链下交易的。设想两个客户 A和 B要把钱转到他们中间。A给 B 10块， B给 A 5块， A给 B,20块给 B。如果 A同意 A在一次交易中给 B总计10-5+20=25，而不是把这3个交易单独地发送给 B。

为了总结这种思路，一群人可以开启一个状态信道，把钱锁在主网的多个签署的智能合同里。他们可以在他们中间完成链下的交易，只有当他们同意解除货币和关闭通道之后，他们才会把最后的状态更新到以太坊。

状态信道主要是在双方同意对方的行为时使用的微型交易和付款。由于没有足够的扩展来支持智能合同，因此dApp往往包括很多终端用户，这就使双方的协议变得更为复杂。

人们经常可以通过以太坊或者状态信道来进行智能合同 dApp的互动，从而在每一个网络中创造出不同的事实。

Plasma会定期向以太坊发行 Merkle root状态哈希。所有的状态更新将被认为是有效的，直到某人提供了虚假的证据和对它的有效性提出疑问。

Plasma链仅仅是一条独立的区块链，由操作者操作，定期向以太坊网络存储检查点。这些检查点作为 Merkle root哈希来增加 gas的效率。这就意味着，当使用以太坊级别来检验 Plasma链的状态更新是否正确时，所有的事务计算都可以被卸载到 Plasma链上。

为保证正确的状态变换， Plasma使用了一个防欺骗的机制。每一转变都被视为是对的，除非某人在这一时期内对此提出异议（提供证明证明这一转变是无效的）。任何错误的状态变换都会被抛弃，而新的转变会基于之前的正确的转变。

Plasma的工作性能一般。但是，其中一个问题是，如果操作员不能正常工作或者有恶意的话。如果操作者不再提供业务信息，就没有人可以产生一个证明来取消状态转换。所以，如果操作者的恶意操作，比如从其他账户偷钱，那么最终将会被主要网络所接纳。

在本例中，对所有用户执行一个“大规模退出”计划，以便在 Plasma生态系统中使用最新的有效状态。然而，所有的状态数据都会被转移到以太坊，从而导致网络拥挤。

另外，非 EVM的兼容性也是一个问题。通用智能合同没有一个清晰的所有权结构，也就是说，每个人都可以在这种状态转变中获得进步，使得合同不能离开。

Validium将 Merkle的 root状态哈希和 ZK证书作为一个检查点，在 Ethernet上发行。利用 ZK证明对状态的更新进行了验证。

Validium也在自己的区块链上运行，向以太坊发布 Merkle root状态哈希，这与 Plasma相似。两者之间最大的差异是状态更新确认机制。Plasma依靠的是防伪机制，而 Validium则是通过 ZK （ZK）来验证，比如ZK-SNARK和ZK-STARKs。

ZK验证是将产生的计算与状态更新一并提交给以太坊，以保证状态转换的有效性。虽然 ZK证明的复杂的产生过程可以在链下进行，但是链上的验证是非常简单的。这样， Validium就能在更新了以太坊的状态和证书之后，就能立刻做出决定。

但是，由于其加密算法的复杂性，使得 ZK和 EVM的字节码之间存在着一定的兼容性。所以，目前的 Validium应用只能用于一些简单的操作，比如一个代币传送，只需要简单的加法和减法。

数据的可用性依然是 EVM不兼容的问题。Validium依然依靠 DAC （DAC）链下的数据存储，以保证业务数据总是能被重构成一个完全的区块链。但这又给安全模式添加了一种新的信任，这是因为，即便对方是分散的，也要相信对方总是有效的。

Rollup发行状态根和压缩事务信息（ZK Rollup中的 ZK证明）。

Rollup解决了数据的可用性问题。他们可以被看作是下一代 Plasma和 Validium。除了状态更新（ZK Rollup的 ZK认证）以外，以以太坊中的 calldata形式发布了交易信息。这就意味着，只要将所有的 calldata都提交到以太坊，就可以重新构建目前的区块链状态。所以，我们不必再依靠 DAC等第三方来储存状态树。

有两种主要的 Rollup：最优 Rollup和 ZK Rollup。

Optimistic Rollup

与 Plasma链相似， Optimistic rollups在遇到挑战之前，它会认为状态转变是有效的。任何人都可以质疑和宣称，在以太坊的“验证协议”中，使用了一个“验证协议”，并宣称该系统的状态更新是错误的。

有许多防止欺骗的手段：

Optimism通过一次交互来证明以太坊在一个链条上进行所有的L2事务的验证。这个办法能立刻预防诈骗，但是会造成巨大的 gas计算费用。

Arbitrum通过多个循环进行反欺骗，对“操作码”进行二进制搜索，以找到一个无效的过渡状态更新。在这个链条上只有一个运算代码，这就意味着需要更少的 gas。

最后，反诈骗可以保证在不信任外界的情况下，以太坊上的发行状态是高效和完全可重构的。Optimistic rollups还与 EVM兼容，这就意味着可以很容易地将所有 dApp移植到以太坊上，而不需要修改任何代码。这就使 Optimistic Rollup成为了一种以太坊的扩展方案。

ZK Rollup

ZK rollup就是 Validium与数据可用性的结合体。这个链会定期地将其散列状态和已压缩的事务资料提交到以太坊，并且通过有效性证明来确认状态的转变。

和 Validium一样， ZK Rollup在 EVM中并不能很好的兼容 EVM，这是因为要在一个完整的 EVM环境中产生一个证明，这将花费几个小时。采用 EVM或者ZK-EVM来实现 ZK rollup的项目是在 EVM兼容与性能之间进行权衡。实际上， Vitalik把ZK-EVM分成4种，分别是与 EVM相当的 EVM和部分兼容性 EVM。

不同类型的 ZK-EVM

目前，仅有 Type 4 （如 zkSync和 Warp）和类型3 （如 Scroll和 Polygon Hermez)，这是一种有效的方式，因为在利用 ZK证明时， EVM的作用需要更多的灵活性。不过，随着以太坊对ZK-SNARK的使用越来越广泛，研发也越来越多，我们可以预见， Type 2和 Type 1ZK-EVM将会越来越普及。

侧链

侧链是一个独立的区块链，它有自己的区块参数和一致的机制。他们能和以太坊之间的双向桥进行通讯。但是，不像其它的扩展方案，侧链不向以太坊公布任何事务或状态数据；所以，请不要继承以太坊的安全。

因为侧链具有自身的数据块参数，所以他们可以很容易地支持比以太坊更高的吞吐量，比如，缩短数据块的时间或者增大数据块的尺寸。

但是，为了达到这些目的，他们会以安全和分散为代价，比如拥有一个中央验证程序或者需要高端的计算机硬件。因为以太坊的远景目标是分散和安全，所以侧链并没有成为 EthernetFoundation的主要目标，虽然他们被视为降低以太坊业务最有效的方式。

扩展解决方案的未来

过去的扩展解决办法是不断改进的，它解决了之前的扩展设计中的一些重要问题，比如状态转换的确认和数据的可用性。在目前的情况下， rollup被视为最高级的扩展以太坊的安全和 EVM兼容来满足一般应用。但是，在 Rollup上还有很多可以提高的地方，以便进一步提高安全性、去中心化和可伸缩性：

分散的 Rollup排序程序- Rollup能够使用 PoS一样的方法来挑选排序程序，从而减少中央化和审核的危险。

Rollup间的直接通讯渠道- Rollup间的桥接和消息传输不需要以太坊为中介，可以提高用户的使用体验，减少交易费用。

尽管类似 Rollup的链下扩展方案能够实现多种扩展， Ethernet也有其自身的打算，即通过 ETH升级来实现底层的扩展。以太坊切片是一个具有里程碑意义的更新，它可以通过整合 Rollup来提高以太坊的扩展性。

切片是 Rollup的数据可用性的一层，64个 Ethernet2.0区块链中的一部分可以作为 Rollup的“数据仓库”来将哈希根分发到 Rollup上。理论上，切片和 Rollup可以使以太坊的生产能力达到100,000 TPS。

代码可以被分割，其它的区块链可以运行 EVM的字节码和 Ethernet之类的智能合同。但是，这种实施的实际需求还有待确定，因为以前的分片链利用所带来的巨大的吞吐量。

有了充足的扩展性，以太坊能够为目前正在使用的诸如 Visa之类的web2服务提供高的业务吞吐量。在金融方面，这是一个重大的步骤。

最后，

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