Ethereum 的扩容困境

Ethereum 主网的局限

根据 Vitalik Buterin 提出的区块链三角悖论，没有任何一条链可以同时满足去中心化 (Decentralized )、安全性 (Security) 和可扩展性 (Scalability)，势必需要在三者之间做出取舍。而Ethereum 选择围绕前两者所建构，不仅顺利从POW 转型成POS 共识，也一直引领着行业内的创新和发展，成为目前最庞大的公链生态系，在去中心化程度和经济安全上也仅次于比特币。

然而，即便经历过多次升级，Ethereum 的可扩展性始终有其局限性，其平均出块时间为12 秒、TPS (Transaction Per Second，每秒处理的交易数量，简称TPS) 也只有13 左右，一旦链上活动较为活跃，网路就会出现堵塞的情况，并伴随高昂的交易手续费，严重影响使用者体验。而随着生态内的应用和用户规模不断成长，Ethereum 的扩容问题也不断放大，因此在2020 年， Vitalik Buterin 正式宣布Ethereum 的未来路线图将以Rollup (也就是Layer 2) 为发展重心，全力解决Ethereum 主网本身的可扩展性问题。

Layer 2 的隐忧

简单来说，Layer 2 就是 Ethereum 的计算层，原理是将交易的执行过程移至链下进行计算，并将多笔计算结果压缩成单一笔交易后传回 Ethereum 主网进行验证和最终结算。透过链下计算，Layer 2 的TPS 可以是主网的数十倍，且由于传回主网的单一交易中汇集了多笔交易信息，在主网验证的费用将由多个用户共同承担，交易成本更为低廉，带来更顺畅的用户体验，也顺利承接了来自主网的庞大用户和生态。根据 L2BEAT 和 Dune 的统计，至截稿 (11/18) 前，Layer 2 的 TVL 已高达 44 亿，总 TPS 约为 360，Ethereum 生态有 9 成以上的交易都在 Layer 2 上进行。

（图 1、Layer 2 的 TVL 和 TPS，来源：L2BEAT）

（图 2、Ethereum 主网和 Layer 2 的交易数占比，来源：Dune）

然而，包括尚未正式上线的专案在内，目前总计有52 条Layer 2，过多的Layer 2 导致用户分散和流动性碎片化，彼此之间为了抢用户和资金消耗大量资源，用户也必须将资产频繁地在不同的Layer 2 之间转移，不但要承担额外的交易成本，资产在转移过程也暴露于更多的风险之中。除此之外，在这 52 条 Layer 2 中，仅有 6 条符合 L2BEAT 所制定的*第一阶段安全标准，这表示绝大多数 Layer 2 并没有很好地继承 Ethereum 主网的安全性，用户的资金有可能在 Layer 2 故障时被冻结。

(*L2BEAT 对 Layer 2 制定的三阶段安全标准：
阶段 0：Layer 2 可以正常运作。
阶段 1：项目方释放部分权力，让一定比例的外部实体参与运作，去中心化程度较高，使用者能自主决定是否撤出资产。
阶段 2：完全去中心化，任何人都能够无须许可的参与和退出。 )

有鉴于此，Gear Protocol 推出 Gear.exe，利用非 Layer 2 的形式，在不牺牲主网安全性的前提下，将 Ethereum 的计算能力提升至 1000 倍以上，实现更高层级的扩容。

Gear.exe 简介

Gear.exe 由Gear Protocol 开发，是基于Vara Network (Gear Protocol 发布的Layer 1，会在下文中介绍) 建构的去中心化计算网路，完全相容于EVM，可视为Ethereum 网路的扩展套件，支援无限扩张的并行化执行，弥补Ethereum 自身扩容能力的不足，实现低延迟、低成本的交易体验。同时，Gear.exe 并不是一条链，不会产生自己的区块，仅是作为基础设施提供强大的运算资源，因此并不会和现有的Layer 2 竞争用户和资金，造成更严重的资产分片化问题。集成 Gear.exe 所带来的帮助包括：

• 运算性能最高可提升至原来的 1000 倍
• 减少 90-99% 的 Gas Fee
• 亚秒级的延迟和高速的交易结算 (仅受限于 Ethereum 主网的出块时间)
• 媲美 Web2 的使用体验
• 最佳化的 Rust 开发环境

受益于Gear.exe 强大的运算资源，开发者完全可以将庞大的计算工作外包给Gear.exe，建构具有复杂功能且计算密集型的Dapps，应用场景涵盖DeFi、GameFi、AI、机器学习、零知识证明和预言机等，不仅提高了交易效率并降低成本，还能进一步优化用户体验。

在安全性的部分，因为Gear.exe 并不是一条链，缺乏自身的共识保护，因此Gear.exe 引入再质押协议Symbiotic，由再质押的ETH 为Gear.exe 提供足够的经济安全性，避免验证节点作恶。如此一来，Gear.exe 就可以在不牺牲去中心化和安全性的前提下，提供另一种完全不同于Layer 2 的扩容方案以提升Ethereum 的可扩展性，同时也拓展更多计算繁重的使用语境。

发展历程

Gear Protocol 于2021 年9 月推出，是一个基于*Substrate 的智能合约平台，专为并行化程序开发多个专属功能，包括Actor Model、永久内存和WASM，可以编译来自Rust、Solidity、Ｃ 和C++ 等不同程式语言所编写的智能合约，使其能够兼容多个区块链，在无需修改智能合约的情况下实现跨网络部署。

（*Substrate：一种模块化的开发框架，可促进多个专用区块链的集成，进而增强可扩展性。）

Gear Protocol 原服务于Polkadot 生态，因为当时Polkadot 中继链本身并不支持智能合约的部署，开发者若想接入网路，就必须在平行链上部署合约代码，或是自行启动一个新的区块链并与Polkadot 连接。但因为后者成本高昂，所以大部分开发者都会选择在平行链上部署 Dapp 程序。由于 Gear Protocol 兼容不同程式语言，同时又提供各种基础设施，因此成为开发者的首选。 Gear Protocol 因而成为聚集 DeFi、DAO、NFT 等多种 Dapps 种类的平台，是进入 Polkadot 生态的重要入口。

2023 年9 年，Gear Protocol 正式推出独立的Layer 1 网路Vara Network，基于Substrate 框架开发，集成了Gear Protocol 的所有技术和功能，采用并行化程序大幅提升网路性能，且无需分叉和停机便能够进行升级，同时致力于降低Dapps 的开发门槛，旨在透过其强大的基础设施打造一个可长久发展的区块链网路。

2024 年 10 月，Gear Protocol 推出 Gear.exe，期望利用 Vara Network 本身的高性能优势，为 Dapps 处理复杂的计算任务，解决 Ethereum 的扩容问题。

团队背景

Gear Protocol 于2021 年9 月推出，团队成员多为公链Polkadot 和区块链开发框架Substrate 的核心开发人员，于Web3 领域深耕已久，在技术、金融、开发和销售等方面拥有深厚的行业经验。共同创办人兼执行长Nikolay Volf 自2015 年起开始参与Polkadot 和Substrate 的建设，在区块链基础设施公司Parity Technologies 任职时便推出首款WebAssembly 智能合约；共同创办人兼财务长Ilya Veller 则在金融领域有超过二十年的从业经验，曾在美国银行、摩根士丹利、Renaissance Capital、UniCredit 和ITI Capital 等机构担任销售主管，为各种项目筹集超过10 亿美元的资金；共同创办人兼开发主管Aleksandr Bugorkov 则在Lyft、New Relic 和Spoify 等知名公司具有丰富的技术经验。

融资状况

2021 年 12 月，Gear Protocol 完成由 Blockchange 领投的 1200 万美元融资，其他参投机构包含HashKey Capital、Lemniscap、三箭资本等。

Gear.exe 的运作机制

Gear.exe 特色是支持并行化程序，其核心技术主要有以下几点：

• 演员模型
  「Actor」在计算机程式领域指的是能够发送和接受信息的基本计算单元，可以是智能合约或终端使用者。在 Actor Model 中， Actor 之间的状态是互相保密的，仅能透过传输信息来交流和改变状态，确保每个 Actor 的隐私和安全性。所有信息的处理都是非同步的，也就是并行化执行，能够同时处理多个工作，不需要等待单一操作的结果出来后再执行下一步。

整个过程可以用做菜来比拟，假设今天要做一份牛排和一碗沙拉，正常来说都会先准备热锅热油，并在等待的时候去洗菜，等热好了再回来煎牛排，然后静置一段时间，再回去处理沙拉的部分，最后将两者摆好盘上桌。在等待的同时先去处理另外一个工作，这正是并行化执行的概念，不会在原地等待一个程序的结果出炉，而是同步处理多个程序，因此可以极大地提高网路的计算效能。

除此之外，为了避免 Actor 的状态因同时接收到多个信息而产生混乱，Actor 被限制每次只能处理单一信息的请求。举例来说，A 想要往帐户里存进10 美元，但同一时间B 却想要从该帐户提出5 美元，若同时接受A 和B 的请求，帐户余额可能会因此错乱；因此，在Actor Model的架构下，虽然请求是同时发出的，但帐户还是会有次序地执行A 和B 的要求，避免Actor 的状态出现错乱。

• 永久内存 (Persistent Memory)
  每个 Actor 的状态和所需数据皆保存于各自的记忆体中，不是外部的共享储存空间如硬碟和数据库，可以大幅减少与区块的 API 接口，直接从本地调用资料以减少延迟。再者，Actor 的状态储存会被「持久化」，即使智能合约暂停或系统重启，状态都能立即恢复。此外，Gear Protocol 使用了记忆体虚拟化技术 (Memory Virtualization)，追踪程序对记忆体的访问行为，确保只会读取和保存当前所需的数据，避免浪费多余运算资源。

• WebAssembly (简称 WASM)
  WASM 是一个隔离执行环境，允许智能合约在这里执行，并支援广泛的程式语言，开发者可以使用熟悉的开发工具将智能合约部署在 Gear.exe，大幅降低部署门槛。

运作流程

（图 3、Gear.exe 的运作流程，来源：@gear_techs/introducing-gear-exe-computation-engine-for-ethereum-54816874d8e6">Gear Protocol）

Gear.exe 为开发者提拱两种主要的集成方式：

• 原生集成 (Native Integration)
  dApps 直接调用 Gear.exe 的运作程序，无需透过 Etheruem 发出请求，可以实现即时的互动。

• 事件驱动集成 (Event-based Integration)
  由 Ethereum 上的智能合约发出事件请求让 Gear.exe 执行，Gear.exe 的验证者检测到该事件后会立即执行程序，可实现真正去中心化的集成。

不论是哪一种集成方式，实际的运作流程如下：

1. 接受请求后，验证节点会执行 dApps 在 Gear 部署的程序，并对最后的运算结果进行签名。为了避免节点作恶，其经济安全性由再质押协议Symbiotics和Vara Network的原生代币VARA质押者共同保障，并设有惩罚机制。
2. 在 Gear.exe 开始运作的同时，会回传一个预确认 (Pre-confirmation) 的信息给用户。预确认是一个交易收据，含有交易的发送者和接受者、哈希值、交易手续费等资讯，同时也承诺用户会处理该笔资料并将结果发布至链上。由于此时交易资料还在处理中，离最终在Ethereum 上做结算还需要一段时间，因此提供预确认以保证该笔交易在未来必定会实现，如此dApps 就不需要花费时间等待，可以带来更快速的使用体验。
3. 每过大约 8 秒，排序器会一次收集好所有运算结果 (可能包含多个不同 dApps 的交易) 和最新的状态根，打包上传至 Gear.exe 在 Ethereum 的智能合约。
4. 将交易结果传送至各个 dApps 的智能合约，更新其状态根。

透过这样的架构设计和技术支持，Gear.exe 提供了坚实的基础让 Web3 开发者有更多的灵活性实现复杂的功能，突破 Ethereum 的扩容困境，也避免用户和资金进一步分化。

Gear.exe 和 Layer 2 的比较

Gear.exe 和众多 Layer 2 一样，主要目标皆是为了提升 Ethereum 的可扩展性，使其能够承载更多的用户和应用，但两者在实作上却有很大的不同。因此接下来将从最重要的两点：安全性和性能去比较两者之间的异同。

安全性

不论是 Gear.exe 和 Layer 2，都是将 Ethereum 上的计算任务移至链下进行，再将交易打包传回主网。这表示交易在处理的过程中，有很大一部分是从 Ethereum 主网剥离的。因此，如何确保交易信息在链下计算时的安全和一致性，避免被节点恶意窜改，就成为一个非常重要的课题。

首先在Layer 2 中，以Arbitrum 为例，计算过程是由其自身的网路共识所保护，并由中心化排序器排列交易的次序，再上传主网进行结算，最后采用乐观性证明(Optimistic Proofs ) 机制，设有7 天的挑战期。乐观性证明先假设所有上传的交易资讯都是正确无误的，但会有一个挑战期，在此期间任何人若对最后的交易结果有疑义，皆可提出挑战。此时便会由 Ethereum 主网的验证者来进行计算，以确认交易的正确性。如此一来，即便 Arbitrum 网路的节点作恶，最后也可以由 Ethereum 来做最后一道防线。

Gear.exe 本身便缺乏网路共识，于是由 Symbiotic 中再质押的 ETH 提供经济安全，再由中心化排序器排序交易后传回主网。然而，在 Gear.exe 目前公开的文档中，并未明确说明是否有采用乐观性证明或是零知识证明 (Zero-Knowledge Proof) 的机制，以确认上传至 Ethereum 主网的资料是没有问题的。所以可知目前Gear.exe 安全性仅由Symbiotic 保护，然而目前尚不清楚再质押协议所提供的安全性是否能够完全等价于Ethereum 主网的共识，毕竟和原生共识相比，再质押协议是透过杠杆将Ethereum 自身的安全性提供给外部网路，中间经过多个智能合约，在层层堆叠的架构下具有一定的系统性风险。

除此之外，Gear.exe 和 Layer 2 都采用了中心化排序器来排列交易的次序，而不是由网路的共识来决定。虽然这样做的优点是可以提高网路的速度，但同时也赋予了排序器和项目方很大的权力。在极端状况下，项目方可以透过排序器组织对自己有利的交易次序，并拒绝纳入对己方不利的交易。面对排序器作恶的情况，主流的Layer 2 如Arbitrum 和Optimsim 会提供所谓的「逃生机制」，允许用户绕过排序器将自己的交易提交至主网上，但Gear.exe 并没有这样的设计。

综上所述，和 Layer 2 相比，Gear.exe 的安全性非常仰赖于 Symbiotic，且没有针对一些极端情况规划相对应的配套措施，并不如 Layer 2 来得成熟和周密。但关于这部分的更多细节，Gear.exe 或许会在未来推出的白皮书中有更多的阐述。

性能

性能上， Gear.exe 和 Layer 2 在进行计算时，都会返还预确认的信息给用户，表示系统已接受该笔交易并承诺会进行后续的处理，然后在最后将该交易发布在 Ethereum 主网。如此一来，使用者就不必被动等待 Ethereum 完成出块，可以迅速获得交易的初步结果，并在交易最终完成前继续执行其他操作，大幅提升了交易效率和流畅度。此外，在将资料传回主网时， Gear.exe 和Layer 2 皆使用了中心化排序器排列交易顺序，节省了形成共识的时间，并将多笔交易结果压缩成单一交易，就能够让Ethereum的区块容纳更多交易，Gas Fee 也更便宜。然而，Gear.exe 集成了Actor Model、永久内存和WASM 等技术以支援并行化程序，进一步优化了计算效能和资源，理论上可以展现出比Layer 2 更优秀的网路性能，但是否可以如官方宣称的提升至1000 倍以上，就有赖更多的数据来进行佐证。

前景与挑战

简单来说，Gear.exe 透过并行化执行，在目前Layer 2 的基础上进一步提高性能，并将自身定位为Ethereum 的扩展套件而不是另一条链，单纯为其他链上的Dapps 的提供运算服务，避免资产分片化的问题加剧，有望在未来取代部分的Layer 2，将Ethereum 生态重新整合在一起。同时，凭借 Gear.exe 带来的高性能优势，Ethereum 在面对其他以性能著名的公链如 Solana、Sei、Sui 和 Aptos 时将更具有竞争性。

然而，Gear.exe 的运作效能和稳定性是否真的可以达到其所宣称的表现仍有待验证；此外，在安全性的部分，Gear.exe 仅由Symbiotics 保护着，且和现有的Layer 2 相比欠缺许多相关的配套措施，在设计上存有不少隐患。而和性能相比，开发者和用户往往更重视安全性，毕竟在行业的发展过程里，骇客窃取资产的例子数不胜数，受害者也不乏规模庞大的中心化交易所，更何况是完全由代码驱动的链上协议。因此，若想要博取市场更多的信任，Gear.exe 势必要证明其安全性足够可靠，尤其是在面临如停机这样的端状况时的应对方案，这也是Gear.exe 未来需要先完善的部分。

结语

伴随区块链技术和模块化区块链的兴起，建构一条Layer 2 的门槛愈来愈低，甚至诸多平台推出「一键发链」的功能，导致Layer 2 的数量过于膨胀，让Ethereum 的开发者和用户无所适从。且每一条 Layer 2 都要重新建立起自己的生态，但也只是不断在重复做其他公链经历过的事情而已，一定程度上阻碍了新技术的创新。而 Gear.exe 可以为 dApps 提供比 Layer 2 更高的运作效能，且不需要迁移原有的用户和资金，并透过再质押提供安全保障，为 Ethereum 的扩容提供另外一种解决方案。虽然该方案尚未被大规模采用，也必须经过市场验证是否可行，但这无疑为 Ethereum 注入了一股活水，或许可以在扩容问题上找到更适合的解答，后续发展值得持续关注。