深度丨以太坊扩容在即，Layer2能否力挽狂澜？

作者| 米卡洪卡萨尔

概括：

使用第 2 层技术扩展区块链

区块链牺牲计算和存储效率以获得更好的信任。 用户可以相信他们所做的交易在未来是有效的，开发人员可以相信他们的代码将始终对用户可用。

这是因为区块链上的数据是极其冗余的。 交易必须由参与维护区块链的每个节点处理，并且不断扩展的交易数据集必须永久存储。 在此过程中保持较低的进入壁垒可以使区块链去中心化。

今天，最常用的区块链是比特币和以太坊。 每个区块每秒可分别处理大约 5 笔和 15 笔交易。 在以太坊中，交易不仅仅是点对点支付，还有更复杂的智能合约交互，需要比普通交易更高的处理能力。

根据不同的节点实现，以太坊区块链的大小为160GB以太坊上链，最近对去中心化金融产品的需求加速了增长。 昨天，用户支付了 370 万美元的交易费用和 450 万美元的通货膨胀补贴来处理和存储他们的交易。 Gas Price 的上涨导致很多最常用的智能合约交互费用在 5-50 美元之间，用户需要支付基本的交互费用。 对于比特币，每笔交易的平均费用接近 5 美元。

如何扩容区块链

有效的区块链扩展解决方案可以增加数据存储或计算（交易处理）能力，而不会增加维护区块链的节点的大量成本。

请注意，在扩展方面取得进展需要一种能够实现指数级改进的解决方案。 当以最大容量运行时，与以太坊上可称为真实且可观的经济活动的活动相比，以太坊处理的交易数量可以忽略不计。

2015 年关于改变比特币区块大小的高调辩论是一个很好的例子，说明能量被浪费在宏伟计划中相对微不足道的改进上。 2-8 倍的提升可能有助于缓解短期压力，但也会对所有节点造成更高的未来交易处理成本。 这限制了可以参与共识的人群，从而降低了去中心化程度。

在底层扩展区块链的主要解决方案不应该（实质上）增加所有节点的成本，而是将交易验证工作拆分成更小的碎片（“碎片”）。 分片是指许多顶级区块链项目的规模——包括 NEAR、以太坊 2.0 和 Polkadot。 通过从区块链的全局验证器池中随机抽样和轮换每个分片的验证器，可以证明由此产生的安全性接近于使用整个验证器池（当前方法）。

“第 2 层”扩展解决方案的常见定义通常是指连接到以太坊的任何系统，通过将交易（通过一种或另一种方法）批量处理到主区块链来帮助提高交易处理能力。

然而，随着互操作性解决方案变得越来越普遍，对什么是侧链（或完全是另一个区块链）和第 2 层技术的更好分类取决于底层安全模型。 侧链可以是特定于应用程序的（如去中心化的交换链）或通用的，并负责自身的安全性。 Layer 2 的安全性来自底层区块链（如以太坊）。

像 NEAR 和 Solana 这样的第 1 层区块链有自己的验证器负责块生产，但已经建立了通往以太坊的桥梁，允许链之间的代币转移。 tBTC 有效地使比特币成为以太坊的侧链（或以太坊成为比特币的侧链，这取决于您的观点）。

从比特币的角度来看，以太坊的验证者可以窃取用户的资金。 这意味着，如果以太坊是比特币的侧链，则两者没有共享安全性，因为比特币无法针对以太坊执行其规则。 这就是为什么 Liquid 不能被视为比特币的完全安全侧链的原因——它有自己的验证器，可以窃取用户的资金。

这些模式通常有两种不同的类型：状态通道和非托管侧链（Plasma 和 Rollup）。 对于这些方法，一般模式大约是：

资产可以从链上转移到链下环境（例如 ETH 到 Plasma 链）。 交易发生在链下环境中。 发生在链下的快照被提交给底层区块链（例如以太坊）。 通过经济激励参与者（节点和用户）提交正确的数据或通过向底层区块链提供完整（零知识）证明来保证安全性。

状态通道

状态通道是一种通用的支付通道形式，比特币闪电网络正是基于这种技术构建的。

为了在彼此之间打开状态通道，用户将区块链的部分状态（例如他们的 ETH）锁定在智能合约中。 在一个通道中，用户可以通过签署一系列交易来更新彼此的状态（如交易）。 在发生争议或退出通道时，用户将最新更新的状态（如账户余额）发送到底层区块链，最新更新的状态为真。 状态通道擅长保护隐私，因为交易对底层区块链是隐藏的，并且只注册用户进入和退出。

从概念上讲，状态通道很简单，但它们的设计有一些固有的局限性。

状态通道要求用户（或某些受信任的第三方）保持在线监控通道，以防其他用户尝试使用旧信息退出。 它们的通用性也较差，无法轻松构建智能合约，因为与这些渠道的交互对于开发人员而言比仅仅部署现有的智能合约代码要复杂得多。

此外，状态通道的资本效率低下，因为它们需要大量抵押品。

从 Plasma 到 Rollup

从长远来看，更重要的第 2 层扩展解决方案类别可能是非托管侧链。 这是因为它们有可能在它们之上运行去中心化金融和其他 Web3 应用程序。

非托管侧链的关键是用户可以在链上和链下以比 L1 区块链更高的性能容量进行操作，而无需信任侧链运营商，即具有与在以太坊主链上进行交易时相同的安全性保证。

最初有前途的非托管侧链设计是 Plasma，它在几年前被大肆宣传为扩展区块链的灵丹妙药。 以安全和用户友好的方式实施 Plasma 的复杂性导致这种模式失宠。

Plasma 建立在一个简单的前提之上。 如果 Plasma 链上的验证者试图向底层区块链提供有关状态转换的错误信息，即通过提供不正确的余额并将用户资金从链下取出，用户可以质疑此信息并构建他们自己的证明，证明 Plasma 链发生了什么交易。

在实践中，Plasma 遇到了一系列需要解决的并发症。 例如：

尽管 Plasma Cash 等新迭代为现有问题提供了解决方案，但在确保用户资金安全退出方面，新问题不断出现。 2018 年 12 月，化名 BarryWhiteHat 以零知识证明的形式提供了该问题的解决方案。

在 ZK Rollups 中，侧链的验证器（“中继器”）收集 - 或滚动 - 许多交易以生成简洁的 zk 证明，证明所有交易都是有效的。 然后将证明发布在以太坊链上。

这种方式完全避免了用户能够安全退出 Plasma 链的复杂性。 但是，这种方法也有两个普遍的缺点：

Optimistic Rollups 与 Plasma 类似，但不同的是，所有的交易数据都必须在链上提供——比 Plasma 向底层区块链提供更多的交易数据，并允许任何人构建交易有效性证明。 具体来说，必须向以太坊链发布足够的数据，以重建整个 Optimistic Rollups 侧链的状态。

虽然这种方法牺牲了另一个指数级的交易处理（对于智能合约），因为必须在链上发布更多数据，但与 ZK Rollups 相比，Optimism 的方法允许智能合约的灵活性和与以太坊机器兼容性的虚拟集成。

缺点是，Optimistic Rollups 需要 1-2 周（取决于实施）的争议期，以确保用户有足够的时间对无效的状态转换提出争议。 加快退出过程的解决方案是创建一个退出市场，用户可以在其中卸载其侧链资产的风险。

虽然从底层区块链中获取安全性听起来是最安全的选择，但有一种观点认为，应用程序对其自身的安全性负责，并且仅使用“第 1 层”区块链在特定应用程序链之间传输消息，这是一种模式。

这就是 Cosmos 设计背后的理念。 这个想法是，与基础层相比，应用程序对于基础层安全来说可能变得太有价值了。 应用程序（稳定币、预测市场等）支付的费用不一定会随着它们促进的价值转移而扩展，并且这些应用程序可能变得比底层区块链更有价值，导致例如以太坊成为应用程序安全漏洞。

这确实在用户体验方面造成了额外的障碍。 在侧链生态系统中，用户必须独立信任与其交互的每个侧链（及其运营商）的安全性。

它会在实践中起作用吗（效果如何？）

状态通道很可能会在某些应用程序的交易处理中发挥作用。 例如，Graph Protocol 计划为数据库索引服务实施状态通道支付——状态通道足够灵活，可以为条件支付编码简单的规则。

在具体的应用链上，SKALE计划在年底前上线，将带来与以太坊互通的具体应用链。 此外，NEAR 协议和 Solana 的桥梁有望为整个生态系统带来更多的可扩展性——尽管两者都可以被视为以太坊的竞争对手。

在这些情况下，应用程序可以将其功能扩展到以太坊之外，从而有可能减少生态系统对单一链的依赖。 例如，NEAR 上的预测市场协议 Flux Market 将在 MakerDAO 的去中心化稳定币 DAI 中提供博彩市场。

ZK Rollups 和 Optimistic Rollups 都是将应用程序绑定到以太坊生态系统的解决方案，因为它们建立在以太坊生态系统之上并依赖以太坊来确保安全。 例如，基于 ZK Rollups 的去中心化交易所 Loopring 在 7 月份处理了 1760 万美元的交易量（0.4% 的市场份额）。

最知名的开发Optimistic Rollups的团队是Optimism之前的Plasma Group，顾名思义，之前就致力于Plasma的实现。 2020 年 1 月，该团队从 Paradigm 和 IDEO 筹集了 350 万美元的风险投资。 Optimistic Rollups 已经在以太坊测试网上通过 Unipig 进行了演示，Unipig 是用于“UNI”和“PIG”代币相互交易的 Uniswap 版本。

对于这些解决方案中的每一个，最大的问题仍然集中在可组合性上。 在以太坊上，智能合约可以相互同步调用。 这种可组合性的缺乏改变了最终用户的体验以太坊上链，因为在 Rollup 链上跳来跳去会给存款和取款带来摩擦。

这与当今 Web3 用户体验的最佳部分之一形成鲜明对比，用户只需单击 Metamask 即可与所有应用程序交互。

即使在可扩展性较差的情况下，如果应用程序将自身部署到自己的侧链中，Optimistic Rollups 仍可提供 10-30 倍的交易处理能力，这应该为以太坊提供充足的空间。 以太坊 2.0 有助于这些可扩展性解决方案，因为它为要发布的数据提供了更多空间。

以太坊 2.0 将分三个阶段推出，最后一个阶段将启用智能合约。 然而，在第二阶段之后，使用以太坊作为数据层，可以将交易处理能力提高到每秒 5 万笔交易。

目前需求大于供给，什么样的解决方案能够满足最直接的交易处理需求值得期待。 从某种程度上说，以上所有技术（包括理论上限最高的Plasma）都有可能在未来的某个时刻发挥作用，而且还在不断完善中。 Connext 最近推出了 Spacefold，它将支持状态通道扩展和跨不同 L2 的桥接。

目前，其他区块链有机会将以太坊上的服务吸引到更具可扩展性的环境中。 然而，几乎所有第 2 层开发都发生在以太坊上，如果这些解决方案找到适合产品市场的产品，其他竞争对手可以提供的功能将变得微不足道。

Mika Honkasal作者百合翻译

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