区块链设计的可扩展性有多大？我们真的能像埃隆马斯克设想的那样“处理时间加快10倍，存储规模增加10倍，手续费降低100倍”，这样就不会导致极端的中心化，破坏区块链的基本属性吗？如果没有，这个设计能运行多久？如何改变共识算法？更重要的是，如果改变技术引入ZK-斯纳克或其他切片函数会怎样？理论上，分段区块链可以连续增加更多的分段，但是会不会造成增加过载的问题？
事实证明，一些重要的技术因素限制了区块链的扩张。同时，在许多情况下，制约区块链发展的解决方案本身也有缺陷。
因此，本文将重点讨论所涉及的问题。
用户运营助力区块链去中心化趋势
凌晨2点35分，你接到地球另一端的合伙人打来的紧急电话，他说会帮你运营你的矿池(可能是质押池)。大约14分钟前，您的合作伙伴告诉您，您的矿池和其他一些人从仍然承载79%网络的链中分离出来。根据您的节点，多数链的块无效。有一个平衡错误：key block错误地分配了450万个额外令牌给一个未知地址。
第二天早上，社交媒体平台上的讨论开始升温。但此时，这450万枚硬币中的很大一部分已经转化为链条中的其他资产，发生了数十亿美元的去菲交易。79%的共识节点和所有主要的区块链浏览器和钱包端口都在关注这个新的链条。也许新发展基金会将资助一些发展项目，也可能被主要的资金池和交易所及其亲信挪用。但无论结果如何，基金会所有的计划目的都摆在面前，普通用户根本无力还手。
你所在的区块链会发生这种情况吗？区块链社区精英，包括挖矿池，区块浏览器，托管节点，可能都很协调，都在同一个电报频道，同一个微信群。如果他们希望组织突然改变协议规则以获得更多利益，那么这可能是可行的。以太坊区块链可以在十小时内完全解决共识失败的问题。如果您使用的区块链只在一个客户端上运行，并且您只需要将代码更改部署到几十个节点，那么您可以更快地协调对客户端代码的更改。
如果你有一个由37个节点运行器和80，000个被动监听器组成的技术社区来检查阻塞，那么攻击者就赢了。如果你在一个所有人都运行一个节点的社区，攻击者就失败了。我们不知道群体免疫对抗协同攻击的确切阈值，但有一点是明确的：好节点越多，坏节点越少，我们至少需要几十个甚至上百个节点来共同防御。
要求所有节点完成工作的有限容量。
为了最大限度地增加可以运行节点的用户数量，我们将把重点放在常规消费类硬件上。要求用户购买一些容易获得的专用硬件(如亚马逊)来增加容量，但实际上并没有那么大的扩展空间。
整个节点处理大量事务的能力有三个关键限制：
计算能力：能安全运行节点的CPU的百分比是多少？
带宽：考虑到当前互联网连接的实际情况，一个块可以包含多少字节？
存储：用户需要存储多少GB的磁盘？另外，阅读速度有多快才能流畅阅读？
关于使用“简单”技术的区块链的可伸缩性的许多误解，
由于对这些影响因素的错误估计，我们将分析三个重要因素：
计算能力
回答错误：100%的CPU能力可以用于块验证。
正确答案：大约5-10%的CPU功率可以用于块验证。
容量低的四个主要原因：
我们需要一个安全边际来应对DoS攻击的可能性(攻击者利用代码中的弱点进行交易比常规交易需要更长的时间)
节点离线后可以同步链(断开一分钟需要几秒钟才能重新连接)。
运行一个节点不应该很快就没电，拖慢其他正在运行的程序。
节点还需要执行其他非块生产任务，包括验证和响应p2p网络上的传入事务和请求。
直到最近，大多数解释都是“为什么只有5-10%？”所有问题的答案都表明，由于PoW块是随机出现的，验证块的时间很长，会增加同时创建多个块的风险。
这个问题有很多解决方案(比如比特币NG，或者只是使用权益证明)。但是这些修复并没有解决其他问题，所以它们并没有像许多人最初认为的那样在可伸缩性方面带来巨大的好处。
并行不是万能的。通常，即使是看似单线程的区块链客户端也已经并行化：签名可以由一个线程验证，而执行则交付给其他线程，而单独的线程在后台处理事务池。但是，所有线程的利用率越接近100%，运行节点的能耗就越多，DoS的安全阈值就越低。
带宽
错误答案：如果我们可以每2-3秒运行一个10 MB的块，那么大部分用户在他们的网络是10 MB/秒的时候就可以处理了。
正确答案：也许我们可以每12秒处理一个1-5 MB的块，但是很难做到。
如今，我们经常听到关于互联网连接可以提供多少广告的统计数据：100 Mbps甚至1 Gbps的数字很常见。但是，由于以下原因，公布的宽带承载能力和连接的实际预期宽带能力之间存在很大差异：
1.“Mbps”的意思是“每秒兆比特”；一个比特是一个字节的1/8，所以需要将广告比特数除以8才能得到广告比特数。
2.像所有的公司一样，网络供应商经常夸大他们的宣传。
3.有多个应用程序使用同一个互联网连接，因此一个节点不能占用整个宽带。
4.p2p网络不可避免地引入了自身的开销：节点通常会多次下载并重新上传到同一个块。
Starkware在2019年做实验的时候，他们第一次释放了一个500 KB的块，因为交易数据Gas成本的降低使得运行这个块成为可能，但实际上有几个节点无法处理。处理大容量块的能力已经并将继续提高。但是无论我们怎么做，我们仍然不能天真地得到平均的以MB/秒为单位的宽带。
商店
错误答案：10 TB
正确答案：512 GB
你可以猜到，这部分的主要论点和其他部分一样：理论和实践的区别。理论上，你可以在亚马逊上买到8 TB的固态硬盘。其实写这篇博文用的笔记本电脑是512 GB。如果让用户自己买硬件，很多会变懒。即使你可以在一些存储上安装区块链，运行要求高的活动也可以轻松快速地刻录磁盘，迫使你不断购买新磁盘。
此外，存储容量决定了新节点上线并加入网络所需的时间。现有节点必须存储的任何数据是新节点必须下载的数据。这个初始同步时间(和宽带)也是用户实现节点操作的主要障碍。在撰写本文时，同步一个新的geth节点需要大约15个小时。如果以太坊的使用量增加10倍，同步一个新的geth节点至少需要一周的时间，更有可能导致互联网连接受限。这在攻击期间尤其重要，因为对攻击的成功响应可能涉及许多用户在没有运行时启动新节点。
互动效应
这三种成本之间是相互作用的。因为数据库内部使用树形结构存储和检索数据，所以从数据库获取数据的成本随着数据库大小的对数而增加。事实上，因为顶层(或前几层)可以缓存在RAM中，所以磁盘访问成本与数据库大小成正比，数据库大小是RAM中缓存数据大小的倍数。
不要把这张图表看得太重。不同的数据库以不同的方式工作。通常，内存中的部分只有一层(但很大)(参见leveldb中使用的LSM树)，但基本原理是相同的。
例如，如果缓存为4 GB，并且我们假设数据库的每一层都比前一层大4倍，那么以太坊中大约64 GB的当前状态将需要大约2次访问。但是，如果状态大小增加4倍，达到大约256 GB，那么这将增加到大约3次访问(因此每次读取的访问次数增加了1.5倍)。因此，将Gas限制增加4倍将增加状态大小和读取次数，这实际上转化为大约6倍的块验证时间。
对以太坊的意义
目前，在以太坊区块链中，运行一个节点对许多用户来说是一个挑战，尽管至少在普通硬件上仍然是可以实现的。在撰写本文时，作者还同步了笔记本电脑上的一个节点。
核心开发人员最关心的是存储大小。因此，目前为解决计算和数据瓶颈所做的努力，即使是对共识算法的改变，也不太可能导致Gas上限的大幅提高。就算解决了以太坊最大的DoS漏洞，也只是带来了20%的气限提升。
存储大小问题的唯一解决方案是无状态和状态过期。允许无状态节点验证链，而无需维护永久存储。状态过期会把最近没去过的状态推出来，迫使用户手动提供证明来更新。这两条路径都已经研究了很长时间，并且已经进行了无状态模式的概念证明。这两项改进的结合可以极大地缓解这些担忧，并为显著提高气体极限打开空间。然而，即使在无国籍和状态到期后，气体极限也只能安全地增加3倍左右，直到其他极限开始占主导地位。
另一个可能的解决方案是使用ZK-斯纳克法来验证交易。ZK-SNARKs将确保普通用户不必存储状态或亲自验证块，尽管他们仍然需要下载块中的所有数据以防止数据被攻击。此外，即使攻击者无法强行通过，如果增加运行共识节点的容量太困难，仍然存在协同审查攻击的风险。因此，ZK-斯纳克不能无限增加容量，但他们仍然可以显著增加容量(可能1-2个数量级)。一些连锁应用正在从第一层开始探索这种方法；以太坊通过zksync、Loopring、Starknet等ZK的上滚受益于这种方式。
* ZK-斯纳克斯：“零知识的简洁非交互的知识论证”，一个简洁非交互的知识论证，零知识。指的是一种证明结构，在这种结构中，人们可以证明他们拥有某些信息，如密钥，而无需透露这些信息，并且证明者和验证者之间没有交互。
区块链分裂后会发生什么？
碎片化从根本上解决了上述限制，因为它将区块链中包含的数据与单个节点需要处理和存储的数据分开。不是通过个人下载和执行来验证块，而是使用高级数学和密码技术来间接验证块。
因此，分段区块链可以安全地拥有非分段区块链无法实现的高水平的交易量和吞吐量。同时，在大量密码学知识的指导下，可以创建有效的替代物，从而成功拒绝无效块的完全验证。现在能做的就是理论指导已经建立，基于规范草案的概念验证已经在进行中。
以太坊计划使用二次碎片化，其中总的可扩展性受到以下事实的限制：——个节点必须能够同时处理单个碎片和信标链，信标链必须为每个碎片执行一些固定量的管理工作。如果片段太大，节点就不能再处理单个片段；如果碎片太多，节点就不能再处理信标链。这两个约束的乘积形成了上限。
可以想象，你可以更进一步，经历三次碎片化，甚至指数级碎片化。但是在这样的设计中，数据可用性抽样肯定会变得更加复杂，尽管这是可行的。以太坊目前还没有超越第二次碎片化，因为在其他风险没有暴露的情况下，公链无法实现碎片化带来的额外可扩展性收益。
那么其他风险是什么呢？
最小用户数量
可以想象，只要有一个用户愿意参与，非碎片化的区块链就能运行。如果每个节点可以处理50个TPS，链可以处理10000个TPS，那么链至少需要200个节点才能生存。如果链在任何时候都少于200个节点，则节点停止跟随链，或者节点停止检测无效块，或者可能发生其他不利影响，这取决于节点软件设置是否完成。
在实际中，由于冗余(包括数据可用性抽样)的需要，安全最小计数要比“链TPS除以节点TPS”的简单启发式高出数倍；对于上面的例子，我们称之为1000个节点。
如果分段区块链的容量增加10倍，最小用户数也将增加10倍。你可能会问：为什么不从一点点容量开始，看到大量用户真正需要的时候再增加，用户数量下降的时候再减少？
这有几个问题：
1.区块链本身无法可靠地检测链上有多少唯一用户，因此需要某种治理来检测和设置碎片计数。容量限制的管理很容易成为分歧和冲突的焦点。
2.很多用户突然意外同时退出怎么办？
3.提高启动fork所需的最小用户数将使抵制恶意收购变得更加困难。
几乎可以肯定的是，最低用户数不到1000。另一方面，至少一百万的用户数也绝不是优质的选择，甚至最低一万的用户数也可能开始变得有风险。因此，似乎很难证明一个零敲碎打的区块链有数百个碎片。
历史可检索性
用户真正看重区块链的一个重要属性是坚持。当公司破产或失去维护生态系统的兴趣时，存储在服务器上的数字资产将在10年内停止存储，而以太坊上的NFT将永远保留。
然而，一旦区块链的容量变得太高，存储所有数据就变得越来越困难。
量化这种风险很容易。以MB/秒为单位的区块链数据容量乘以约30，即可得出每年存储的数据量(以TB为单位)。目前分片方案的数据容量约为1.3 MB/s，因此约为40 TB/年；如果增加10倍，就是400 TB/年。如果我们希望数据不仅容易访问，而且方便访问，我们还需要元数据(例如，解压缩汇总事务)，因此我们每年需要4 PB，或者十年后需要40 PB。互联网归档使用50 PB，这是分段区块链可以安全获得的容量的合理上限。
以太坊VS博卡
所以在这两个维度上，以太坊切片的设计其实已经逼近了合理容量的最大安全值。目前，以太坊已经完成了以太坊2.0的升级，从工作量证明(PoW)的共识机制升级到权益证明(PoS)。以太坊2.0中的瓷砖具有相同的状态转移函数(STF)，可以遵循改变每块瓷砖状态的规则。
相比之下，Poca Belt的许多分段区块链被称为“平行链”，它允许每个链共享分段槽，具有更强的交互功能，并可以双向兼容地勾勒出桥链。Wave卡可以允许验证者参与，任何用户都有权重构和测试并行链的有效性，更加开放、独立和包容。
另外，在治理和升级问题上，以太坊2.0的治理问题还没有解决，升级也遵循正常的硬分叉过程。而Boca上的治理和多机构体系，可以民主实现提案的公投和落地，利用Wasm元协议制定链条升级，进一步推动Boca生态的升级。无论是有效还是免费开放，Boca在不同方面都表现出了优于以太坊2.0的优势。
洁玉
试图扩张区块链有两种方法：
技术改进和参数增加(参数)
添加参数起初听起来很有吸引力：如果你在餐巾纸上做数学计算，很容易让你自己的计算机在没有ZK-斯纳克或聚合或碎片的情况下每秒处理数千个事务。
然而，这种方法有根本性的缺陷：运行区块链节点的计算机不能花费100%的CPU能力来验证该链；他们需要较大的安全阈值来抵御意外的DoS攻击，需要备用容量来处理内存池中的所有事务，并且他们不想在计算机上运行节点，这样他们就不能同时运行任何应用程序。比如宽带：10 MB/s连接不代表你每秒可以有10 MB块！对于分散的区块链和普通用户来说，能够运行节点并拥有它们对于活动的开发至关重要。
另一方面，基本的技术改进是可行的。目前以太坊的主要瓶颈是存储大小和无状态，允许状态到期增加3倍左右，但这是极限。
以Boca为代表的分段区块链可以进一步扩展，同时也不会面临以太坊一样的瓶颈和困境，这也是Boca以其互操作性和可扩展性受到开发者青睐的原因。原因是分段区块链中没有单个节点需要处理，但存储容量也是一个限制因素：随着容量的增加，安全用户的最小数量会增加，存档区块链的成本也会上升。
当然，开发者也不必过于担心存储容量，因为目前的上限已经足够高了。我们可以每秒处理100多万笔交易，并保证区块链的完全安全，同时不会牺牲区块链的去中心化价值。
