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大型pos機(jī)拆卸
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作者 | 殷耀平
本文來源:小蔥快訊
以太坊歷盡千帆,歸來仍在擴(kuò)容,源源不斷的新方案新思路新架構(gòu)......
引言
眾所周知,以太坊網(wǎng)絡(luò)有限的交易處理能力極大阻礙了其成為“世界計算機(jī)”的步伐。以太坊創(chuàng)始人Vitalik曾多次公開示,在保持既有安全性與去中心化特性的前提下實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈擴(kuò)容,是當(dāng)下以太坊技術(shù)團(tuán)隊(duì)的核心工作。
然而,由于時至今日,遲遲未見其擴(kuò)容技術(shù)方案帶來的質(zhì)性飛躍,眾多開發(fā)者和用戶對以太坊智能合約平臺的擁堵現(xiàn)狀及應(yīng)用前景日漸憂慮。
自2016年以來,以太坊的種種擴(kuò)容嘗試就經(jīng)常性涌入公眾視野(包括Plasma、Sharding、Casper等等),究竟其擴(kuò)容方案都經(jīng)歷了哪些變化,當(dāng)前進(jìn)展以及最新規(guī)劃如何,小蔥特此對以太坊的擴(kuò)容長征路進(jìn)行了梳理與分析。
擴(kuò)容呼聲日漸迫切 V神丟出新構(gòu)想
近日,以太坊客戶端Parity的開發(fā)人員Afri Schoedon指出以太坊已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行,提醒用戶“不要繼續(xù)在以太坊網(wǎng)絡(luò)部署DAPP”,并呼吁開發(fā)人員轉(zhuǎn)移到以太坊經(jīng)典(ETC)或POA網(wǎng)絡(luò)(基于以太坊的側(cè)鏈),他認(rèn)為這些網(wǎng)絡(luò)的交易處理能力依然很強(qiáng)。
對此,Vitalik當(dāng)即回應(yīng)表示“不同意”Schoedon的看法,并指出,“1)大多數(shù)DAPP都有優(yōu)化gas的空間,就算你不這樣做,只要你的DAPP抬高了gas費(fèi)用,增加了網(wǎng)絡(luò)壓力,其它DAPP也會進(jìn)行優(yōu)化;2)以太坊鏈上還有很多毫無價值的垃圾交易;3)每個人都應(yīng)該研究關(guān)注二層方案?!?/p>
并且,Vitalik在以太坊技術(shù)論壇上發(fā)文表示,二層方案不需要權(quán)衡數(shù)據(jù)的可行性,也沒有活躍度要求。如果部署得當(dāng),使用zk-snarks進(jìn)行批量交易驗(yàn)證,以太坊可以“大量”擴(kuò)容,每次交易的成本不會高于1000 gas,最多可完成每秒500筆鏈上交易,十分安全,且不依賴第二層擴(kuò)展方案(如Plasma或雷電網(wǎng)絡(luò))。
在該論壇上,Vitalik與眾多開發(fā)者就該方案的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論。他承認(rèn)運(yùn)用zk-snark技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量交易驗(yàn)證將伴隨大量的零知識證明計算工作(證明的生成),不過他認(rèn)為,證明計算的性能無需擔(dān)憂,從長遠(yuǎn)來看,可以將這些工作外包給采礦業(yè)和GPU農(nóng)場。
Vitalik指出利用零知識證明技術(shù)做批量交易驗(yàn)證是一個二層解決方案,其設(shè)計難點(diǎn)在于:要求每個驗(yàn)證器都實(shí)際擁有所有數(shù)據(jù),需要隨機(jī)抽樣的驗(yàn)證器子集來證明不同數(shù)據(jù)子集的所有權(quán),而這就需要通過“分片”設(shè)計來解決,這是難點(diǎn)所在。
小蔥注:zk-snark,是一項(xiàng)隱私應(yīng)用非常廣泛的技術(shù),全稱是Zero knowledge succinct non-interactive argument of knowledge(零知識簡潔非交互知識的證據(jù)),已在Zcash項(xiàng)目里經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),被認(rèn)為是較成熟的技術(shù)。zk-snark技術(shù)的亮點(diǎn)在于,生成證明的簡潔,以及驗(yàn)證速度的高速。本次Vitalik提出的方案中使用該技術(shù)的目的旨在提升可擴(kuò)展性,而非強(qiáng)化隱私。就目前來看,以太坊2.0中具體如何落地這一技術(shù)還處于探討之中。
以太坊開發(fā)人員很久之前就注意到區(qū)塊鏈擴(kuò)容的重要性。也討論和提出過諸多實(shí)驗(yàn)方案。
擴(kuò)容伊始 :那些被pass的理論方案
替代幣(altcoin)擴(kuò)容方案
理論上,可使用替代幣(altcoin)解決擴(kuò)容問題。該方案是將轉(zhuǎn)賬計算放在鏈下進(jìn)行,并且接受同時存在多個替代幣,它們各自擁有自己的區(qū)塊鏈。如此一來,每個區(qū)塊鏈減少的流量,能讓整個區(qū)塊鏈得以擴(kuò)容。但它造成的直接后果是,每個區(qū)塊鏈有更少的節(jié)點(diǎn),容易被攻擊或出現(xiàn)惡意用戶。使用替代幣維持了去中心化和提高了擴(kuò)容性,卻極大舍棄了安全性。
增加區(qū)塊大小
以太坊網(wǎng)絡(luò)中增加區(qū)塊大小,即提高gas值限制。2017年6月,以太坊基金會聯(lián)合創(chuàng)始人Hudson Jameson曾呼吁礦工手動修改Gas限制以提高網(wǎng)絡(luò)的交易吞吐量。但該方案也存在諸多弊端:隨著Gas值上限被放大,網(wǎng)絡(luò)易于被那些擁有大量驗(yàn)證處理能力的超級計算機(jī)掌控,淪為中心化系統(tǒng);且該方案會導(dǎo)致以太坊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)叔塊(處于非最長鏈上的區(qū)塊)的幾率升高,所以大部分礦工對這一擴(kuò)容方式未作過多響應(yīng)。
盡管擴(kuò)容實(shí)現(xiàn)遇到種種阻礙,但以太坊開發(fā)者們不斷尋求擴(kuò)容問題的出路,并先后提出了多項(xiàng)技術(shù)方案。
擴(kuò)容探索:多項(xiàng)技術(shù)方案并行研究
EIP648擴(kuò)容提案:并行活動
2017年6月17日,V神在Github 開源代碼庫上發(fā)布了名為 EIP 648 的擴(kuò)容提案。
該方案旨在通過各節(jié)點(diǎn)間的高效并行來緩解交易擁堵問題。節(jié)點(diǎn)在多個內(nèi)核上并行進(jìn)程,允許在一個線程上單獨(dú)運(yùn)行ICO,而以太坊網(wǎng)絡(luò)保持不變。簡言之即分流,將ICO活動與以太坊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分開進(jìn)行,這樣就能在不影響正常以太坊網(wǎng)絡(luò)流量的情況下同時處理多個 ICO 項(xiàng)目(據(jù)V神的說法,最多可達(dá)到8個)。但即使通過將這些活動分開運(yùn)行,也終究是治標(biāo)不治本,非長久之計。
小蔥注:EIP(Ethereum Improvement Proposals),即以太坊改進(jìn)建議。為促進(jìn)以太坊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的去中心化,以太坊社區(qū)內(nèi)每件與以太坊未來發(fā)展有關(guān)的意見建議, 都可以用EIP格式提交出來,經(jīng)過討論該提案被大家選上后,會正式列入EIPs清單。EIP648就是一類擴(kuò)容改進(jìn)提案,但小蔥發(fā)現(xiàn)它并未被列入EIPs清單內(nèi)。
雷電網(wǎng)絡(luò)(Raiden):把一部分交易放在鏈外
網(wǎng)絡(luò)(Raiden Network)是一種利用鏈下支付通道網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)以太坊擴(kuò)容的技術(shù)。該項(xiàng)目始于2015年,與比特幣上的閃電網(wǎng)絡(luò)原理類似,雷電技術(shù)把以太坊區(qū)塊上的絕大多數(shù)交易轉(zhuǎn)移至鏈外處理,允許用戶通過私下交換轉(zhuǎn)賬簽名信息實(shí)現(xiàn)交易,從而大幅度增加交易處理速度。
2017年9月,雷電項(xiàng)目的測試網(wǎng)絡(luò)在以太坊上部署完成,同年12月,“微型雷電網(wǎng)絡(luò)”(uRaiden)上線以太坊主網(wǎng)。uRaiden是雷電網(wǎng)絡(luò)的MVP版本,旨在提供一種小額支付機(jī)制,類似于比特幣的閃電網(wǎng)絡(luò)。雷電網(wǎng)絡(luò)方案的主要好處是,能大幅降低每筆交易的燃料費(fèi)用,但它也主要適用于經(jīng)常性小額支付場景。
Plasma:把數(shù)據(jù)放在鏈外
與雷電網(wǎng)絡(luò)類似,Plasma也是一種鏈下擴(kuò)容解決方案。Plasma項(xiàng)目將區(qū)塊鏈設(shè)計為樹狀結(jié)構(gòu),使用大量“子區(qū)塊鏈”來分擔(dān)主鏈上的數(shù)據(jù)儲存量,每個子鏈都能處理和維護(hù)它自己的轉(zhuǎn)賬記錄,同時使用特定技術(shù)實(shí)現(xiàn)“主鏈”與“子鏈”的連接,由主鏈維護(hù)其安全性,主鏈只需在子鏈中出現(xiàn)爭議時才進(jìn)行計算,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化交易處理速度和效率。如果子鏈上的節(jié)點(diǎn)愿意,它們也可以提交轉(zhuǎn)賬信息并輸出他們的轉(zhuǎn)賬記錄到主鏈。
該方案允許每個Plasma鏈都可以有自己的標(biāo)準(zhǔn),也即不同子鏈可以支持有不同需求的交易(如私有鏈),且所有交易都處在同樣安全的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)。
2017年8月9日,以太坊創(chuàng)始人與閃電網(wǎng)絡(luò)白皮書聯(lián)合作者Joseph Poon提出新型擴(kuò)容方案“Plasma”。2017年11月,V神在推特上稱Plasma實(shí)現(xiàn)已經(jīng)開始。2018年1月,今年1月公布了Plasma MVP版本,是一種基于Plasma的開源合約。據(jù)悉,Plasma方案可實(shí)現(xiàn)每秒十億次交易處理量,但具體實(shí)施效果怎么樣還有待驗(yàn)證,且目前看來,它主要是為代幣轉(zhuǎn)移(ERC/ETH)而設(shè)計,如何擴(kuò)展至更復(fù)雜的代幣(如ERC721)或甚至更通用的狀態(tài)轉(zhuǎn)換還是未知數(shù)。不過,把部分?jǐn)?shù)據(jù)放在主鏈之外處理似乎是一大主流擴(kuò)容趨勢。
Sharding(分片)
與Plasma和雷電網(wǎng)絡(luò)不同,分片(Sharding)是一種鏈上擴(kuò)容技術(shù),旨在提升協(xié)議基礎(chǔ)層的容量。
受傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫啟發(fā)而來,分片就是把區(qū)塊中的數(shù)據(jù)分成很多不同的“片段”并分別存放在各個節(jié)點(diǎn)中,減少每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲量的同時,提高系統(tǒng)的驗(yàn)證速度。目前,以太坊上的交易是以線性順序運(yùn)行,每個礦工都在執(zhí)行同樣的程序,整個網(wǎng)絡(luò)的計算能力取決于單臺電腦的計算能力。而分片是一種動態(tài)的分區(qū)驗(yàn)證交易的解決方案,由用戶自行選擇由哪一個分片執(zhí)行自己的交易,允許區(qū)塊處理并行進(jìn)行。這種“鏈上”解決方案通過多個網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)來分配交易負(fù)載,允許更多的交易在同一時間得到確認(rèn),從而達(dá)到擴(kuò)容效果。
2017年11月,V神在以太坊開發(fā)者大會及臺北舉行的區(qū)塊鏈技術(shù)交流會議上表示,分片技術(shù)或是可擴(kuò)展性問題最有可能的解決方案,同時也正是以太坊2.0發(fā)展路線圖中的重點(diǎn)。今年4月30日,V神發(fā)布了一條“分片即將到來”的推文,并分享了一個新的代碼庫,演示如何把分片擴(kuò)展解決方案“拴在”以太坊主鏈上,似乎想表示分片技術(shù)正在開始走向落地和實(shí)現(xiàn)。
V神從不吝嗇對分片技術(shù)前景的看好,他相信分片將大幅度改善以太坊現(xiàn)有的并發(fā)限制,真正實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。分片被業(yè)界視為更為長期有效的、且理論上可行的擴(kuò)容方案,不過該方案的實(shí)施還面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。比如,需要確保每個片區(qū)有足夠多的節(jié)點(diǎn)來防止單分片接管攻擊,因?yàn)橐粋€片區(qū)節(jié)點(diǎn)太少容易出現(xiàn)妥協(xié)和欺詐;再如跨分片交易也是一大難點(diǎn),目前需要冗長的收據(jù)和證明;此外,還有在收到無效排序規(guī)則時,各片區(qū)節(jié)點(diǎn)如何識別和驗(yàn)證欺詐行為,并拒絕這個排序規(guī)則,以及數(shù)據(jù)可用性問題等等。
Casper
Casper在內(nèi)容上更廣泛,但也有擴(kuò)容效果。
Casper項(xiàng)目致力于將以太坊主網(wǎng)共識算法從POW轉(zhuǎn)向POS,自2014年就被提出,四年來,以太坊開發(fā)者們就該協(xié)議實(shí)施需克服的種種問題(如長程攻擊、無利害攻擊、51% 攻擊、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)恢復(fù)等)做了大量的技術(shù)嘗試,并發(fā)展出2條研究分支:Casper FFG(一種混合POW/POS的共識機(jī)制,相當(dāng)于POS的初級階段)以及Casper CBC(Vlad Zamfir正在構(gòu)建的完整的POS版本)。據(jù)V神稱,二者但主要權(quán)衡是,后者有更好的理論屬性,而前者更容易實(shí)現(xiàn)。
最終的Casper協(xié)議比純粹對擴(kuò)容方案內(nèi)涵更廣,包括能源消耗改善和安全性的提高。不過,正因?yàn)椋ㄅcPOW相比)單個節(jié)點(diǎn)消耗能源更少,該網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容難度更高。盡管Casper并非專為擴(kuò)容而設(shè)計,但它會對以太坊網(wǎng)絡(luò)容量產(chǎn)生積極影響。
根據(jù)V神今年8月份連續(xù)發(fā)布的75條推特對POS與Casper研究歷史的回顧闡述,由于后期Casper FFG 方案遇到種種困難開發(fā)工作慢了下來,且團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷分散在Casper項(xiàng)目和分片項(xiàng)目之間,導(dǎo)致了很多重復(fù)性工作。
因此,2018年6月,以太坊核心開發(fā)者電話會議上,團(tuán)隊(duì)最終決定徹底放棄“用合約實(shí)現(xiàn)混合 Casper FFG”的想法,而是集中精力追求完全 Casper 的獨(dú)立鏈,將Casper與分片設(shè)計進(jìn)行融合。這一決定正式宣告了EIP1011(PoW 與 PoS)與既有的 Capser FFG 協(xié)議的終止。
以太坊2.0(Casper & Sharding):擴(kuò)容收官之戰(zhàn)?
根據(jù)以太坊Casper + Sharding chain v2.1工作進(jìn)展描述文檔(該文檔最早于6月底發(fā)布,持續(xù)更新中,最近一次更新在2天前),以太坊2.0將有一項(xiàng)新的設(shè)計——信標(biāo)鏈(Beacon),而這項(xiàng)新設(shè)計將對以太坊的可擴(kuò)展性和分散性產(chǎn)生巨大影響。
小蔥注:在社區(qū)內(nèi)部各類開發(fā)文檔中,以太坊2.0被稱為“A sharded POS Ethereum 2.0”,可見其同時嵌入了分片與POS算法機(jī)制,融合這兩大技術(shù)的新型主鏈被稱作信標(biāo)鏈。這是近年來以太坊一個比較大的動作。目前,以太坊2.0的路線圖尚未確定,其相關(guān)的設(shè)計和規(guī)范也在不斷變化。
雖說擴(kuò)容是一項(xiàng)持續(xù)性需求,但根據(jù)ETH2.0的設(shè)計,信標(biāo)鏈似乎會帶來質(zhì)的飛躍,有望成為一項(xiàng)里程碑式的擴(kuò)容收官之戰(zhàn)。與這項(xiàng)新設(shè)計相關(guān)的術(shù)語見下表:
信標(biāo)鏈是POS系統(tǒng)的“主鏈”,與當(dāng)前的以太坊區(qū)塊鏈并行運(yùn)行。當(dāng)然,現(xiàn)有的以太坊區(qū)塊鏈未來將被納入新系統(tǒng)。信標(biāo)鏈主要職責(zé)有:
存儲和維護(hù)一組活躍且有序的驗(yàn)證者處理分片與信標(biāo)鏈之間的各項(xiàng)“交連”處理自己的逐塊共識以及最終確定性存款流程和區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)(來自Pocket Pool的Darren Langley)
信標(biāo)鏈(Beacon Chain)會隨機(jī)抽取驗(yàn)證者進(jìn)行出塊提議和投票,以防止驗(yàn)證者之間的相互勾結(jié)。此外,由于驗(yàn)證者只能以非常有限的方式和鏈交互,信標(biāo)鏈中將不再使用EVM這類執(zhí)行引擎處理投票事務(wù)(團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)EWASM替代EVM),因此投票效率會更高。由于不需要預(yù)估算力,所有信標(biāo)鏈上的交易也都是免費(fèi)的(gas free),整個過程會更有成本效益。
信標(biāo)鏈與分片鏈(來自Pocket Pool的Darren Langley)
分片鏈(Shard Chains)負(fù)責(zé)處理交易并存儲帳戶數(shù)據(jù),每個分片鏈(目前設(shè)置為1024個)都跟主鏈相連接;每個分片鏈?zhǔn)且粋€獨(dú)立的POS鏈,它們各自有自己的狀態(tài)(如賬戶余額、智能合約等)和交易歷史,同時和信標(biāo)鏈同使用POS共識機(jī)制。每隔一段時間(約1小時),系統(tǒng)會隨機(jī)給各驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)分配一個分片,負(fù)責(zé)驗(yàn)證和確認(rèn)該分片上的區(qū)塊?!?strong>交連(cross link)”將用于確認(rèn)各分片鏈中的哪些區(qū)塊進(jìn)入信標(biāo)鏈,同時交連也是各分片鏈之間互操作的主要方式。
據(jù)估計,分片后的以太坊每秒將能處理超過15000筆交易,這與當(dāng)前的以太坊網(wǎng)絡(luò)性能(每秒約處理15筆交易)相比,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的質(zhì)的飛躍。
目前,關(guān)于信標(biāo)鏈和以太坊2.0的設(shè)計仍在進(jìn)行中,許多技術(shù)團(tuán)隊(duì)也早已開始研究信標(biāo)鏈客戶端應(yīng)用,如Lighthouse項(xiàng)目,Prysm項(xiàng)目,Trinity,Nimbus,Harmony等等。據(jù)Rocket Pool區(qū)塊鏈高級工程師Darren Langley于9月初發(fā)布的文章稱,目前信標(biāo)鏈已經(jīng)完成的工作包括:信標(biāo)鏈狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與持續(xù)力、單個區(qū)塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換、分叉選擇實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證者洗牌、區(qū)塊提案者角色、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)序列化以及P2P協(xié)議。但仍然還有很多領(lǐng)域尚在研究之中。
小蔥小結(jié):“短期求創(chuàng)新、長期求保守”
綜合上述梳理,我們可以看到,針對長久以來的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象,以太坊核心團(tuán)隊(duì)曾從多個角度進(jìn)行過理論與技術(shù)方案的探索和實(shí)踐,包含提高 gas 值限制、發(fā)行 EIP648 擴(kuò)容方案、提出Plasma、采納分片技術(shù)(Sharding)等等,小蔥根據(jù)時間線簡要梳理了一下以太坊的擴(kuò)容動態(tài)事件。
據(jù)各公開渠道(以太坊相關(guān)論壇、推特、Reddit)信息進(jìn)行的不完全匯總
通過這一系列擴(kuò)容提案的出現(xiàn)、轉(zhuǎn)變及衍生,我們不難看出以太坊核心團(tuán)隊(duì)持續(xù)的技術(shù)探索能力和應(yīng)變能力。同時這些主流的擴(kuò)容方案之間并不沖突,甚至?xí)趯?shí)踐中走向融合(正如Casper和Sharding那樣)。
或許,以太坊的擴(kuò)容口號喊了太久,而擴(kuò)容成效來的太慢,故而引發(fā)社區(qū)內(nèi)外眾多開發(fā)者的急不可耐(如開篇提到的Afri Schoedon呼吁開發(fā)人員轉(zhuǎn)移到其他鏈);此外,EOS項(xiàng)目創(chuàng)始人BM也曾公開指出V神在解決可擴(kuò)展性問題上考慮地過于復(fù)雜。
確實(shí),我們看到在以太坊的整個擴(kuò)容規(guī)劃中,納入了很多底層技術(shù)層面的考量,它試圖在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性,同時考慮可持續(xù)性、效率以及靈活性,這牽涉到多個領(lǐng)域的技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用部署,不僅僅是引入某個二層擴(kuò)容方案,把一部分?jǐn)?shù)據(jù)/交易放到鏈外處理這么簡單,而是從區(qū)塊鏈協(xié)議層實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。
按照V神的話,他希望多種擴(kuò)容方案并行使用。在Layer-1(即區(qū)塊鏈協(xié)議層)擴(kuò)容方向上的主導(dǎo)思想是“短期求創(chuàng)新,長期求保守。他認(rèn)為:
Layer-1 長期來看必定趨于穩(wěn)定,不會在所有技術(shù)改進(jìn)上去競爭,只會盡力提供一個穩(wěn)定平臺,使得 Layer-2 上的創(chuàng)新能夠發(fā)生。因?yàn)樵?Layer-1上尋求解決方案要求進(jìn)行持續(xù)的協(xié)議變更,而基礎(chǔ)層的變更往往牽涉到治理和共識問題,但迄今為止,還沒有哪個公鏈能在不淪為中心化的前提下,完成持續(xù)“活躍”的創(chuàng)新和治理。不過短期內(nèi),Layer-1的創(chuàng)新和完善是必要的。
而 Layer-2 也必定將承擔(dān)起越來越多持續(xù)創(chuàng)新的、有挑戰(zhàn)的重任。去中心化應(yīng)用平臺、加密貨幣支付手段、去中心化交易所機(jī)制、拍賣、隱私保護(hù)方案、支持隱私保護(hù)的編程語言等等,絕大多數(shù)可以在區(qū)塊鏈上做的,都是重要且需要持續(xù)創(chuàng)新的領(lǐng)域。將這些功能全部“整合”進(jìn)底層區(qū)塊鏈顯然不妥,會帶來很高的治理成本和協(xié)調(diào)升級成本。
因此,當(dāng)下以太坊在擴(kuò)容上首先需要完成Layer-1的創(chuàng)新升級,而長期來看,會利用Plasma、雷電網(wǎng)絡(luò)乃至更多新型的二層擴(kuò)容方案以適應(yīng)未來的商業(yè)應(yīng)用。
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