以太坊擴容

以太坊就像任何無需許可的區塊鏈一樣，有三個基本目標：去中心化、安全性與可擴展性。但問題在於：改善其中一項，往往意味著犧牲另一項。這就是 Vitalik Buterin 所說的 擴容三難。

我們把它拆開來看：

去中心化

去中心化讓以太坊具備抗審查性，而且免信任。任何人都能執行節點、驗證交易並參與網路，不需要任何中央機構的許可。

安全性

安全性確保以太坊能抵禦攻擊。交易必須不可逆轉，智能合約必須不可變更，惡意行為者也不該有任何簡單的方法操縱系統。

可擴展性

可擴展性讓網路能處理每秒數千甚至數百萬筆交易（transactions per second，TPS），使它真正能在全球普及。

挑戰在於，像以太坊這樣的傳統區塊鏈，在設計上是以犧牲可擴展性為代價，換取完全的去中心化與安全性。每一筆交易都由所有節點處理，這確保了正確性，卻也造成瓶頸。

為什麼不能直接提高吞吐量？如果我們試著把區塊變大（好容納更多交易）來加快速度，能執行完整節點的人就會變少，因為硬體需求會變得太高。這可能把以太坊推向中心化，讓網路只由少數幾個實力雄厚的實體掌控——這正是我們想要避免的。

其他區塊鏈，例如 Solana，採取了不同的做法。它們針對速度與可擴展性做了最佳化，代價是犧牲去中心化，執行節點需要更強大的硬體。以太坊拒絕在去中心化上妥協，讓擴容的挑戰變得更加困難。

隨合併引進的權益證明，取代了耗能龐大的工作量證明系統。這不只大幅降低了以太坊的能源用量，也削弱了那些負擔得起大規模挖礦設備的大型參與者的主導地位。雖然質押帶來了新的中心化風險，但它仍是朝向更容易參與、更有效率的網路邁出的一步。不過，權益證明也帶來了新的挑戰，例如大型質押池造成的中心化風險。流動性質押方案讓質押的 ETH 保持可用，卻也把控制權集中在少數幾個平台手上。如何找到適當的平衡，仍在持續摸索中。

對以太坊使用者來說，最令人沮喪的經驗之一就是高昂的 gas 費用：交易成本會隨著網路需求劇烈波動。這是怎麼發生的？為什麼尖峰時段的手續費會這麼貴？

以太坊交易需要 gas，這是一種衡量執行轉帳或與智能合約互動等操作所需運算量的單位。操作越複雜，需要的 gas 就越多。每個區塊能容納的 gas 有限，因此大家會競爭區塊空間（block space）。需求高的時候，使用者互相出價競爭，手續費就跟著被推高。

我們已經看過這種情況以戲劇化的方式上演：

CryptoKitties 熱潮（2017 年）

這是以太坊極限的第一次真正考驗。一款讓使用者繁殖、交易數位貓咪的簡單遊戲，把網路塞得水洩不通，交易時間慢如牛步，gas 費用飆漲。

DeFi Summer（2020 年）

Uniswap 與 Compound 這類去中心化金融（DeFi）應用的爆發，為以太坊帶來了龐大的活動量。交易者爭先恐後地送出交易，有時為了在記憶池中取得優先權，要付出數百美元的 gas 費用。

NFT 熱潮（2021 年）

非同質化代幣（NFT）的發售變成了 gas 競價戰（gas war），人們付出數千美元，只為了搶在別人之前鑄造一件新的數位收藏品。有些交易即使使用者在 gas 上花了驚人的金額，仍然失敗。

以太坊的第一層當初並不是設計來有效率地應付這種程度的需求。不過，2021 年引進的 EIP-1559 改變了手續費的運作方式：它引進了可變的區塊大小與新的 gas 定價機制，減少了網路活動頻繁時 gas 費用的暴漲。L2 方案日益普及，讓以太坊能把相當一部分的運算負擔卸載出去，進一步降低了 gas 費用。最近推出的 EIP-4844（proto-danksharding）則大幅降低了手續費，特別是 L2 rollup 的手續費，讓使用者更負擔得起以太坊交易。儘管有這些改進，以太坊的交易成本仍高於大多數其他區塊鏈（見圖 16-1）。

以太坊不只是用來交易；它是一台全域狀態機，持續追蹤帳戶餘額、智能合約資料、DeFi 部位、NFT 以及其他鏈上活動。傳統資料庫可以封存或刪除舊紀錄，以太坊則不同，它在設計上就要保留完整的歷史，以確保透明度與可驗證性。問題在哪？隨著以太坊成長，它需要儲存的資料越來越多，儲存的負擔也越來越重。

目前，以太坊狀態的大小——基本上就是所有活躍帳戶、合約餘額與儲存槽（storage slot）的集合——正以驚人的速度成長。每個新的智能合約都會讓狀態增加，每一筆交易也都會修改它。完整節點在驗證網路完整性上扮演關鍵角色，必須儲存並持續更新這些資料。隨著狀態成長，個人要在沒有昂貴硬體的情況下執行完整節點會越來越困難，引發了對去中心化的擔憂。

封存節點面臨的挑戰更大。這些節點不只儲存目前的狀態，還儲存以太坊完整的歷史紀錄，包括過去的每一筆交易與每一次合約執行。這些資料的總量高達數 TB，需要可觀的儲存容量與頻寬。有能力執行這類節點的人越來越少，也讓人不禁要問：以後由誰來保存以太坊的長期歷史？

在以太坊的權益證明系統中負責提議區塊、對區塊進行見證投票（attestation）的驗證者，也感受到狀態成長的壓力。為了有效率地驗證交易，他們需要快速存取最新的區塊鏈狀態。但隨著狀態擴大，存取與處理這些資訊會變得更慢、更昂貴。如果放任這個趨勢不管，我們可能會造成只有擁有高階硬體的人才能參與驗證的環境，把以太坊推向中心化。

以太坊開發者已經探討過抑制狀態膨脹（state bloat）的方案，包括歷史過期（history expiry）與狀態租金（state rent），我們會在本章稍後的「擴容第一層」一節詳細討論。

客戶端多樣性（client diversity）也有幫助。雖然 Geth 一直是最主要的以太坊客戶端（見圖 16-2），但 Nethermind、Erigon 與 Besu 等替代客戶端都導入了提升儲存效率的最佳化。例如，Erigon 專精於更有效率地處理歷史資料，減輕完整節點的負擔。

即使以太坊能處理更高的交易吞吐量，還有另一個根本的瓶頸：新區塊在網路中傳播所需的時間。驗證者一產生新區塊，這個區塊就必須廣播給全世界數以千計的其他節點。區塊越大，傳播所需的時間就越長；而時間拖得越長，網路出現分歧、甚至暫時分叉（網路的不同部分短暫地各走各的路）的機率就越高。

權益證明有助於降低這些風險，但區塊傳播的延遲仍會影響效能。各客戶端團隊一直在做網路最佳化來加快傳播速度，但隨著以太坊擴容，這仍是我們要持續改善的挑戰。

還有另一個潛伏在表面之下的問題：MEV。雖然以太坊已經轉換到權益證明，「礦工可提取價值」（miner extractable value）這個名稱卻沿用了下來。如今更精確的叫法是最大可提取價值（maximal extractable value），指的是驗證者與搜尋者（searcher）藉由策略性地重新排序、納入或排除區塊中的交易所能賺取的利潤。

MEV 之所以會出現，是因為交易不一定會按照送出的順序處理。驗證者可以依自己的獲利動機決定交易的優先順序。這讓手法老練的參與者有機會以損害一般使用者的方式提取價值。高頻交易機器人會掃描記憶池（以太坊中尚未被納入區塊的交易的等候室），尋找有利可圖的機會。例如，如果有人在 Uniswap 這類去中心化交易所（DEX）上送出一筆大額交易，機器人就能搶在他前面，先買進資產，再以更高的價格賣回給他。這就是所謂的三明治攻擊，它是搶先交易的一種形式，也是最惡名昭彰的 MEV 形式之一。

一種已經運作多年的緩解方案是 MEV-Boost，這是 Flashbots 開發的協議，讓 MEV 更民主、更透明。不過，長期的解決之道是更根本的重新設計：在協議中原生實作提議者與建構者分離（proposer-builder separation，PBS）。我們會在下一節更詳細地探討這些解決方案。

擴容以太坊的基礎層，也就是第一層，是我們從第一天起就面對的最艱難挑戰之一。現實是，沒有任何單一解法能解決所有問題；擴容並不是一個按下去就搞定的開關，而是一個長期的過程：結合各種最佳化，在不犧牲去中心化或安全性的前提下，逐步讓以太坊更有效率。雖然 L2 rollup 是處理大部分交易的最佳選擇，改善以太坊的基礎層仍然很重要。如果能在 L1 提高吞吐量與效率，rollup 就會變得更強大，gas 費用會下降，以太坊也能在不走向中心化的情況下保持競爭力。我們來逐一看看改善以太坊基礎層的幾種核心方法。

以太坊在可擴展性、交易吞吐量（以 TPS 衡量）與高昂手續費上一直面臨挑戰。為了解決這些問題，rollup 的概念應運而生。

rollup 是一種機制：在專屬的 L2 上「鏈外」執行交易，再把彙總（「捲起來」的）資料或證明發布回 L1 區塊鏈。由於繁重的運算與狀態更新都在 L1 之外進行，區塊鏈得以避開它慣有的吞吐量瓶頸，進而加快交易速度、降低手續費。實際上，rollup 自己的執行環境更有效率地處理了簽章檢查、合約執行與狀態轉換，而 L1 仍是具有權威性的「結算層」。

rollup 的目標是盡可能保留 L1 的安全性。它的安全目標包括確保資料可用性、驗證狀態轉換的正確性，以及提供抗審查性。資料可用性要求所有交易與狀態資訊都可以取得，這樣一旦發生爭議，參與者就能依靠發布到 L1（或由 L1 保證）的資料，獨立驗證鏈的狀態，或安全地提領資金。狀態轉換的完整性確保 L2 上的變更符合網路規則，通常是透過有效性證明（例如零知識證明（zero-knowledge proof））或詐欺證明來達成。最後，抗審查性保證沒有任何單一實體或一小群參與者能無限期地阻擋或扣住使用者的交易。

rollup 仰賴部署在 L1 上的一個專門智能合約，由它維護所有 L2 帳戶的主鏈狀態（canonical state）。這個合約儲存代表目前 L2 狀態的根（通常是默克爾根），接受由指定參與者（有時稱為排序器、聚合者（aggregator）或營運者）提交的新交易批次，並驗證這些批次的有效性。依 rollup 的類型不同，它可能會檢查零知識證明或處理詐欺證明，以確保狀態更新是合法的。一旦偵測到違規（例如詐欺證明成功），合約就能回復無效的批次。

任何符合 rollup 要求的人（例如質押了保證金（bond）），都可以向智能合約提交 L2 交易的狀態更新。但實際情況並非總是如此。事實上，到目前為止，交易量與總鎖倉價值（total value locked）最高的 rollup，大多在排序器這一層是中心化的。雖然有些 rollup 已經達成去中心化，但對大多數 rollup 來說，那仍是最終目標。每次狀態更新都包含前一個狀態根（以表明連續性）、新提議的狀態根（反映所提交交易的結果），以及壓縮過的交易資料或指向這些資料的參照。如果符合 rollup 的規則（對樂觀 rollup 來說，還要沒有出現有效的挑戰），合約就會把它儲存的狀態根更新為新的狀態根，使其成為 L2 的主鏈狀態。

不同的 rollup 以不同的方式處理詐欺或無效的狀態更新。樂觀 rollup 預設新的狀態更新是正確的，但會提供一段挑戰期（challenge window）（通常長達數天），讓任何人都能提交詐欺證明。如果證明經過驗證，無效的狀態更新就會被撤銷，惡意提交者的質押也會被罰沒（slashing）。另一方面，零知識 rollup 要求每個新的狀態根都要附上零知識證明。由於這個證明是在鏈上驗證的，鏈能立即知道更新是否有效；只要證明正確，就不需要漫長的 challenge period。

樂觀 rollup 與 ZK rollup 並不是僅有的擴容方案；它們只是目前被採用的兩種主要方案，未來情況可能會改變。我們會分析其他的擴容方案：對於那些較舊、現在已不太可能再受到重視的方案，只會簡要介紹；對於那些即將登場、前景看好的方案，則會更深入地探討。

Danksharding 是以太坊最新的分片做法，比早期的設計簡化了許多。

以太坊近期的分片提案（包括 danksharding 與 proto-danksharding）與大多數其他分片方案的一個關鍵差異，在於以太坊以 rollup 為中心的策略。以太坊的分片並不是直接擴大交易容量，而是著重於為核心協議不加以解讀的大型資料「blob」提供更多空間。（至於這些 blob，我們會在後面的一節更詳細地探討。）驗證這些資料 blob 的一項重要條件，是檢查它們是否仍然可以取得——也就是能否從網路上取回。L2 rollup 協議接著就會利用這些資料 blob 來實現高吞吐量的交易，如圖 16-5 所示。

rollup 把已執行的交易存放在資料 blob 中，並產生一個密碼學的「承諾」^[49]以供驗證。為了建立這個承諾，它們會用多項式函數來編碼資料。接著就可以在特定的點上對這個多項式求值。

舉例來說，考慮一個簡單的多項式函數，例如 f(x) = 2x − 1。在 x = 1, 2, 3 這幾個點對這個函數求值，會得到 1、3、5 這幾個值。證明方獨立地把同一個多項式套用到原始資料上，並檢查它在這些點上的值。只要底層資料有一點點改變，多項式——以及它求出的值——就不會再相符，提醒參與者資料有不一致之處。

rollup 把資料發布到 blob 時，也會提供一個在鏈上公開的承諾。這個承諾的建立方式，是用一個多項式擬合資料，再在特定的點上對這個多項式求值，而這些點是由 KZG 儀式（見第 4 章）中產生的隨機數決定的。證明方會獨立地在這些相同的點上對多項式求值。如果他們求出的值與承諾的值相符，資料就確認是正確的。實務上，這些承諾與它們的證明更加複雜，因為它們是用密碼學方法來保護、確保完整性的。

Danksharding 主要的進展是引進了合併的手續費市場（fee market），它的用意是把 gas 的手續費市場與 blob 的手續費市場結合起來。danksharding 不採用多個各自擁有區塊與提議者的分片，而是在每個 slot 指定單一的提議者，來選擇所有的交易與資料。

為了避免這種做法對驗證者造成很高的硬體需求，這裡使用了 PBS。在 PBS 中，專門的「區塊建構者」以出價競爭組裝該 slot 內容的權利，而提議者只需要挑出出價最高的有效區塊頭。只有區塊建構者需要處理完整的區塊，甚至連這一步都可以透過專門的預言機協議進一步去中心化。同時，驗證者與使用者可以依靠資料可用性抽樣（DAS）來驗證區塊——別忘了，區塊中很大一部分只是資料。

proto-danksharding（也就是 EIP-4844）提議實作完整 danksharding 所需的大部分基礎邏輯與基礎設施，例如交易格式與驗證規則，但不包含真正的 DAS。^[50]在 proto-danksharding 之下，驗證者與使用者仍然要直接驗證所有資料 blob 的完整可用性。

proto-danksharding 引進的主要創新是一種新的交易類型，稱為攜帶 blob 的交易（blob-carrying transaction）。這些交易（我們已經在第 6 章分析過）的運作方式與一般交易類似，但多了一個稱為 blob 的額外資料元件。blob 相對較大（約 125 KB），而且可以比同樣數量的 calldata 便宜得多。^[51]不過，EVM 無法直接存取 blob 資料；EVM 只能存取 blob 的密碼學承諾。這些 blob 中的資料也會在一段固定時間後自動刪除（在本文撰寫時設定為 4,096 個 epoch，大約 18 天）。

由於驗證者與客戶端仍然必須下載每個 blob 的完整內容，proto-danksharding 把資料頻寬限制在每個 slot 約 1 MB。儘管有這項限制，proto-danksharding 仍能帶來可觀的可擴展性效益，因為 blob 資料不會直接與一般以太坊交易競爭 gas 成本。

讀到這裡，你可能會產生幾個疑問。

為什麼可以在 18 天後刪除 blob 資料？使用者要怎麼存取較舊的 blob？

rollup 會在鏈上發布對其交易資料的密碼學承諾，同時透過資料 blob 提供底層的交易資料。這種安排讓獨立的證明方能驗證承諾的正確性，必要時也能對不正確的資料提出挑戰。在網路層面，共識層客戶端會暫時儲存這些資料 blob，並以見證投票確認這些資料已經在以太坊網路中傳播、可供取得。為了避免節點隨著時間變得過於龐大、耗費過多資源，這些資料會在 18 天後自動修剪掉。共識層客戶端提供的見證投票保證了證明方在這段期間內有足夠的時間與管道來驗證資料或提出挑戰。修剪之後，實際的資料仍可以由 rollup 的營運者、使用者或其他第三方繼續存放在鏈外。

有幾種實用的方法可以長期儲存歷史資料，並讓它容易取得。例如，特定應用的協議（例如個別的 rollup）可以要求自己的節點保留與其應用特別相關的歷史資料。由於歷史資料的遺失不會對以太坊本身造成風險，只會影響個別的應用，因此讓每個應用各自管理自己的資料儲存是合理的。其他可能的方案包括使用 BitTorrent 這類去中心化系統——例如，定期產生並散布 blob 資料的每日快照——或是利用以太坊的 Portal Network，它可以擴充成支援歷史資料的儲存。此外，區塊瀏覽器、API 供應商，或 The Graph 這類第三方索引平台等服務，很可能也會維護完整的封存資料。最後，進行資料分析的個別研究人員、愛好者或學術機構，也可以在本地保留完整的歷史紀錄，享受直接存取資料的便利與效能提升。

與其讓每個 slot 撥出 1 MB 的頻寬給 blob，降低一般交易 calldata 的成本不是更好嗎？

這裡的問題涉及以太坊網路的平均負載與最壞情況（尖峰）負載之間的差異。目前，以太坊區塊的平均大小約為 90 KB，不過理論上的最大區塊大小——如果區塊中全部 3,600 萬 gas 都用在 calldata 上時^[52]——約為 2 MB。以太坊偶爾會處理接近這個最大大小的區塊，並沒有出現重大問題。然而，如果我們在平均區塊大小仍可控的情況下，單純把 calldata 的 gas 成本降低為十分之一，潛在的最壞情況區塊大小就會暴增到約 20 MB，讓以太坊網路不堪負荷。

以太坊目前的 gas 定價模型，很難把平均負載與最壞情況分開管理，因為兩者之間的比例取決於使用者如何在 calldata 與其他資源之間分配 gas 支出。因此，以太坊必須以最壞情況為基準來為 gas 定價，人為地把平均負載限制在網路能輕鬆支撐的水準之下。藉由引進多維的手續費市場，讓 gas 定價明確區分不同的資源類型，我們就能讓網路的平均使用量更貼近它實際的容量，安全地在每個區塊中容納更多資料。proto-danksharding 與 EIP-4488 就是兩個專門為了解決這個問題、改善以太坊 gas 定價模型而設計的提案。

另一個隱藏的動機是，最終目標是讓節點不必下載所有的資料 blob。用 blob 可以做到這一點，用 calldata 則做不到。

能在普通的硬體上執行以太坊節點，對實現真正的去中心化至關重要。這是因為執行節點讓使用者能透過密碼學檢查，獨立驗證區塊鏈的資訊，而不必仰賴第三方。執行節點也讓使用者不必透過中間人，就能把交易直接提交到以太坊的點對點（P2P）網路。如果這些好處只有擁有昂貴設備的使用者才能享有，就不可能實現真正的去中心化。因此，以太坊節點對處理能力與記憶體的需求必須降到最低，最好能在手機、微型電腦這類日常硬體上執行，或是在家用電腦上不著痕跡地執行。

如今，龐大的磁碟空間需求是阻礙更多人執行以太坊節點的主要障礙。主要原因在於必須儲存以太坊龐大的狀態資料，而這些資料對正確處理新的區塊與交易很重要。

雖然較便宜的硬碟可以存放較舊的資料，但它們通常太慢，無法有效率地處理新進的區塊。單純讓儲存變得更便宜或更有效率，只能暫時緩解問題，因為以太坊狀態資料的成長實際上沒有上限；儲存需求會持續增加，迫使技術改進不斷跟上腳步。更具永續性的做法，是為客戶端開發新的區塊與交易驗證方法，不必依賴從本地儲存空間擷取資料。

無狀態性這個詞可能有點誤導，因為它並沒有真正完全消除狀態的概念，而是改變了以太坊節點管理狀態資料的方式。無狀態性主要有兩種：弱無狀態性與強無狀態性。弱無狀態性把儲存狀態資料的責任轉移給少數專門的節點，讓大多數節點不必儲存狀態資料就能運作。相較之下，強無狀態性則完全取消了任何節點儲存完整狀態資料的要求。