链乔教育在线|以太坊layer2扩容

以太坊layer2是什么？

layer2是一个提升ETH网络layer1性能的扩容方案，由于ETH主网layer1上交易严重拥堵，交易费用居高不下，开发者提出了layer2以提升ETH的交易处理速度。回想当初，2018年是以太坊专注底层架构之年。之后很多早期参与者会测试网络极限，并且重新关注以太坊的扩容技术。对于任何密切关注以太坊技术的人来说，这都是很好理解的。在过去2017年，ICO推动的炒作已经过分夸大了目前的网络能力。以太坊和web3的美好愿景—— 一个安全，易于使用的去中心化网络，由一系列通用的经济协议来约束，并且被数十亿人来使用——这个承诺希望在即，但是只有在关键的底层架构完成的前提下才能实现。

一、区块链 layer解析

1、区块链 layer0、layer1和layer2是什么

通过借鉴计算机网络通信体系架构的OSI模型，可将区块链逻辑架构划分为三层。

1. layer0：其中第0层（Layer 0）对应OSI模型的1-4层（底层协议），包括传输层。

2. layer1：第1层和第2层对应OSI模型的5-7层（上层协议），第1层（Layer 1）包括数据层、网络层、共识层和激励层.

3. layer2：第2层（Layer 2）包括合约层和应用层。

2、作用

Layer1解决信任，Layer 1的代币的存在是为了让这条底层公链能够抵抗51%攻击。

Layer2搞定性能，对于Layer 2协议来说，唯一能够捕获价值的方式是存储某种外部的、有价值的状态。

3、应用

现有的扩容方案分别针对不同层级进行改进，分为第0层扩容、链上扩容和链下扩容。

第1层扩容，即链上（On-Chain）扩容，通过优化、改进公链基本协议提升区块链性能。

第2层扩容，即链下（Off-Chain）扩容，不改变公链基本协议，通过链下在应用层进行改进提升性能。

第0层扩容通过优化区块链底层数据传输协议提升区块链性能，不改变区块链的上层架构，是一种保留原有链生态规则的性能提升方案。

二、扩容的必要性

自以太坊网络推出以来，以太坊的扩容是讨论最多的话题之一。关于扩容的争论总是在以太坊网络出现重大拥堵后上演。最早出现这样的争论是在2017年的加密牛市，名声不那么好的CryptoKitties（加密密码）与ICO，堵塞了整个以太坊网络，造成gas费的大幅飙升。

有一段时间，即使支付高达500多gwei的gas费，也会出现一时无法验证交易的情况。

说到以太坊或其他区块链的扩展，主要有2种方式：扩展基础层本身（layer 1），或将部分工作放到layer2上，以实现网络的扩容。

以太坊需要Layer2

在没有分片以及以太坊2.0的情况下，如今以太坊性能已经濒临极限。

随着各种DeFi流动性挖矿、DEX、游戏、资金盘等应用不断推出，甚至稳定币的蓬勃发展都足以让以太坊不堪负重，如今低效的以太坊无法支撑其生态应用的流畅度和低费用。

"安全、可扩展性、去中心化"，不可兼得，为了解决区块链“不可能三角问题”，涌现出众多解决方案，其中之一便是 Layer 2（二层网络）。

Layer 2 通常被称为“链下”解决方案，其主要目的是扩展区块链的性能，同时保留分布式协议的去中心化优势。

在以太坊中，Layer 2 技术系统是连接到以太坊的系统，将以太坊作为安全和最终确定性的基础层，通过在链外运行计算来大规模地减少区块链上的数据处理，也就是说并非所有的交易都需要到以太坊主网上完成。

Layer2一旦成功，则意味着以太坊可以突破现有的性能限制，承载更大的生态。以太坊底层会更专注于安全和高价值的交易，而基于以太坊的项目，不用再担心过高的费用和自行车般的速度，DeFi也将迎来新的春天。

如果把目光放得更长远一点，未来PoS 和分片技术、Layer1 和Layer2 相结合，可以让以太坊真正实现指数级腾飞，满足大多数开放金融和DAPP的需求，从“简单计算器”迈向成为世界计算机。

三、Layer1扩展 VS Layer2扩展

Layer1是标准的基础共识层，目前几乎所有的交易都在这一层结算。“层”的概念不是以太坊特有的，其他区块链也有这样的概念，如Bitcoin（比特币）或Zcash（零现金）。

Layer2是建立在Layer1之上的另一层。这里有几个重要的点。

Layer2不需要对Layer1进行任何改变，只需利用Layer1现有的组成部分（如智能合约）建立在它之上即可。Layer2还可通过将其状态锚定到Layer1来享用Layer1的安全性。以太坊目前在其基础层（Layer1）上每秒可以处理约15笔交易。Layer2的扩展可以大幅增加交易数量。根据解决方案，能达到2000-4000 笔交易/秒。

那Ethereum 2.0呢？那也是对以太坊进行扩容的吗？是的，Ethereum 2.0引入了POS和分片，这将大幅提高基础层的交易吞吐量。

这是否意味着Ethereum 2.0发布后，我们就不需要Layer2的扩展了？然而并非如此，即使有了分片，Ethereum仍然需要Layer2的扩展，以便在未来能够处理每秒数十万甚至数百万量级的交易。

这也是著名的“可扩展性三难”问题。理论上，我们可以跳过layer2，专注于扩展基础层，但需要高度专业化的节点来处理增加的工作量，这样会造成更高程度的中心化，从而降低网络的安全性和抗审查性能。

保证可扩展性决不能以牺牲安全性和去中心化为代价，在未来的发展中我们只能采用Layer1和Layer2扩展相结合的方式。

四、Layer2扩展解决方案

每种扩展解决方案本身并不会为用户提供这种可选项。而是提供速度，成本和安全性的各种组合（类似于提供经济舱，商务舱和头等舱的航班）。然后，开发人员可以根据他们的应用目的选择他们首选的解决方案。

当前有五种最广泛使用的解决方案：1）State channels（状态通道）；2）侧链；3）Plasma（等离子）；4）Optimistic Rollup（乐观汇总）；5） ZK-Rollup （zk 汇总）。

1、State channels（状态通道）

状态通道是入门级的 Layer 2 方案，也是如今采用最广泛的 Layer 2 方案，比如比特币上的闪电网络就是一种状态通道。状态通道的设计思路是把一部分的交易放在区块链之外，把区块链的共识由确认每一步变成只确认结果。

State Channels（状态通道）是一种用于执行交易和其他状态更新的“链下（off-chain）”技术。但是，一个状态通道“内”发生的事务仍保持了很高的安全性和不可更改性。如果出现任何问题，仍然可以选择回溯到链上交易中确定的“稳定内核”。

最受欢迎的通道类型是状态通道及其子分类——payment channel（支付通道）。

以太坊是一个全球化的基于交易的状态机，在链上的每一步操作都会产生最新的状态。不同的是，状态通道是在链外进行状态维护。状态通道听起来就像是“支付通道”的延伸，这也是这项技术一直被低估和忽视的原因，一个隐私、效率、信任最小化、安全性和模块化的广义通道是我们要建设的重要基础设施之一。

状态通道本质上是通过在不同用户之间或用户和服务之间建立一个双向通道，为不同实体之间提供状态维护服务。它允许把区块链上的许多操作在链外进行管理，等完成链外操作后多方签名确认后，才将最终结果上链。其实可以把状态通道理解成一个执行特殊操作的智能合约，一个专门建立双向通道，在一定条件下进行状态保持的智能合约。可以将状态通道中的执行过程作为原子操作，在执行完成这个原子操作后，将最终结果上链。

状态通道通常包含三个步骤：

1．交易双方将初始的区块链状态 (比如双方的余额) 锁定在一个智能合约中，该智能合约非常类似于一个多重签名的钱包。这确保了只有当双方都已经对更新进行签名之后，钱包中的资金才能被解锁并进行转移；

2．双方通过在批次之间传递状态更新 (比如余额的更新) 来实现交易。如果双方同意，则对某个状态更新进行「签名」，该状态更新会被提交给智能合约中以便解锁资金；

3．当双方完成交易时，他们各自都会将状态更新提交给智能合约。如果双方提交的状态更新相匹配，那双方的区块链的状态 (比如双方的余额) 将会被解锁，该状态通常会与双方的初始状态不一样。

Celer Network（塞尔网络）、Raiden Network（雷电网络） 、Connext/SpankChain （链下网络）和 Liquidity Network（流动性网络） 都有使用相关的技术。

但由于整个以太坊生态的注意力已经在很大程度上被更灵活的扩展方案，比如Rollup（汇总）引过去了，所以，目前状态通道基本被打入冷宫。

2、侧链

是平行于主链的一个独立网络，与主链兼容，并通过跨链机制实现主链与侧链的资产交互，并在侧链运用，以分担主链的流量压力。其思路是：在主链锁定资产，在侧链派生相应资产；当资产在侧链完成应用后要转回主链时，从侧链销毁资产，并在主链解锁。

SPV 证明在比特币系统中验证交易时，涉及到交易合法性检查、双重花费检查、脚本检查等。用户只关心与自己相关的那些交易，比如当用户收到其他人号称发来的比特币时，只希望能够知道交易是否合法、是否已在区块链中存在了足够的时间（即获得足够的确认），而不需要自己成为完整节点做出完整验证。

中本聪设计的Simplified Payment Verification（简单支付验证SPV）可以实现这一点。SPV 能够以较小的代价判断某个支付交易是否已经被验证过（存在于区块链中），以及得到了多少算力保护（定位包含该交易的区块在区块链中的位置）。SPV 客户端只需要下载所有区块的区块头（Block Header），并进行简单的定位和计算工作就可以给出验证结论。

侧链协议中，用 SPV 来证明一个交易确实已经在区块链中发生过，称为 SPV 证明（SPV Proof）。一个 SPV 证明包括两部分内容：一组区块头的列表，表示工作量证明；一个特定输出（output）确实存在于某个区块中的密码学证明。

优点：

方便，实现难度低

不受主链TPS限制

侧链合约运行的手续费大大降低，对小金额玩家以及新玩家较友好

缺点：

安全性（包括侧链自身的安全性，以及跨链过程中出现的风险）。由于侧链是独立于主链运行的，且链下状态无需上传主链。如果遭受攻击或恶意操作，那返回给主链的结果也是不正确的，且主链将不会验证这些结果。

中心化威胁：通过第三方公证人或中继者进行验证，牺牲了部分去中心化特性

代表项目：

Injective Protocol（注射协议）：首个Layer 2的衍生品dex

Rootstock（RSK）（砧木）：第一条比特币侧链

3、Plasma（等离子体）

侧链的进阶版，与侧链不同，它基于Fraud Proof（欺诈性证明）的退出机制，它将链下的交易结果证明返回到主链，利用主链的安全性保护了用户资产和权益。

Plasma（等离子体）是最初由Joseph Poon（约瑟夫·潘）和Vitalik Buterin（V神）提出的一个layer2扩展解决方案。它是一个在以太坊上构建可扩展应用的框架。

优点：

相对安全：即使链下环境崩塌，也能从主链上提取交易结果

操作快、交易费用低：因为与主链的交互较少

缺点：

不具备主链的数据可用性：给Layer 1返回的仅有交易结果的证明、没有详细的交易信息，主链无法还原交易

退出期长：用户需要从主链上提取资金，需要等待挑战期过去。

拓展困难：技术框架限定了子链的数据结构

代表项目：

Loom Network：第一个Plasma产品实现

OMG：金融支付企业 SYNQA 旗下子公司

Matic：获得Coinbase Ventures投资

4、Optimistic Rollup（乐观汇总）

Rollups（汇总）是指将发生在Layer 2的大批交易压缩，并将快照打包返回主链进行记录和更新的技术路径；数据在主链上储存，将账户间的交互过程转移到链下，避开拥堵的同时具备主链的安全性。Rollups（汇总）方案的关键在于，如何确保提交给主链的是正确的结果，这也是Optimistic Rollup（乐观汇总）和下述ZK-Rollup（零知识汇总）最大的区别。

Optimistic Rollup（乐观汇总）采用的是欺诈性证明（Fraud Proof），它趋于相信操作者提交的数据都是真实的（乐观假设，大家都是好人）。但保险起见，需要操作者质押一定资产作为保证金，且在上链前留出两周的挑战期，任何人都可以在此期间挑战其真实性并发布欺诈证明，一旦挑战成功，质押金将会被没收，挑战者会获得奖励，且回滚交易细节。因此，从概率角度防止作恶行为。

一些扩展解决方案是针对特定应用的，例如，支付通道。其他的方案比如Optimistic Rollup（乐观汇总），可以用于任何任意合约的执行。

优点：

兼容性强，开发迁移难度小，更容易落地

安全性：牺牲了等待时间来换取较好的安全性

上链效率高：将多笔交易打包操作，节约时间和gas fee

缺点：

验证效率低：较长的等待期，任何交易在等待期不会被确认，也无法从主链提取资金

扩容程度不及ZK-Rollup（零知识汇总）：交易压缩率相对较低

代表项目：

Fuel：Optimistic Rollup（乐观汇总）概念提出者所在团队研发

Synthetix：DeFi巨头的Layer2扩容选择

5、ZK-Rollup（零知识汇总）

同样采用rollup（汇总）压缩技术，ZK-Rollup（零知识汇总）基于zero-knowledge proof（零知识证明），在发往主链的交易包里包含了一个对应的零知识证明，主链上的rollup（汇总）智能合约只需验证这个零知识证明。这个零知识证明不会透露任何交易细节，但能通过与智能合约不断交互，证明上链的所有数据的有效性和真实性。

优点：

高度的去中心化

隐私性好：零知识证明不会透露任何交易细节

上链效率高：一次性提交多笔操作的结果，节约时间和gas fee

验证效率高：无需等待期，快速完成资产取出动作

安全性极高：zk技术保证了提交给主链的数据真实有效，同时主链可随时还原侧链发生的交易细节（即拥有主链的数据可用性），因此拥有以太坊级别的安全性

缺点：

技术开发难度大

难兼容不同智能合约

需要大量运算

代表项目：

路印：成熟的zk技术运用，获得4500万美元私募，当前市值超8亿美元

ZKSync：旨在为以太坊带来 Visa 级别、每秒数千笔交易的吞吐量

五、Layer2未来阐述

对于像以太坊这样的可编程区块链的长期价值而言，这些Layer 2 扩展方案是一个有力的论据。只有在区块链可编程时，构建第2层解决方案的经济机制才是可能的：需要使用脚本语言来编写执行交互式游戏的程序。这对比特币等区块链来说要困难得多，因为它只提供有限的脚本功能。

各种各样的Layer 2 解决方案正在涌现，这些项目可以帮助以太坊可以处理数百万笔交易，而不仅仅是数十笔交易。因此，Layer 2 解决方案将成为以太坊赢得主流用户并成为流行的国际结算系统的重要一环。

以太坊允许我们构建Layer 2 解决方案，以便在速度、不可更改性和开销之间找到新的权衡点。这使得底层区块链更适用于多种类的应用程序，因为具有不同威胁模型的不同类型的应用程序，对于不同的权衡有自然的偏好。Layer 2 可以让我们在保持去中心化的特性、不可更改的特性和不影响底层区块链的情况下做出这些权衡。

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编译者/作者：链乔教育在线

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