扩容是区块链持续多年的重要议题之一，比特币分叉出比特币现金(BCH)也是因为扩容路线上的分歧，最终选择分叉出新链。以太坊的扩容之路已持续多年，至今仍在进行中，但扩容究竟是什么？为什么需要它？
为什么区块链要扩容？
过去区块链一直被诟病的问题之一就是速度慢且费用高。比特币链上转账，从一个钱包转到另一个钱包，大约需要20-30分钟才能确认，这时间虽然比国际转账快，但相比国内转账或一般支付仍显得缓慢。
以太坊稍快一些，如果链上不拥堵，大约5-10分钟就能确认，但与国内转账或一般支付相比仍然较慢。
不仅速度慢，交易还需要支付手续费，手续费根据链上状况而定，顺畅时较低，拥堵时较高，通常在数十到数百元之间。虽然与国际转账相比不算贵，但与国内转账或一般支付相比仍显昂贵。
区块链若想普及到日常生活中，就必须更快、更便宜。
那么，为什么区块链这么慢又贵？这与区块链能承载的交易量有关。区块链的基本运作是：有人发起交易，矿工或节点检查并处理这笔交易，其他矿工与节点也会验证这笔交易，每隔一段时间将一批已验证的交易打包成区块上链。
处理交易本身很快，但处理完还要验证，验证后还要打包上链，区块本身也有容量限制，整体来说区块链的运作牺牲了部分速度与效率，以换取去中心化与安全。但如果区块链想要普及到日常生活，就必须更快更便宜。
区块链的不可能三角
这是以太坊创始人Vitalik Buterin提出的概念，也被称为区块链的三角悖论或三角困境。
它指的是目前的区块链网络无法同时满足去中心化、安全性、可扩展性三者，最多只能追求其中两者，必然牺牲其中一个。如果既要安全又要快，就可能牺牲部分去中心化；如果既要去中心化又要安全，就可能牺牲部分可扩展性。
比特币网络经过多年验证，非常去中心化也非常安全，但其交易速度平均只有每秒5-7笔。以太坊在扩容前也只能做到平均每秒15笔左右，这个数字称为TPS（每秒交易量）。如果要让区块链普及到日常生活，需要多高的TPS？
生活中常见的刷卡交易，参考VISA和Master的TPS数据，可以让我们有个概念。VISA的TPS最低为1700，最高可达24000，而Master的TPS约为5000，这些数字明显比区块链快很多。
区块链扩容就是要让网络能更快地处理更多交易，提升网络容量，就像增加网络带宽或升级电脑配置一样。
扩容有哪些方式？
区块链是虚拟的，区块和链是概念，并不是实体的一条链子，呈现起来类似下图：
交易被打包成区块，与前一个旧区块相连，也会与下一个新区块相连，块与块之间通过加密算法验证，一块接着一块，像链条一样，所以叫区块链。交易上链后不可更改，持续运行下去，这条链会越来越长。
想要扩展区块链网络的容量，让它承载更多交易，有两种方向：
链上扩容——直接在区块链上动手，通过调整规则来扩容。例如调整区块大小、出块时间、分片等。
链下扩容——不改动区块链本身，从其他地方入手来扩容，例如新增一条链、点对点开启状态通道等。
链上扩容－提升区块链吞吐量
直接在区块链上动手，通过调整规则来扩容。如果把区块链想象成捷运或火车，扩容就像是提高运量，所谓的链上扩容，就是直接去改列车、改车站。
加大区块大小
把每个区块的空间加大，每次就可以打包更多交易。
看示意图，是不是觉得下面这条链感觉可以装更多东西？
以比特币为例，区块容量限制为1MB，平均一笔交易需要256字节，也就是说一个区块可以打包约4096笔交易。
1MB = 1024KB，1KB = 1024字节。
2017年因扩容路线之争，比特币分叉出比特币现金(BCH)，当时将区块容量提升到8MB，后来又提升到32MB。
并不是区块大小提高几倍就能把交易数量提高几倍，还必须看不同链上的不同规则，不同的交易内容可能会有不同的交易大小，更复杂的交易需要更大的容量。
如果用捷运比喻，加大区块大小就像是把车厢变大，更大的车厢可以挤进更多乘客，整体运量上升。但车厢当然不可能无止境加大，这会受到原本设计的限制。
区块大小影响的是一个区块可以打包多少交易，但打包之前节点依然需要先处理交易，如果节点能处理的交易已达上限，继续增大区块大小并不能提高多少交易量。如果车站在入口闸门处已经塞住，就算车厢增大可以容纳更多旅客，但人根本卡在前面进不了站，运量并不会因此提升。
增加出块频率
加快打包区块的速度，同样时间内可以出更多区块。
加速出块，虽然每个区块能容纳的交易数量一样，但同样时间内区块变多了，整体可打包的交易也变多了。
比特币的平均出块时间是10分钟一块，对应上一段提到的每个区块可容纳4096笔交易，换算就是平均一秒6.82笔交易，这是理论值，实际上出块时间略有浮动，也不一定每个区块都能完整打包4096笔交易。
以太坊在转换到POS机制后，目前的出块时间大约是14秒一块，有些公链更快，可以做到3-6秒出一块。但并不是出块时间越快就等于可承载交易数量一定越多，还得看区块大小以及交易内容等综合评估。
如果用捷运来比喻，增加出块频率就像是增加发车班次，本来两分钟一班车，改成一分钟一班车，运量就提升了。
分片
分片的概念复杂了一些，可以用分工来理解。
Original diagram by Hsiao-wei Wang, design by Quantstamp.
分片并不是区块链独有的概念，在传统数据库中就有这个概念，简单说就是不必每个服务器都储存所有数据，而是把数据切分成几个部分，分散储存在不同服务器。
在区块链的运作中，原本是所有矿工与节点都要验证所有交易，有点重复劳动，通过分片技术，部分节点验证部分交易，用分工的方式提升整体效率。
例如假设原本共有500个节点，因为每个节点都要验证所有交易，也许原本的处理上限是每秒500笔；现在把这500个节点拆成10组，每组只要负责验证十分之一的交易，这样一来处理上限就提高了10倍变成5000笔。
但原本交易会被500个节点验证，现在只会被50个节点验证，看起来安全性下降了，参与的节点变少，51%攻击变容易了，解决方案之一是每次都通过随机抽样的方式来分配节点。
分片简单说就是一种分工，在同样的节点数量之下，增加可处理的交易数量。如果用捷运的概念来理解，有点像是增加闸门、增加月台，列车大小一样、车站大小一样，但增加闸门数、月台数，可以放更多人进站，也同时可以开更多车，运量就提升了。
链上扩容需要直接对区块链动手，必然会受限于区块链原本的设计，就像在现实世界中若要直接修改捷运车厢、车站一定很困难，限制很多成本很高，另外一种作法是链下扩容。
链下扩容– 其中有些也被称为Layer 2 扩容
不改动区块链本身，从其他地方入手来扩容。如果一样用捷运的比喻，那链下扩容就是不改列车、车站，透过其他方式例如增加接驳公车、另外开新的支线来提升运量。
链下扩容有五种方式：侧链、状态通道、Rollups、Plasma、Validium，这部分在技术上比较艰深，这篇作为入门科普文只会简单带过，试着用生活化一些的方式描述，想更进一步了解的建议阅读这篇：
侧链
侧链的概念像是在原本的捷运之外再建立一条支线，或是加开接驳公车，由其他公司来营运，走不同的系统，跟原本的捷运线不能直接共通，需要出站，需要重新买票。
侧链是另外一条链，有自己的节点、共识、安全性，和主链之间用某种方式相互合作。
状态通道
至于状态通道，是一种点对点之间的通道，有点类似在我家和公司之间开了一个传送门，两地之间传来传去其实并没有透过捷运，但每过一段时间总结传送次数后一次打包进出明细给捷运公司。
运作在区块链中就例如A钱包和B钱包之间开启状态通道，彼此之间的交易其实都在链下进行，并没有每笔交易打包上链，如此就可以避开区块链本身的容量限制，一段时间后才会将这段期间的所有明细一次打包上链，同时关闭通道（可以再次开启）。
Layer 2
至于另外三种Rollups、Plasma、Validium都属于Layer 2解决方案，只是各自使用的技术不同。Layer 2简单说起来就是建立在Layer 1主链上的第二层链，目前最多的是以太坊的Layer 2，也就是建立在以太坊之上，承接了以太坊安全性的另外一条区块链。
跟侧链的差异在于侧链有自己的节点、共识、安全性，但Layer 2不需要，它是依赖主链而生的一条链，用捷运的比喻来解释依然是一条支线，但这次使用跟原本捷运相同的系统，彼此高度相关。
Layer 2简称L2
概念都类似，在L2链上处理交易，一段时间之后再将多笔交易合并打包回主链。因为不用每笔交易上主链，就可以避开主链本身的交易容量限制，大部分交易都在L2上处理，累积多笔交易之后再合并为一笔打包回主链即可。
而根据不同的打包方式、跟主链之间的验证方式，又区分为几种类型，目前最主流的L2方案为Rollups，其中非常有潜力的方案为ZK-Rollups，采用零知识证明，难度较高在过去较为小众，但V神在2023年的公开演讲中提到他认为零知识证明在接下来十年非常重要。
扩容后的以太坊可以有多快？
之前的以太坊区块链还是采取POW共识机制，当时平均每秒交易次数（TPS）大约是15笔，跟VISA相比确实是太慢了，许多后发的平台公链也都超过这数字，例如Solana的TPS大约介于2000-3000之间，理论值号称可以到65000 TPS。
以太坊的扩容方案基本上是链上和链下同时进行，链上部分更改了共识机制，从POW调整成POS，出块时间稍稍快了一些，也会持续提升区块容量，并采取分片技术，同时搭配Layer 2为主的链下扩容方案。
所以扩容后的以太坊到底可以有多快？
2022年7月，在以太坊社区会议（ETHCC）上，以太坊创始人Vitalik Buterin（V神）和以太坊的开发人员介绍了Ethereum最新的未来路线图（Roadmap）。
以太坊未来的发展会分为五个关键的部分，而这五个部分都是同时进行的，它们分别是：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge。
其中的The Merge指的是将主网和信标链合并，从POW共识机制转向POS的重大合并事件，这个合并已经在2022年9月15日完成，从那天起以太坊的挖矿成为历史，从此转换成POS机制。
一旦五大路线完成升级，以太坊的主链将可以达到，甚至超越10万TPS（Transaction Per Second），同时拥有超过64个分片，一口气处理大量交易。对比现在以太坊只有约15 TPS来说，完成升级后的以太坊将会快近10000倍。
如果区块链在未来生活中的应用不只是金融支付，那我们就不能只是单单拿VISA、Master的TPS来参考。如果区块链在日常中的应用可以就像我们现在使用网络一样自然而然，那区块链的扩容目标显然必须设定得更大，Google现今平均每秒约处理40000次搜索，这数字或许可以做为区块链扩容的初步目标。
以上就是什么是区块链扩容？链上链下扩容？有Layer 2之外的扩容方案？的详细内容，更多关于详解区块链扩容的资料请关注本站其它相关文章！
