以太坊Layer 2怎么玩？一文读懂以太坊的扩容升级

概要由于以太坊使用全节点挖矿，众多的节点共同参与记账，导致效率低下；同时，作为目前最流行的智能合约区块链项目，以太坊网络的交易量巨大，导致常出现拥堵情况，且手续费居高不下，极度影响交易者的使用体验以及各种项目的推广。为解决以太坊网络的性能问题，诞生了Layer 2这一新概念。区块链Layer 1的限制性及解决方案在区块链中存在着一个“不可能三角”，即扩展性（Scalability）、去中心化（Decentralization）、安全（Security），三者只能得其二，这是基于传统金融货币理论中，一国无法同时实现货币政策的独立性、汇率稳定性和资本自由流动性的“不可能三角”衍生而来。

图源：Medium.com无论是比特币、以太坊，还是其他的加密货币，大多有着一条独立且唯一的公链，即Layer 1。作为标准的基础共识层，所有的交易结算都发生在这一层上，为了保护所有的相关交易、清算记录等信息，Layer 1将技术重点放在了安全和去中心化上，导致了扩展性有限。毫无疑问，当所有的交易、应用程序都通过layer 1这一条唯一的主链进行结算时，会造成工作效率低下，尤其是在以太坊网络中，币种多样、业务量巨大，一不小心就会发生网络拥堵的情形。为了解决主链的拥堵问题，链圈的开发者们提出了各种扩容的方案。扩容方案一般分为两种，分别为链上扩容和链下扩容。链上扩容，即在Layer 1进行的扩容，是指针对协议层的扩容，对底层区块链本身进行“改造”，将区块链的容量变得更大，具体的方案包括SegWit、DPOS、扩块等，目标是让主链能支持更多更快的链上交易。而链下扩容是指通过Layer 2进行的扩容。Layer 2重视的是效率与应用Layer 2，或链下扩容，是指在主链外部进行扩容的性能解决方案，与Layer 1是一个承接互补的关系，即Layer 2是构建在底层区块链之上的基础架构，为区块链提供更好的可扩展性、可用性以及隐私性。比起Layer 1追求安全性和去中心化，Layer 2追求的是极致的效率和性能。而以太坊Layer 2也经历了若干年的发展，发展出了数种不同的Layer 2。以太坊Layer 2的常见种类1. 侧链（Side Chain）Layer 2最初的方案是侧链，即一条独立运行的链，仅用于某一项交易的运算，并将结果返回到Layer 1上，主链只对交易结果进行接收、登记，不作验证，借此来减少主链的运行压力。但是侧链存在着一个致命的缺点，就是如果节点遭到攻击或篡改（节点作恶），会导致侧链的交易执行有误，进而导致返回给Layer 1的结果也是错误的。2. 等离子链（Plasma）针对侧链容易被纂改攻击的问题，开发者们又设计出了等离子链（Plasma）技术，实质是具有非托管特征的树状结构侧链，负责具体的交易结算功能，而主链仅负责存储。在等离子链的运行中，用户需要将资产锁定在对应的根链的合约中，并提交对应的证明给验证者证明。当出现有参与者无法提供证明时，该Plasma区块将无法被确认，其他用户则可以安全地从链中退出，保护了资产的安全。然而，在等离子链的运行中，每个子链有自己的机制验证区块和实现防伪证明，若所有用户同时试图退出，所有的有效状态都要被提交验证，一样造成网络堵塞。3. Rollup尽管等离子链提高了侧链运作中的安全性问题，但其返回给Layer 1的只有交易结果，并没有具体的交易信息。因此，开发者们又设计出了Rollup的方案，常见的有ZK Rollups、Optimistic Rollups、Arbitrum等。在这些方案中，所有的Layer 2交易都会被汇总到一个交易的调用数据内，然后周期性地打包到区块提交至Layer 1完成记录。Rollup不需要像等离子链一样需要数据可用性假设。4. 状态通道（State Channels）状态通道即交易双方在链下构建一个通道，通过各自的私钥签名，并将资金锁定在这个通道上，发送支付状态（包含轮次、金额、签名），完成链下交易，最后将结果记录到主链上。目前，状态通道已广泛应用于支付、游戏等场景。但如果在过程中，其中的一方在交易完成前退出，会进入一个退出“挑战期”，并等待另一方的最新一轮的状态更新，并由主链核实签名和最后结余来确认状态更新的有效性。为了确保交易对手方没有使用过去的某个状态退出，交易者可能需要频繁监控主链。以太坊Layer 2生态的未来前景随着以太坊网络的不断开发，以及DeFi的推广流行，以太坊区块链的交易量还在不断的增长，给主链带来的运行压力也越来越大。而不少基于以太坊的DeFi项目，包括去中心化交易所在内也开始选择与不同的Layer 2解决方案合作，来提供更多高效、低成本的服务和功能。在接下来的时间里，开发者们如何通过Layer 2来继续完善以太坊网络，值得大家拭目以待。

图源：ethereum.org