以太坊自上线以来，生态日益壮大，随着使用以太坊的用户越来越多，以太坊的性能问题逐渐暴露出来，当许多人同时在以太坊上交互时，就会发生链上拥堵的情况，推高了交易成本，如果以太坊想成为真正意义上的世界计算机，必须要进行扩容，以提高以太坊每秒能处理的交易数量和每笔交易的处理速度。
目前以太坊的扩容方案分为链上扩容（on-chain）和链下扩容（off-chain）。链上扩容是对区块链本身的性能提升，对以太坊本身进行改造来得到更好的扩展性；链下扩容是与第一层主网分开，在无需更改现有以太坊协议的情况下实现更高的扩展性。当前链上扩容只有分片这一种方案，链下扩容虽然有很多，但目前主要采用Rollup方案，因此本篇文章将整体解读分片和Rollup技术以及各自的特点。
链上扩容
链上扩容的核心是通过改变一层主网协议达到扩容效果的解决方案，这是对以太坊本身进行技术升级，这涉及到以太坊的决策流程，因此需要需要以太坊开发人员、研究人员、社区成员共同决定。目前，以太坊完成了The Merge升级以及上海升级，实现POW到POS的转变，用户可以把自己持有的代币质押到对应的区块链上，获得质押收益，这也就促使流动性质押衍生品LSD（Liquid Staking Derivatives）赛道崛起。
另一方面，共识机制的转变为以太坊分片和数据优化打下基础，Surge升级就是主要通过分片提高网络的TPS、降低gas费，这其中的解决方案就是danksharding，该方案会进一步细分数据类型，精简数据处理流程，降低工作量，一旦完成，那么将实现以太坊的去中心化出块、去中心化验证和抗审查，将以太坊打造成结算层与数据可用性层，为 L2 的计算性能提升留下空间。EIP-4844（又名Proto-danksharding）作为danksharding的第一步实现方案，也将在下一次的坎昆升级中进行，用于实现构成完整 danksharding 规范的大部分逻辑，关于EIP-4844的介绍，详见已发文章。
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在完成Surge升级后，以太坊的TPS将会大大提升，降低L1 和L2 之间的传输成本，实现更低的gas 费和更高的TPS，用户体验更加顺畅，同时也将带动Layer2相关生态的发展。
链下扩容
相较于以太坊链上扩容，以太坊链下扩容的生态更加丰富。链下扩容就是把交易或者处理的过程放在链下执行，要在不改变现有一层主网公链协议的情况下做扩展，对于链下扩容来说，最关键的问题就是交易数据的处理，交易数据的处理是否放在L1主网上会影响其安全性，所有链下扩容方案的差别就在于此。
链下扩容方案大体上划分为Layer2和其他方案，细化下来的技术方案主要包括状态通道、Rollup、侧链、Plasma、Validium等，目前较为主流的方案主要是 Rollup 和 Validium，状态通道、侧链、Plasma 已较少使用。本文主要就Rollup做分析解读。
Rollup是目前最主流的扩容方案，通过在以太坊主网外处理交易，但仍将交易数据发送回以太坊主网，且仍从以太坊主网获得其安全性。每个Rollup都在以太坊部署自己的特定合约，在主链外特定的Rollup链上执行交易，然后将交易批量打包、压缩后发送回主网，减少实际需要处理交易的主网负荷。Rollup当前有两种方案：Optimistic Rollup和ZK Rollup。
Optimistic Rollup
Optimistic Rollup依靠欺诈证明（Fraud proofs）来保证链下执行交易的正确性。Optimistic Rollup上打包的交易被乐观地假设为都是有效的，并在没有任何初始证明的情况下提交批次，任何人都可以在挑战期内检测并证明有数据是虚假的，只有发生争议时，主链才会执行 Rollup 区块上的每笔交易，确认是否发生了欺诈。在上传的交易批次中，Optimistic Rollup会有一个 7 天左右的争议窗口期。在此期间，任何人都可以对状态转换提出异议，只要其中有一个诚实的人对错误的状态变化发起挑战，Optimistic Rollup 协议的安全性就能得到保证，如果批处理被证明是有欺诈性的，那么Optimistic Rollup会执行欺诈证明，并使用以太坊主链上的可用数据运行正确的交易计算。
Optimistic Rollup将交易数据存储在L1链上，提高了透明度、安全性、抗审查性和去中心化性，在不牺牲安全性情况下提高了可扩展性，提高了吞吐量，降低了交易成本，上主网的交易数据也保证了可用性，但其缺点也十分明显，资产提款慢，通常需要等7天，这对于部分用户可能无法接受，同时其安全模型依赖于诚实的节点而非代码来执行汇总交易并提交欺诈证明来挑战无效状态，所以理论上存在安全漏洞。
可尽管如此，凭借着自己出色的兼容性，Optimistic Rollup仍是主流的Layer2解决方案。
ZK Rollup
Rollup的另一解决方案是 Zero-Knowledge Rollup，与 Optimistic Rollup 类似，但解决作恶问题时使用的是零知识证明。ZK Rollup 将交易数据打包放到主网中，同时会提交一个有效性证明，证明这些交易是有效的，以太坊在接收这些交易的时候，会直接验证这些有效性证明，如果证明没有问题，那就说明这些交易就是有效的，用户在提取的资产的时候，就不需要再等待了。ZK 解决了 Optimistic 的两个问题，一是用户的快速退出以及系统的安全性得到保障；二是每秒数千笔交易的速度使得更大的交易规模成为可能，但目前只有个别功能如转账、交易可以使用。
在ZK Rollup中，用户根据打包的数据重现所有的状态变化并验证，但 ZK Rollup 发布的数据更少，只需要发布重建账户余额和最新状态所需要的最小数据就可以，这样让 ZK Rollup 可以同时处理更多的交易，主链上包含的计算和存储资源较少也减少了链上的拥堵，速度也因为没有交易数据积压而降低，从而链上导致更快、更便宜的交易成本。同时，通过零知识证明而不是诚实节点来保证状态的有效性，提高了隐私和安全性。但目前零知识证明生成需要较大的算力，技术难度也更高，同时无法直接执行智能合约，因此目前ZK Rollup 真正落地的应用寥寥无几。
Optimistic Rollup vs ZK Rollup
ZK Rollup相对于Optimistic Rollup的优势在于更高的速度、更高的安全性和更高的隐私性。采用欺诈证明的 Optimism Rollup 需要信任假设，并依靠诚实节点来验证交易的可靠性，而 Zk Rollup 只需要提供有效性证明来验证交易的可靠性，而且凭借着 ZKP 技术，Zk Rollup 只需要确保链下的完整性，无需透露交易的具体细节，也无需要求验证者在接受新状态之前检查所有交易。凭借这些优势，ZK Rollup赛道在市场上迅速升温，其中比较热点的项目有：ZKSync、Polygon zkEVM、StarkNet、Scroll、Loopring等，其中ZKSync era主网上线两个月以来，TVL保持稳定的增长，目前TVL$435M，近一周增长16%，占layer2整体TVL的4.99%，位列第三。
目前ZK Rollup还处于早期阶段，ZK Rollup技术本身是很优秀，但介于开发难度问题，因此各生态表现还较弱，但现阶段投资单个项目风险过高，因此最好是保持对赛道各项目的关注，注意估值水平对后续收益的影响。
由于 EVM 不支持 ZK 电路，ZK Rollup 的大规模采用现阶段难度还是很大，OP Rollup的兼容性更好，因此对于需要更高的可扩展性和更大的交易规模的应用，OP Rollup可能更受欢迎。从数据上看，目前使用Optimistic Rollup的方案有Arbitrum One、Optimism、Boba Network等，Optimistic Rollup 公链上 TVL 在 Layer 2 各公链中，占比高达77%，资金量有明显的优势，其中Arbitrum 生态最为丰富，其他几个生态还需要不断完善基础建设和生态建设，推出更具优势的产品来吸引更多开发者加入。在 zkEVM 还未达到黄金时期时， ZK Rollup 依然很难挑战OP Rollup 的市场份额。所以当前仍然不能忽略OP Rollup强大的市场占有率和未来的生存能力。
未来在短期内，Optimistic Rollup 在成本以及技术上的门槛更低，可以使开发者快速上手，因此更贴合现状，更容易解决现阶段问题；ZK Rollup 的开发门槛更高，更适用于对安全隐私有极度追求的领域。长期来看，随着 ZK 相关技术的不断发展，ZKRollup的局限可能会被打破，可以释放出强大的应用潜力。
小结
在上述扩容方案中，Rollup 从执行层面扩容，它减少了主网运行节点数量，提供了比L1更高的TPS、更快的处理速度和更低的交易费用；而分片主要从数据可用性角度扩容，允许同时验证更多的交易，而不会增加对单个节点的需求，同时还可以提供更多的空间运行多个Rollups，在长期实现无限扩展。未来，Rollups + 分片模式可以以更大的扩展性和更低的费用保持以太坊生态持续发展，两个方案的结合将是以太坊扩容的关键。