以太坊的可擴展性挑戰

以太坊主網的限制

根據維塔利克·布特林（Vitalik Buterin）的區塊鏈三難題，沒有任何區塊鏈可以同時實現去中心化、安全性和可擴展性。必須在這三個因素之間做出取捨。以太坊選擇專注於去中心化和安全性。它成功地從工作量證明（PoW）過渡到權益證明（PoS）共識，引領該行業的創新和發展。因此，以太坊已成為最大的公共區塊鏈生態系統，僅次於比特幣在去中心化和經濟安全性方面。

然而，儘管進行了多次升級，以太坊的可擴展性仍然有限。平均區塊時間為12秒，每秒交易數（TPS）僅約為13。當網絡活動激增時，將出現擁塞現象，伴隨高交易手續費，這嚴重影響用戶體驗。隨著生態系統越來越多的應用和用戶，以太坊的可擴展性問題變得更加突出。作為回應，2020年，Vitalik Buterin 正式宣布以太坊未來的路線圖將集中在 Rollups（即第二層解決方案）上，以解決主網的可擴展性問題。

Layer 2的隱憂

簡單來說，第二層指的是以太坊的計算層。其原則是將交易執行移至鏈下進行計算，然後壓縮多個交易結果成為一筆交易，送回以太坊主網進行驗證和最終結算。通過鏈下計算，第二層的每秒交易數可以是主網的數倍。此外，由於單筆交易返回主網包含多個交易詳情，驗證成本將由多個用戶共享，降低交易成本並提供更順暢的用戶體驗。這使得第二層能夠處理來自主網的大量流量和生態系負載。

根據L2BEAT和Dune的統計數據，截至最新數據（11月18日），第2層的總鎖定價值（TVL）已達到44億美元，總TPS約為360。目前超過90%的以太坊生態系統交易都在第2層進行。

圖1：第2層TVL和TPS，來源：L2BEAT

圖2: 以太坊主網與第2層交易份額對比，資料來源: Dune

但是，目前有52個第2層解決方案，包括一些尚未正式推出的解決方案。第 2 層項目的數量之多導致使用者碎片化和流動性分散在不同的平臺上。為了爭奪用戶和資金，這些平臺消耗了大量資源。使用者還需要頻繁地在不同的第 2 層解決方案之間轉移資產，從而產生額外的交易成本，同時在轉移過程中使其資產面臨更大的風險。

此外，在 52 個 Layer 2 解決方案中，只有 6 個符合 L2BEAT 設定的第一階段安全標準。這表明大多數 Layer 2 解決方案未能充分繼承以太坊主網的安全性，用戶的資金在 Layer 2 失敗時可能會被凍結。

(L2BEAT的三階段Layer 2安全標準：
Phase 0：第二層解決方案正常運作。
第一阶段：项目团队放弃一部分控制权，允许一定比例的外部实体参与，从而实现更高的去中心化水平。用户可以决定是否提取他们的资产。
第 2 階段：完全去中心化，任何人都可以在未經許可的情況下參與和退出。

鑒於這些挑戰，Gear Protocol推出了Gear.exe，這是一個非Layer 2解決方案，可以顯著提升以太坊的計算能力，增加了1000倍，同時不會犧牲以太坊主網的安全性，從而實現更高水平的可擴展性。

Gear.exe介紹

Gear.exe由Gear Protocol開發，是一個建立在Vara Network（Gear Protocol發佈的第1層，稍後將介紹）上的去中心化計算網路。與乙太坊虛擬機（EVM）完全相容，Gear.exe可以被視為乙太坊網路的擴展套件。它支援無限可擴展的並行執行，彌補乙太坊自身的可擴展性限制，並提供低延遲、低成本的交易體驗。重要的是，Gear.exe不是區塊鏈，也不會生成自己的區塊。相反，它充當提供強大計算資源的基礎設施，這意味著它不會與現有的第 2 層解決方案競爭使用者和資金，從而避免資產的進一步碎片化。

整合Gear.exe帶來的好處包括:

• 計算性能提高了最多1000倍
• 將天然氣費用降低90-99%
• 次秒級延遲和快速交易結算（僅受以太坊主網區塊時間限制）
• Web2-like 用戶體驗
• 優化的Rust開發環境

由於Gear.exe強大的計算資源，開發人員可以將複雜且計算密集的任務外包給Gear.exe，用於構建具有精密功能和高計算需求的DApps。應用案例包括DeFi、GameFi、人工智能、機器學習、零知識證明和預言機。這增加了交易效率，降低成本，進一步優化了用戶體驗。

關於安全性，由於Gear.exe不是區塊鏈，缺乏自己的共識保護，因此引入了一個名為Symbiotic的重新質押協定。通過重新質押的ETH，Symbiotic為Gear.exe提供了足夠的經濟安全性，防止了驗證者節點的惡意行為。這允許Gear.exe提供與第 2 層不同的替代可擴充性解決方案，在不影響去中心化或安全性的情況下增強乙太坊的可擴充性，同時支援更多計算密集型用例。

發展歷程

Gear 協定於 2021 年 9 月推出，是一個基於 Substrate 的智慧合約平臺，專為並行程式開發而設計，具有多種專用功能，包括 Actor 模型、永久記憶體和 WASM。它支援用 Rust、Solidity、C 和 C++ 等多種程式設計語言編寫的智慧合約，使其與多個區塊鏈相容，並允許跨網路部署而無需修改合約。

（Substrate：一個模組化的開發框架，有助於整合多個專門的區塊鏈，增強可擴展性。）

最初，Gear Protocol 服務了 Polkadot 生態系統。當時，Polkadot 的中繼鏈不支持部署智能合約，因此希望連接到該網絡的開發人員必須在平行鏈上部署合約或創建一個新的區塊鏈並將其連接到 Polkadot。由於後者成本較高，大多數開發人員選擇在平行鏈上部署 DApps。Gear Protocol 兼容不同的編程語言並提供各種基礎設施，因此成為開發人員的首選平台。因此，它成為 DeFi、DAO、NFT 和其他 DApp 類型的樞紐，在 Polkadot 生態系統中扮演著關鍵角色。

在2023年9月，Gear Protocol正式推出了其獨立的第1層網絡Vara Network，該網絡是基於Substrate框架開發的。Vara Network集成了Gear Protocol的所有技術和功能，採用了並行處理的方式，顯著提升了網絡性能。它還可以在無需硬分叉或停機的情況下升級，並致力於降低DApps的開發門檻，旨在通過其強大的基礎設施創建一個具有長期可持續性的區塊鏈網絡。

在2024年10月，Gear Protocol推出了Gear.exe，旨在利用Vara Network的高性能优势来处理DApps的复杂计算任务，并解决以太坊的可扩展性挑战。

團隊背景

齒輪協定於 2021 年 9 月啟動。該團隊由來自Polkadot和Substrate區塊鏈開發框架的核心開發人員組成。憑藉在 Web3 方面的豐富經驗，該團隊在技術、財務、開發和銷售方面擁有深厚的專業知識。

Nikolay Volf, 聯合創始人兼首席執行官，自2015年起就參與Polkadot和Substrate。在區塊鏈基礎設施公司Parity Technologies工作時，他推出了第一個WebAssembly（WASM）智能合約。

Ilya Veller, 聯合創始人兼首席財務官，擁有超過20年的金融行業經驗。他曾在包括美國銀行、摩根士丹利、文藝復興資本、維信銀行和ITI Capital在內的機構擔任高級銷售職位，為各種項目籌集了10億美元以上的資金。

Aleksandr Bugorkov，聯合創始人兼CTO，擁有豐富的技術經驗，曾在Lyft、New Relic和Spotify等公司工作，在那裡他致力於創新技術解決方案。

資金狀態

2021年12月，Gear Protocol完成了由Blockchange Ventures領投的1200萬美元融資輪。其他投資者還包括HashKey Capital、Lemniscap和Three Arrows Capital。

Gear.exe如何工作

Gear.exe支援並行化的程式，其核心技術基於數個關鍵組件：

• 演員模型

在計算機編程中，“Actor”是一個基本的計算單元，可以發送和接收信息。演員可以代表智能合約或最終用戶。在演員模型中，演員之間的狀態保持私有，只能通過消息傳遞進行修改或通信。這樣可以為每個演員提供隱私和安全。所有進程都是異步的，這意味著它們是並行執行的，可以同時處理多個任務，而不必等待上一個任務的結果。

舉例來說，想像一下你正在準備一塊牛排和一份沙拉。通常，你會先加熱平底鍋和油，然後在等待平底鍋加熱時，你可以開始洗蔬菜。一旦平底鍋準備好，你回來煮牛排，讓它休息，然後再回去準備沙拉。這個過程類似於並行執行，當一個任務在等待結果時，另一個任務可以被處理，大大增強了計算效率。

此外，為了避免因多個消息同時到達而導致混亂，一個演員一次只能處理一個請求。例如，如果 A 想要將 10 美元存入一個帳戶，而 B 同時想要從同一個帳戶中提取 5 美元，同時處理這兩個請求可能會導致帳戶餘額不正確。在演員模型下，即使請求同時進來，系統也會依次執行它們（例如，先處理 A 的請求，然後是 B 的），以確保帳戶餘額保持一致。

• 持久性記憶體

每個角色的狀態和所需的數據都存儲在自己的內存中，而不是外部共享存儲（如硬盤或數據庫）。這大大減少了與區塊鏈交互需要的 API 調用，允許直接從本地內存訪問數據，從而減少了延遲。此外，每個角色的狀態是持久化的，這意味著即使智能合約暫停或系統重新啟動，也可以立即恢復角色的狀態。

Gear Protocol還使用了記憶體虛擬化技術，該技術通過跟踪程序的記憶體訪問行為來確保只讀取和保存必要的數據。這減少了計算資源的浪費，使系統更加高效。

• WebAssembly（WASM）

WebAssembly（WASM）是一個獨立的執行環境，允許智能合約高效運行。它支持多種編程語言，因此開發人員可以使用熟悉的開發工具在Gear.exe上部署智能合約。這顯著降低了部署障礙，使開發人員能夠在不學習新語言或框架的情況下利用Gear.exe的計算能力。

Gear.exe的操作流程

圖3，Gear.exe的操作過程，來源：Gear Protocol

Gear.exe為開發人員提供了兩種主要的整合方法，用於與其平台進行交互：

1. 本地整合
   在這種方法中，dApps 直接調用 Gear.exe 的操作程序，而不需要向以太坊發送請求。這使得與系統的實時交互成為可能。

2. 基於事件的整合
   在這個模型中，以太坊智能合約發出事件，觸發 Gear.exe 運作。當 Gear.exe 的驗證者檢測到事件時，它們立即執行相應的過程。這使得以太坊和 Gear.exe 能夠無縫運行，實現完全去中心化的整合。

無論選擇哪種整合方法，操作流程都遵循以下步驟：

逐步流程

1. 請求接受
   在收到請求後，Gear.exe 的驗證節點在 Gear 環境內執行 dApp 的部署程式。然後節點對最終計算結果進行簽名以確保其有效性。

2. 通過重新投資實現經濟安全
   為了防止節點的惡意行為，Gear.exe 的經濟安全由共生重押協議保護。此外，Vara Network 的原生代幣（VARA）的押注參與者也有助於安全性。還有處罰機制用於阻止不誠實的行為。

3. 預確認
   當 Gear.exe 開始處理該請求後，會向用戶發送一個預確認。這個預確認充當收據，包含了交易詳情，如發送者、接收者、哈希值、交易費等。它向用戶保證該交易將在以太坊上被處理並最終完成。預確認至關重要，因為交易數據仍在處理中，而在以太坊上的最終結算將需要一些時間。通過提供預確認，Gear.exe 允許 dApps 避免等待交易最終完成，提供更快速的用戶體驗。

4. 結果彙總和上傳
   大約每8秒，序列收集所有計算結果（可能涉及來自多個dApps的交易）和最新的狀態根。然後將這些結果打包並上傳到以太坊的Gear.exe智能合約。

5. 更新dApps的智能合約
   最終交易結果將被發送到相應的dApps智能合約，並使用最新數據更新它們的狀態根。

Gear.exe架構的主要特點

• Web3開發者的靈活性：
  Gear.exe 的架構和整合方法為 Web3 開發人員提供更大的靈活性，使他們能夠根據使用案例選擇原生和事件驅動的整合方式。

• 性能和速度：
  通過提供預確認和在鏈下處理交易，Gear.exe讓dApps能夠提供更快速、更順暢的用戶體驗，因為用戶可以立即與平台互動，而不用等待在以太坊上完成完整交易。

• 安全與驗證：
  重新抵押、驗證者節點和懲罰機制的結合確保了系統的安全性，並且防止惡意行為。依賴以太坊主網進行最終結算，為系統增加了額外的安全層，因為以太坊的共識是交易合法性的最終裁定者。

這種結合了高性能、快速交易和強大安全功能的方法，將Gear.exe定位為Web3開發人員尋求以可擴展和高效的方式將離鏈計算與以太坊集成的寶貴工具。

Gear.exe和第二層之間的比較

Gear.exe和各種二層解決方案都旨在改善以太坊的可擴展性，使其能夠容納更多用戶和應用程序。然而，在這兩種方法的實施方式上存在顯著的差異。本次比較將聚焦於兩個關鍵方面：安全性和性能。

安全

Gear.exe和Layer 2解決方案都將以太坊的計算任務轉移到鏈下，然後將交易打包回主網。這意味著有相當大一部分交易處理是在鏈下進行的，因此在鏈下計算期間確保交易數據的安全性和一致性以防節點進行惡意修改變得至關重要。

• 第2層（例如，Arbitrum）：在像Arbitrum這樣的第2層解決方案中，計算過程由其自己的網絡共識保護。交易由集中式排序器排序，然後上傳到主網進行結算。Arbitrum使用樂觀證明機制，具有7天的挑戰期。系統假設所有上傳的交易數據都是正確的，但提供了一個窗口供任何人挑戰交易。如果發生挑戰，以太坊驗證者負責確認交易的有效性。這種設計確保即使Arbitrum的網絡節點是惡意的，以太坊也可以作為最後的防線。
• Gear.exe：Gear.exe缺乏自己的網路共識，而是依賴Symbiotic，後者使用重新質押的ETH來提供經濟安全。交易首先由集中式排序器排序，然後傳輸到乙太坊主網。但是，Gear.exe當前的文檔沒有具體說明它是否採用樂觀證明或零知識證明（ZKP）等機制來驗證上傳到乙太坊的數據是否正確。因此，Gear.exe的安全性在很大程度上依賴於Symbiotic的重新質押協定。目前尚不清楚這種重新質押模型提供的安全性是否完全符合乙太坊的原生共識，因為重新質押機制通過智慧合約利用乙太坊的安全性，引入了潛在的系統性風險。

此外，Gear.exe和Layer 2都使用集中式排序器來排序交易，而不是依賴網絡共識。雖然這加快了網絡速度，但也賦予了排序器和項目團隊相當大的權力。在極端情況下，項目團隊可以操縱交易順序，以偏向自己並拒絕對其利益有害的交易。像Arbitrum和Optimism這樣的Layer 2解決方案提供了一種逃逸機制，允許用戶繞過排序器，直接將交易提交到主網。然而，Gear.exe並沒有這樣的設計。

安全性結論：
與第2層解決方案相比，Gear.exe的安全性在很大程度上依賴共生，並且缺乏第2層解決方案中發現的一些極端情況的應對措施。就安全性而言，它並不像第2層解決方案那樣成熟和結構良好。然而，Gear.exe可能會在未來的白皮書中提供更多細節，以澄清其安全模型。

表現

就性能而言，Gear.exe和Layer 2在交易處理期間都向用戶返回預確認信息，表明系統已接受該交易並將對其進行處理。這使用戶可以快速接收初始交易結果並在不必等待以太坊確定區塊的情況下繼續其他操作，顯著提高了交易速度和效率。此外，Gear.exe和Layer 2使用集中式序列器來排序交易，節省了共識形成的時間並將多個交易壓縮成一個。這降低了Gas費用，使以太坊區塊可以容納更多交易。

• 第二層：
  第二層解決方案，如Arbitrum，通過卸載計算來提供比以太坊基礎層更高的性能。然而，第二層在可擴展性方面仍然面臨一些限制，因為它通常支持線性事務吞吐量的提升，而不是指數增長。

• Gear.exe：
  Gear.exe整合了幾項先進技術，如Actor Model、持久性記憶體和WebAssembly（WASM），以支援任務的並行執行。這進一步優化了計算效率和資源使用。流程的並行化使Gear.exe有可能提供比第2層解決方案更高的網路效能。Gear.exe聲稱它可以實現以太坊基礎層計算能力的1000倍，但這一說法能否得到證實取決於未來的性能數據和測試。

性能結論：
儘管 Layer 2 解決方案已經在以太坊上提供了顯著的性能改進，但 Gear.exe 可能因為支援並行執行而提供更大的網絡性能。然而，它能否實現聲稱的 1000 倍改進，仍需要通過數據和現實世界的測試來進行驗證。

前景與挑戰

簡單來說，Gear.exe通過並行執行來提高性能，建立在現有的第 2 層基礎設施之上，並將自己定位為乙太坊的擴展模組，而不是新的區塊鏈。它專注於為其他鏈上的DApp提供計算服務，避免了多個二級解決方案帶來的資產碎片化問題。未來，Gear.exe可能會取代一些第 2 層解決方案，將乙太坊的生態系統重新整合在一起。此外，憑藉其高性能功能，Gear.exe使乙太坊與其他以性能為導向的公共鏈（如Solana，Sei，Sui和Aptos）相比更具競爭力。

然而，Gear.exe的運行性能和穩定性是否真正能夠符合所宣稱的要求，還有待觀察。此外，在安全方面，Gear.exe僅受Symbiotics保護，缺乏現有第2層解決方案提供的許多相關措施。需要考慮設計風險，尤其是與第2層解決方案的更成熟的安全功能相比。安全性往往是開發人員和用戶的更高優先級，尤其要考慮到許多駭客竊取資產的事件，包括從大型中心化交易所竊取資產的事件。鑒於Gear.exe是完全由代碼驅動的鏈上協議，其安全性必須被證明是堅固且可靠的，尤其是在應對停機等情況時。這是Gear.exe需要改進和加強以獲得更多市場信任的領域。

結論

隨著區塊鏈技術和模塊化區塊鏈的崛起，創建第2層的門檻變得越來越低，許多平台提供“一鍵鏈創建”功能。因此，第2層解決方案的數量過分擴大，讓以太坊的開發者和用戶對於該選擇哪一個感到不確定。每個第2層都需要創建其生態系統，但這僅僅是在某種程度上重復了其他公鏈已經經歷過的過程，這在某種程度上阻礙了新技術的創新。

Gear.exe為DApps提供了比Layer 2更高效的解決方案，並消除了遷移現有用戶和資金的需求。通過使用重新抵押進行安全性，它為以太坊的可擴展性挑戰提供了一種獨特的替代方案。雖然這個解決方案尚未被廣泛採納，並且必須經受市場驗證，但它無疑為以太坊帶來了新的可能性。Gear.exe可能為擴展以太坊提供了更合適的解決方案，其未來發展值得持續關注。