科普 | 一篇比较以太坊 Layer 2 扩容方案的文章

一、二层扩容方案发展现状

区块链网络扩容有两种基本思路：Layer1扩容和Layer2扩容。

Layer1扩容可以理解为比特币、以太坊等底层链的性能升级； Layer2扩容可以理解为一种只在底层链外的交易过程中将结果同步回底层链的扩容方案。 例如：比特币的大区块思路是Layer 1扩容，Lightning Network是Layer 2扩容； 以太坊的ETH2.0是Layer 1扩容，后面介绍的各种扩容方案都是Layer 2扩容。

针对目前Layer 1的性能瓶颈，目前Layer 2扩容方案的核心思想是：Layer 1要做好去中心化和安全性，让底层链绝对可靠可信，实现全球共识，并使用经济激励将信任传递给第 2 层； Layer 2需要提升效率，降低成本，满足各种业务场景的业务需求。

最近，Layer2 实现了爆发式增长：

1.1 以太坊Layer 2总锁仓量超过38亿美元

据L2BEAT数据，截至10月18日，以太坊L2总锁仓38亿美元，一周涨幅13.54%。 其中，Arbitrum网络锁仓量为22.9亿美元，占L2总锁仓量的60.36%； 其次，dYdX锁仓量8.79亿美元，占比23.09%。

1.2 Layer 2 的转账和交易成本明显低于Layer 1

根据L2Fees数据，Layer 2扩容计划的ETH转账手续费仅为以太坊链上转账手续费的3.22%，其他Token的转账手续费甚至低至1.41%，Layer 2的交易手续费仅为以太坊链上交易手续费的 2.57%。 %。

从市场数据来看，Layer 2扩容方案得到了市场的广泛认可和采用，有效降低了用户在链上转账和交易的成本，一定程度上实现了扩容的初衷。

二、二层扩容方案总结分析

目前市场上主要有以下Layer 2扩容方案：State Channels、Sidechains、Plasma、Rollup、Validium。

二层扩容方案总结

各种Layer 2扩容方案已经被项目采用，目前Rollup扩容方案的应用案例非常多。

2.1 五大二层扩容解决方案

1. 状态通道

状态通道是一种通用的扩展解决方案，用于封闭系统中定义数量的用户之间的交互。 状态通道需要链上打开和关闭交易，但所有中间状态都直接在各方之间发送。 交易在链下处理后，证明只提交给主链。

状态通道是如何扩展的？ 例如：

当只有以太坊主网时：A和B在以太坊上创建智能合约比特币扩容方案有哪些，并双发一个事件（猜测、投注等），当事件发生时，智能合约会自动执行并给锁定的资产在获胜者的合同中。

以上只是Layer 1流程。 所有事件都在以太坊链上进行。 每笔交易都需要支付Gas费并等待区块打包，成本高且效率低。

当存在 Layer2 状态通道时：

在以太坊链上，A和B创建智能合约； 链下：A创建交易并签名发送给B，B签名后将签名后的版本发回给A，自己留一份； 签名后发给B，A也留一份……他们每次更新交易状态，都是以上次的状态为准，通过签名更新到新的状态。 根据签名和时间顺序，可以知道所有操作（交易）发生的顺序； 以太坊链上：最后A和B结束交易，需要将最终状态提交给以太坊链，关闭链下这个状态通道。 如果累加起来，A赢了B5元，那么B需要在链上付给A 5元。 智能合约将等待一个“挑战期”。 在挑战期间，任何人都不能修改结果（没有提交更新的交易证明），那么智能合约将被执行。

从以上案例可以看出，在Layer 2状态通道的形式下，无论中间A和B之间有多少笔交易，都是在链下进行的，不需要支付高昂的Gas在以太坊链上收费，无需等待区块打包时间，交易成本和效率非常高； 而真正的资产转移过程只发生在智能合约首次建立和双方质押的保证金以及最终执行转移时。

状态通道是业界较早构想的二层扩容方案。 它具有隐私性、即时终结性等优点，适用于长期的多状态更新。 如果参与者下线，他们可以使用某人来代表他们，但是这个第三方可能会被贿赂或攻击。 这限制了状态通道的安全性和可扩展性。

State Channels的应用案例：Celer Network、Liquidity Network、Raiden Network等。

2. 侧链

很早以前，侧链被用作以太坊生态系统中可扩展性和可用性的权宜之计。

侧链的核心思想是构建一个完全独立的区块链，有自己的共识模型，有自己的验证人和运营商，通常兼容EVM，可以扩展通用应用，可以与主链进行资产往来。

侧链的缺陷也很明显。 侧链不依赖以太坊的安全性，只是选择性地将区块头的快照发送给主链以防止分叉，但验证者仍然可以通过合谋发起“无效状态”。 转换攻击”。

“无效状态转换攻击”的核心思想是：主链不可能验证侧链上的所有区块。 因此，只要超过 50% 的验证者串通，就可以创建一个无效块来窃取其他参与者。 参与者的资产，并将该侧链的区块快照发送至主链，触发智能合约并执行，从而带走主链智能合约中其他参与者抵押的资产。

因为侧链构建了完全独立的区块链，所以有人认为侧链不属于Layer 2扩容。 一般来说，发展良好的项目更倾向于保持自身的独立性，而不愿脱离以太坊繁荣的生态。 此类项目可能更倾向于采用侧链方案。

SideChain的应用案例：xDAI、Skale Network、Injective Protocol等。

3.等离子

Plasma 是一种链下扩展技术，它依赖于链下交易（在子链中），与主链的交互最少。 Plasma 可以理解为 Layer 2 扩展解决方案发展的“中世纪”。

Plasma 最大的优点是安全性高，可以无人监管。 即使 Plasma 链上的所有验证者合谋作恶，Plasma 链上的资产也是安全的，可以回归主链。

缺点是退出机制非常复杂。 由于存在质询期，用户可以通过提供欺诈证据来报告欺诈，因此从 Plasma 链中提款可能需要长达 2 周的时间。 这带来了极大地影响用户体验的显着缺点。

Plasma应用案例：OMG Network、Matic Network (Polygon)等。

4.汇总

Rollup是最新的layer-2扩容技术，也是目前市场上最受推崇和应用最广泛的扩容技术路径。

Rollup 就是将大量的交易“聚合”成一个大的 batch，然后为这个 batch 生成一个“证明”。 然后在主网上发布这个证明。

Rollup 在 Layer1 外执行交易，但在 Layer1 上发布交易数据。 由于交易数据包含在 Layer1 区块中，Rollup 相当于继承了以太坊的安全性。

在具体方案上，Rollup分为Optimistic Rollup和ZK Rollup。 前者是指 Plasma 的欺诈证明机制，后者是利用零知识证明机制来保证安全性。

乐观汇总

Optimistic Rollup 假设为每个交易批次提供的证明都是有效的。

在预先定义的质疑期（通常为 1-2 周）内，任何人都可以质疑提交的证明并断言欺诈——欺诈证明。

Optimistic Rollup 的优点是可以轻松支持通用计算，缺点是在扩展 NFT 方面有很大的局限性。 首先，Optimistic Rollups 不允许快速提取 NFT； 其次，如果 Optimistic Rollup 中的 NFT 价值非常高，它可能成为目标，因为从 Optimistic Rollup 窃取资金的成本与潜在盗窃的规模无关。

Optimistic Rollup应用案例：Arbirum、Optimism、Boba Network等。

ZK Rollup

ZK Rollup 的核心工作机制是将链上的用户状态压缩存储在 Merkle 树中，并将用户状态的变化传递到链下，同时保证链下用户状态的正确性通过 zkSNARK 性证明改变过程。 直接在链上处理用户状态变化的成本是比较高的，但是只用链上的智能合约去验证一个PROOF的零知识证明是否正确，成本相对要低很多。 此外，必要的转账信息也会连同凭证一起提交给合约，方便用户查账。

ZK Rollup 的主要特点：

ZK Rollup 使用零知识证明代替欺诈证明，使用 SNARKs 或 STARKs，以及大量复制的数学来证明 Rollups 中交易的有效性。 使用零知识证明意味着一旦证明在链上被接受，用户就可以立即确认这些交易是有效的。

在 NFT 系统中，这解决了上面 Optimistic Rollup 的两个问题：用户可以立即退出，没有人可以攻击系统； 在规模上，ZK Rollup 已经可以达到每秒数千笔交易的速度，未来可以达到更高的极限。

ZK Rollup 目前只有有限的功能可用，主要是转账和交易。 这是因为将智能合约移植到 ZK Rollup 更具挑战性，这个缺点可能在未来得到解决。

ZK Rollup的应用案例：zkSync、Loopring、dYdX等。

5. 有效性

Validium 的机制与 ZK Rollup 非常相似，同样采用零知识证明机制。 主要区别在于，ZK Rollup 上的每一笔交易数据都会通过以太坊网络广播，而在 Validium 上，数据由一组数据公证人分发。 管理。 Validium 的数据交易成本低，但需要对数据公证人的信任。

Validium的应用案例：Sorare、DeversiFi、ImmutableX等。

2.2 各种二层扩容方案的主要区别

目前，State Channels、Sidechain 和 Plasma 被相对较少的新项目采用。 主流的 Layer 2 扩展方案主要是后两种：Rollup 和 Validium。

Layer 2 扩容的关键是在保证资产安全和共识的同时，降低Layer 1 的数据计算压力（将数据计算和存储迁移到第二层）。 因此，根据各种Layer 2扩容方案，解决这两个关键问题的方法可以分为两个维度：

数据的计算和存储应该在链上还是链下处理； 如何保证二层网络的资产安全和共识？ 是通过零知识证明机制，欺诈证明机制，还是部分链下共识？

二层扩容的发展现状是多种扩容方案并存。 各种二层扩容方案对数据和共识机制的不同选择，实际上在安全性、性能、易用性和可扩展性等方面做出了不同的权衡，这也决定了各种二层扩容方案适用于不同的应用场景。 例如：

ZK Rollup，采用链上数据和零知识证明机制，安全性最好，适用于转账和交易应用；

Optimistic Rollup 采用链上数据和防欺诈机制，支持 OVM 智能合约，具有更好的可扩展性。 许多以太坊应用程序可以轻松迁移和升级；

使用链下数据和零知识证明机制的Validium在性能方面是最好的，但需要对数据公证人的信任。

不同的区块链项目需要根据具体业务的实际需求选择最合适的二层扩容方案。

2.3 知名Layer2扩容项目案例

1. 斯塔克交易所

StarkEx是StarkWare投资孵化的基于有效性证明的以太坊Layer 2扩容解决方案。

StarkEx 利用 STARK 技术为 DeFi 和 NFT 游戏等应用程序提供可扩展的自托管交易（交易和支付）。 StarkEx 可以显着扩展和提高交易速度并降低交易成本。

目前，StarkEx已经支持ETH、ERC20、ERC721等多种代币和合成资产。 此外，它还可以支持其他 EVM 兼容令牌。

目前很多知名项目都使用了StarkEx，包括：dYdX、Immutable、DeversiFi、Sorare等。

2.仲裁

Arbitrum 是 Offchain Labs 开发的第 2 层扩展解决方案。 它使用 Optimistic Rollup 技术来提高链上合约的可扩展性、速度和隐私性，其对开发者友好的设计与 VEM 完全兼容。

受益于先发优势，Arbitrum的Layer 2生态初具规模。 据L2BEAT数据显示，Arbitrum的锁仓量已达22.9亿美元，占Layer2总锁仓量的60.36%。 Arbitrum生态中的Dapp数量已超过56个，其中不乏1inch、AAVE、Curve等知名DeFi项目。

3. Celer 网络

Layer-2 扩展平台 Celer Network 最受称赞的不是它的 Layer-2 扩展，而是它的跨链支付网络 cBridge。

cBridge是一个基于Celer的状态守护网络，支持高速低成本的跨链支付网络。 用户可以使用cBridge在Heco、Fantom、Optimism、Avalanche、OKExChain、xDAI、Ethereum、Arbitrum、BSC和Polygon之间进行完全非托管的交易，高速低成本的跨链跨层转账。

通过cBridger 从Arbitrum 转移到Optimism 大约需要16U。 如果不使用跨层协议，需要先从Arbitrum退出到以太坊，再转入Optimism。 您将需要支付 100U 以上的费用，并且需要更长的时间。

3. Layer 2扩容存在的问题及发展趋势

3.1 Layer 2扩展需要改进的问题

Layer2方案还有一些潜在的问题需要改进：

1. 可组合性有限

可组合性是 DeFi 的核心优势之一。 可组合性创造了全新的金融产品，并改变了人们对金融的看法。 然而，当前的第 2 层网络对可组合性施加了限制，因为第 2 层目前不可互操作。

在 Layer1 中，单笔交易可以与多个 DeFi 协议交互，创造全新的金融产品； 在 Layer2 上，交易只能与存在于其自身链上的 DeFi 协议进行交互。

例如：如果 DeFi 协议 1 只适用于 Polygon，DeFi 协议 2 只适用于 Optimism，则不可能写出同时调用 DeFi 协议 1 和 DeFi 协议 2 智能合约的交易。

由于这种不可互操作性，DeFi 协议的可组合性受到限制，DeFi 的魔力也将受到限制。

对于可组合性问题，一种可能的解决方案是将所有 Layer 2 连接到一个标准框架中。 为 Layer 2 制定标准的技术解决方案，以保持 DeFi 协议在以太坊网络中的可组合性。

2.流动性有限

流动性也是 DeFi 的核心优势之一。 流动性在任何金融市场中都极为重要。 拥有充足的流动性才能形成健康的市场，保证单笔交易不会造成价格的疯狂波动。

在 Layer 2 之前，以太坊生态系统的所有流动性都存在于以太坊上。 随着主要的 DeFi 协议向 Layer 2 迁移，现有的流动性也将分配给不同的 Layer 2 协议。 虽然每个 Layer 2 协议在本质上仍然连接着以太坊，但资金的流动性实际上是被分割的。 从L2退出到L1使用官方跨链桥需要7天时间，对用户体验特别不友好。

流动性被瓜分的问题很难彻底解决。 目前业界的解决方案是开发跨链桥接协议来支持Layer 2和Layer 1区块链的跨链和跨层传输，例如Celer Network推出的跨链支付网络cBridge。 官方的跨链桥很快，但是还是没有彻底解决流动性被分割的问题。

3.2 Layer 2发展趋势

1、以太坊主网和Layer 2网络将各自承担不同类型用户的使用需求

现在以太坊网络的 gas fee 成本已经很高了。 据cryptofees.info数据显示，截至10月17日，以太坊过去24小时的gas费高达6000万美元，过去7天的日均gas费超过4000万美元。 链上单笔交易的平均 gas 费超过 30 美元。 如此高昂的交易成本，无疑会迫使对成本敏感的普通用户选择成本更低的 Layer2 网络。

当二层网络真正大规模普及后，不同类型的用户会根据自己的具体使用需求选择合适的网络。 届时，金融机构、鲸鱼、Layer2协议等机构和大户将主要使用以太坊主网，更多的普通用户会选择在Layer2上进行链上交易。

2、跨L2桥接网络协议将有较大的市场需求

互联互通是永恒的需求。 不同区块链之间有跨链需求，不同Layer 2协议之间也有跨层需求。

无论是以太坊团队，还是以太坊生态的各个 DeFi 协议团队，都不希望在进入 Layer 2 时代后，繁荣的以太坊生态分流到碎片化状态，需要维持两层网络之间的互操作性。

目前，多个团队正在推动跨L2桥接网络的研发。 StarkEx 提出了一个去信任的、安全的、廉价的 StarkEx 网桥，它依赖于以太坊的安全性。 通过在 StarkEx 和多个 Layer2 之间扩展这样的桥梁，可以实现 Layer2 协议之间的互联互通，以及 Layer2 协议的可组合性和流动性。

3、Special-purpose Rollup可能比general-purpose Rollup更适合长期发展

鉴于两层网络之间的互操作性相对不便，单个 Rollup 不可能承担以太坊生态的所有应用。 那么，Rollup 之间必然会存在竞争。 除了扩容方案的技术选择，二层网络中的应用生态同样重要。

各种特殊用途的 Rollup 可能会逐渐形成。 Dapps之间有强关联和弱关联。 强关联可能会自发地聚集在最适合这类应用的 Rollup 上比特币扩容方案有哪些，从而逐渐将 Rollup 发展成专用的 Rollup。 例如：交易 Rollup、存贷 Rollup、NFT Rollup 等。