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如何扩展DeFi吞吐量：Layer1篇（下）
以太坊在扩展 DeFi 容量时的局限性如此明显，如你所见，这是一个复杂的问题，暂时没有显而易见的解决办法
你近来假如用了 DeFi 产物，肯定会因高额生意业务费望而生畏。如今为以太坊生意业务付出几十到上百美圆生意业务费再一般不过。以当前的费率，只要「巨鲸」生意业务才赢利。就忘了那些所谓的「让没有银行账户的人享用金融效劳」 (banking-the-unbanked) 或「构建普惠群众的无需许可金融基本设施」这些高贵的目标吧。以太坊变成了富人的乐土。
小额生意业务手续费有时会高达 10%
高额生意业务费的背地是区块链可扩大性问题。这个问题尽人皆知，以至另有一个特地维基百科页面。可扩大性是如今区块链生长的最大限定，除此之外另有肯定性时候长、易涌现争先生意业务、跨链互操纵性等问题。
我们想要制造一个一切代价可自在活动的代币化天下，区块链的范围却正在障碍我们完成这一任务。这就是为什么 0x Labs 特地建立工程师团队，力争处置责罚这些范围性的问题。经由过程我们的研讨，我们愿望经由过程本文来议论以太坊的范围性，及其如何影响 DeFi 用户。别的，本文也会简朴论及下一代区块链。在将来，我们还将撰写文章，议论差别的处置责罚计划 Layer 2，并演示我们满足 DeFi 需求的战略。
起首要申明，以太坊生意业务的大小以 gas 盘算。区块中收集生意业务，约莫每 13 秒一个区块。每一个区块所包容的生意业务数目空间有限，也就是「gas 上限」。如今每一个区块约莫有 1,200 万 gas 生意业务空间。纯 ERC-20 代币转账约莫须要五万 gas。也就是每一个区块可包容最多 240 笔代币转账，约每秒 18 笔转账。DeFi 转账一般触及多笔代币转账和簿记，构成生意业务本钱翻倍，进而限定区块吞吐量。「gas 上限」和区块时候意味着须要延续供给生意业务所需的 gas。
起首，我们来看以太坊汗青上 gas 供给及其运用如何增进。
Gas 运用
天天以太坊上约有六千区块挖出，有几十亿代价 gas 生意业务空间。主要由于「gas 上限」增添，gas 生意业务数目也跟着时候转变、增添。同时，生意业务斲丧总 gas 费也会跟着以太坊上的生意业务增加、变大而增进。
回忆以太坊全部汗青的 gas 供给（灰色）和花费（黑色），如下图：
从上图能够看出，以太坊是企业级运用，由于办公时候运用最高
拜占庭 (Byzantium)、君士坦丁堡 (Constantinople) 和缪尔冰川 (Muir Glacier) 硬分叉之前，以太坊 gas 供给有频频断续下跌。这都是以太坊「难度炸弹」（也称为 「冰川时期」）的影响。
在「冰河时期」，出块时候大幅增添，构成单日出块量削减，gas 供给下降。固然这类状况异常不受迎接，迫使收集硬分叉来调解。如许做的目标就是：迫使硬分叉带来升级革新，防备堕入立异阻滞。伊斯坦布尔 (Istanbul) 硬分叉没有重设「难度炸弹」，所以很快举行了缪尔冰川硬分叉。行将举行的柏林(Berlin) 硬分叉斟酌变动这一机制 (EIP 2515)。
看用量状况（黑色），以太坊自从 2017 年 ICO 高潮以来，gas 用量一向占 60% 以上。以后「gas 上限」频频增进到四倍，每次上限增进后 gas 用量也成比例增进。过去几个月，以太坊用量一向卡在 95%。
要明白以太坊 gas 用量为什么不会凌驾 95%，须要先相识「空块」 (empty block) 和「叔块」 (ommer block) 的观点。
「空块」和「叔块」
以太坊汗青上，纵然需求再高，gas 用量也从未凌驾上限 95%。让人惊奇的是，盈余 5% 糟蹋在完全空的区块。这些空块按期涌现，约莫每二十个块有一个。有生意业务要付款进入打包入块，为什么还会有人要挖空块？先看以下数据：
空块率跟着时候稳固增进，如今是 5%。一切矿池的空块率相称，所以挖空块的不会是歹意矿工。相反，实在缘由多是出块过快。假如挖块时候低于六秒，那取得空块的几率便会若干增进。
一个诠释就是，矿工一取得新区块头，在完全部区块没打包完成前便入手下手挖下一个区块。这类操纵在比特币里称为 SPV 挖矿，让矿工能够没完成一个区块考证可马上入手下手找下一个区块，但只能到场空区块。新区块完全打包完成后，就可以够增加下一个完全区块，并切换去挖。
这类诠释的进一步证据就是，假如统一矿工疾速一连挖到两个区块，空块率就会下降 25%。
挖空块的另一种要领就是，在挖上一个区块的同时，处置责罚新区块。这就构成同时挖出多个区块。假如涌现此类状况，以太坊会选出一个骨干区块，把其他区块标记为「叔块」 (ommer)。挖到「叔块」的矿工依旧能够获得小额嘉奖。这类状况涌现的比率稳固：
2018 年 gas 用量到达峰值时期，「叔块」率也到新高，但以后占比降到一切挖出区块的 5%。这与矿工大概此时变动挖矿战略构成空块率升高相吻合。
空块率对以太坊可扩大性的风险没有马上表现出来，但确切有影响。自从拜占庭升级的 EIP-100 提案，难度调解坚持肯定骨干链区块和「叔块」比率。所以「叔块」率高就示意糟蹋的「叔块」增加，主链增添的块削减。这就表现为逐日出块时候延伸，逐日总 gas 量削减。（构成出块时候延伸的另一个缘由是「难度炸弹」）
「叔块」或空块都是以太坊收集的主要康健目标。任何一个目标增进，都意味着逐日用于生意业务的总 gas 削减。「叔块」率剖析是支撑 EIP 2028 和 1559 研讨（拜见 1、2、3）的主要部份。不测的是，这两个 EIP 都没提到空块率，而且研讨存在要领瑕玷。用逻辑回归等适当的统计学要领剖析「叔块」率和空块率，如许更严谨的剖析会更好。
有要领能够下降空块率和「叔块」率。推定根本缘由就是，由于收集和处置责罚耽误，矿池没有最新的状况可用。一个简朴但不太让人惬意的处置责罚计划就是，让矿池更中间化，近来的状况就会集合在一同。
更去中间化一点的处置责罚计划就是 bloXroute 那样，建立矿池间专用衔接。受「特务挖矿」 (spy mining) 启示，能够让矿池预先分享如今在挖的区块。其他矿池会预备大概会挖的后续区块。矿池胜利挖完本身的块后，就已晓得后续能够挖哪些块，马上切换。在客栈上方，革新节点通信协媾和处置责罚算法也有用，这些处所仍有革新空间。终究，下降空块率和「叔块」率才单日提拔最多 5% gas 供给量。
所以好像有 95% gas 上限，但假如有人想要运用凌驾 95% 的量怎么办？
Gas 价钱
以太坊 gas 上限到顶会如何？矿工能够自在挑选打包生意业务（后续详述），但实际上矿工按「高 gas 费优先准绳」打包生意业务，由于如许利润最高。如许就发作对可用 gas 的第一价钱拍卖征象。
Gas 价钱已成为「圆满非弹性供给量」的教科书范本。跟着收集运用率凌驾 80%，涨到 95% 位置，gas 价钱显著增添。任何潜伏需求增添只会增添价钱，直到价钱赶退需求，降回雷同程度。
让价钱下降的唯一体式格局就是增添 gas 供给，或下降需求，而近来 gas 上限增添不足以有用下降 gas 价钱。
乍一看，对以太坊都兴致增添，只会推升价钱，不会构成用量增进。实际上，高代价运用会驱赶低代价运用，廉价的游戏类非同质化代币 (NFT) 生意业务削减，大额 DeFi 生意业务更多。
提案 EIP 1559 意在使短期内 gas 供给越发弹性。在需求岑岭期，能够加大区块容量（高达 2,000 万 gas）。这就有助于坚持岑岭 gas 价钱安稳，能够更快打包生意业务。但如许没法转变历久供给量不具弹性的问题。
依据提案 EIP-1559，历久仍有牢固 gas 刊行率，意味着 gas 价钱会延续上升，直到需求充足小。EIP-1559 依旧勉励统一区块内付出溢价的优先打包处置责罚（假定矿池继承按本来次序挖区块）。这就意味着争先生意业务、gas 竞价和矿工取利的状况依旧存在。
图中的数字代表下个区块内可打包生意业务的最低价钱。你情愿等得越久，gas 价钱会越低。汗青数据表明，若你情愿等两分钟或更久，那价钱便会很低。EIP-1559 有助于下降溢价，便于更快处置责罚生意业务。
因而，gas 上限促使 gas 价钱上升，那我们该如何进步上限？
Gas 上限
矿池肯定 gas 上限。下面扼要概述矿工和矿池事变道理：险些一切矿工都邑把算力资本群集一同。矿工们不会冒着历久没有收成的风险零丁去到下一个区块，而是将资本群集而取得稳固收入。矿池来考证每一个矿工孝敬的算力，再继承挖下个区块，这类体式格局推动了矿池生长。大型矿池终究会挖得较大份额区块。
下面来看以太坊上矿池份额的生长状况：
星火、Ethermine 和鱼池三家取得主要区块。
除了举行硬分叉外，矿池运营者有主要治理义务：他们能够设置以太坊 gas 上限。与出块时候和 gas 价钱（新特征）差别，gas 上限由每一个区块各自肯定。新 gas 上限限于上一区块的 0.1%，所以每一个区块仅能做出细小浮动（《黄皮书》公式 47）。假如三家矿池一致同意疾速复利转动单边浮动，两个半小时 gas 上限就可以翻倍或减半。假如看法不一致，gas 上限就是矿池范围的加权均匀数。
如今由于缺乏矿工实际操纵的细致信息，我们会用简朴的要领：投票体系。[…] 愿望将来我们能够软分叉，变成更正确的算法。
以太坊想象道理 （2015 年 3 月初次到场）
以太坊初期矿工设定 gas 上限的体式格局是「补缺处置责罚计划」。许多「补缺处置责罚计划」充足好，就变成了备用参数。EIP 1559 发起采纳差别机制，如今正在议论在柏林分叉时运用。这之前，矿池运营者可像 OPEC 掌握石油产量一样掌握 gas 供给量。
Ethermine 矿池运营者
近来两大矿池一致决议提拔 gas 产量 25%，很有争议。目标本是经由过程增添 gas 供给来减缓高生意业务费压力。如今我们所看到的，生意业务需求增进快过 gas 上限增进速度。这就构成价钱临时趋缓，终究照样会上升。
进步 gas 上限会对以太坊平安带来庞大隐患。如上所述，gas 上限会增添「叔块」率和空块率。一般生意业务负载下，这一增进很小。但关于平安问题，我们不体贴一般行动，只体贴蹩脚状况下的不利行动。Perez 和 Livshits (2019 年) 研讨了这类蹩脚状况，效果就是一致 gas 本钱下，蹩脚时的生意业务要比一般生意业务慢百倍。须要九十秒区块才填满生意业务。这就构成节点同步滞后，矿池挖「叔块」和空块。至本稿宣布，问题已有减缓，但不足以防止。这就引致两位节点主开发者 Péter Szilágyi 和 Alexey Akhunov 指摘进步 gas 上限的决议。
所以，gas 上限促使 gas 价钱上升。好像我们不应一味增添 gas 上限。那该怎么做？或许可以下降生意业务所需的 gas 本钱？
Gas 本钱
生意业务的 gas 本钱主要由 EVM 运转本钱组成。生意业务是由浩瀚 EVM 操纵组成，每次运转本钱由 EIP 和硬分叉决议。过去频频硬分叉中，有些操纵的 gas 本钱已增添 (EIPs 150、160、1884)，有些下降 (EIPs 1108、2028、2200)。设计中的柏林硬分叉也在在斟酌变动一些特定操纵的 gas 本钱。
一切变动的目标是要让用度更正确回响反映操纵的实在本钱。这就意味着，跟着盘算机和算法变快，盘算运转本钱会下降。
而存储操纵本钱有所差别。存储与检索本钱视链上状况大小而定，而以太坊状况大小在延续增添。改良存储装备或数据库不会抵消状况范围的增添。
这就意味着，存储依旧是 DeFi 运用的大额本钱。建立新的余额要两万 gas，修正现有余额要五千 gas。转账最少要修正两次余额，汇兑最少要修正四次，DeFi 生意业务所需的状况用度更高。好像没有简朴要领能下降相干存储量，有需求，存储费就会上升。好的一面，Layer 2 扩大处置责罚计划倾向轻量存储和高盘算量，好像更有上风。
末了，跟着 gas 上限进步，也会涌现雷同的平安忧郁：蹩脚状况影响大。当地优化 gas 本钱到达当前操纵的均匀本钱很风险。
如许就很清晰为什么以太坊扩大性的问题这么辣手。在给出处置责罚计划前，还需说起如今以太坊风险 DeFi 用户的另一范围的地方。
矿工取利
区块打包者恪守共鸣划定规矩。共鸣划定规矩保证生意业务挑选和排序等主要自在。关于一般代币转账，问题不大。但对生意业务所等 DeFi 生意业务，争先生意业务就有很高经济代价。目标生意业务两面受进击，便会涌现更庞杂的取利行动。Daian 等人 (2019) 称之为「矿工取利」 (miner extractable value)。
矿池好像不会歹意运用本身的生意业务排序自在，但仍能够用其取利。矿池有大概运用 Geth 按 gas 价钱排序生意业务（拜见 1、2）。这就会发作 gas 价钱拍卖，最高竞价生意业务优先。这会构成不良影响，任何人都能够经由过程高竞价争先生意业务。合作生意业务者延续竞价让 gas 价钱升高，直到生意业务利润完全抵消 gas 费。如今，一切取利都邑变成生意业务费落入矿工口袋。
其他状况下，正好接着一笔生意业务会有代价，比方价钱预言机更新后第一个整理仓位。这称为「back-running」，效果也是矿工获益。
大价差、价钱偏离、高手续费及更多失利生意业务，终究会让 DeFi 用户受损，矿工取利。要有更好的 DeFi 体验，这个问题就得处置责罚。处置责罚这个问题就要限定生意业务排序自在，比方请求一个区块内最低 gas 价钱的生意业务优先。
如今已完全相识以太坊的范围，及其如何影响 DeFi。固然一切致力于扩大性的明星团队终将处置责罚这个问题，对吧。
强化底层，着眼二层
有许多出众的团队致力于差别可扩大性处置责罚计划。处置责罚计划有两种：Layer 1 和 Layer 2。Layer 1 处置责罚计划的目标是构建扩大性更好的以太坊，Layer 2 处置责罚计划是要在以太坊的基本上构建更具可扩大性的基本设施。
从最显著的问题入手下手：提拔现有以太坊的机能——这是 Eth1x 要做的事变。革新以太坊客户端机能，依旧能够有许多进步。蹩脚的是，Eth1x 险些没有获得任何应有的支撑，一切希望很慢。
要相识 Eth1x 能够到达何种机能，能够先来看看 Solana。Solona 吞吐量可到达以太坊千倍以上，另有提拔空间。这类要领的主要劣势是，运转全节点的硬件请求很高。
多半其他处置责罚计划都有三个共同点：
运用 WebAssembly 作为虚拟机，极简状况架构，和最主要的分片。如今以太坊上的一切生意业务都按序列实行。生意业务排序毫无疑问是区块链的症结。这类形式的瑕玷是，很难并行处置责罚，所以投入更多资本也没法轻松处置责罚可扩大性问题。这就是下一代区块链 Eth2.0 要处置责罚的。
经由过程变动生意业务实行体式格局，让生意业务平行处置责罚。将区块链分为多个松懈衔接的域，也就是称作「分片」的处置责罚程序，来完成这一计划。一个分片内的生意业务依旧按次序排列，但分片之间是异步举行。这就许可一切分片平行运转，依分片数目扩大收集。
用以星散的域不肯定与分片相婚配，统一个分片能够有多个域，以至能够迁徙域，到达负载均衡。如需深切相识分片手艺，读者请阅读 Near 协定的「夜影」论文。
下一代区块链主链从那里分为域什么时候分为域，视状况而定。第二代区块链可看做是从细粒化（浩瀚细小域）到粗粒化（少量大域）光谱。
两个项目各占粒度光谱两边：Dfinity 在细粒度一端，每一个代理人有本身的域，每次代理人交互都是异步。Near 协定细粒度化稍小，每一个合约都有本身的域。粗粒度一端是波卡，其域是就是全部份片，这类状况称为「平行链」更正确。从 DApp 开发者角度推断以太坊 2.0 为时尚早。Eth1EE （Eth2 上的 Eth1 实行环境）将为粗粒度，有与分片一致的界线，如今的以太坊会成为一个分片。细粒度处置责罚计划的上风是通明；合约间挪用不管是不是跨分片边境，都能看上去一样。这就进而许可在分片间挪动合约来轻松均衡负载。
瑕玷是跨域生意业务不再是原子化，而是变成并行，个中部份不可打消。Dfinity 和 Near 中显现合约间挪用为 async，返回商定守候 await 。await 时期一切发作的生意业务都邑写入链上。以后其他人的生意业务能够叠加之上。这时候候之前的一切生意业务就不能打消。await 终究确认后，可返回合约挪用胜利或失利指令。有多个提案防止这一状况，让跨分片取得肯定原子化，但如许也有劣势。拥抱非原子化好像是天然效果。
关于 DeFi，异步 transferFrom 挪用组成很大应战。想象两边举行简朴生意业务，Alice 和 Bob 想要用 ETH 和 DAI 生意业务。基本合约应该是：
但如今我须要处置责罚毛病。假如第一次生意业务失利，我们可住手生意业务。假如第二次生意业务失利，就须要将 1 个 ETH 退给 Alice。问题是，这时候 Bob 大概已把那 1 个 ETH 花了。处置责罚这个问题的一个体式格局就是托管。
如许就好了，没人会丧失。但如今 Bob 就对 Alice 的生意业务有了专属自在挑选权。Alice 的代币被托管，不会再举行其他生意业务，也还没有保证与 Bob 的生意业务肯定会胜利。处置责罚这个问题能够对违规者责罚。而 DeFi 生意业务会很贵，就难以肯定若干责罚额度适宜。处置责罚这个问题能够请求市场各方最入手下手都在一个存款合约存入资金托管。而如许又变成中间化状况，根本上就不须要分片了。
另一个须要注重的是，这些并发问题究竟能多庞杂。实在生意业务中，也有须要更新的序列添补状况 (fill-state of the order)，这就让协定越发庞杂。比拟并发破绽，搅扰以太坊 1.0 的重入进击破绽便屡见不鲜。并发破绽为不肯定性，测试中也不会发作。从上述简朴生意业务可知，要处置责罚这个问题就须要从新思索基本架构，唯一牢靠的体式格局就是打翻重来。
生意业务是 DeFi 构建的基本，是一系列处置责罚程序。我们已晓得生意业务所生意业务簿如何组成应战。自动做市商生意业务所就较为简朴，由于有托管储备金在，但储备金余额构成阻碍并行的瓶颈。纵然最快的传统生意业务所，结算也没有并行（只管会有冗余），在单一婚配引擎排序完成。如需细致相识传统生意业务所事变道理，Brian Nigito 的演讲异常棒。
这并不意味着这些问题无解。最简朴的处置责罚计划就是这些一切协定在每一个分片布置自力的实例，让套利者坚持彼此间同步。或许可以获得机能充足的零丁同步分片归入一切 DeFi 生意业务，如许就无需忧郁并发的问题。
本文深切议论了以太坊扩大 DeFi 运用方面的范围性。如上所述，这问题庞杂而不可一挥而就。以后我们会撰写别的一篇文章议论 Layer 2 特定处置责罚计划，并演示 0x 本身的战略。
参考
Daniel Perez Benjamin Livshits (2019). “Broken Metre: Attacking Resource Metering in EVM.”
Daian et al. (2019). “Flash Boys 2.0: Frontrunning, Transaction Reordering, and Consensus Instability in Decentralized Exchanges.”
Brian Nigito (2017). “How to Build an Exchange.”
Danny Ryan (2020). “The State of Eth2, June 2020.”
Scott Shapiro William Villanueva (2020). “ETH 2 Phase 2 WIKI.”
Near Protocol sharding design
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