科普 | 一文對比以太坊Layer2擴容方案_LAYER:以太坊

一、Layer2擴容方案發展現狀

區塊鏈網絡擴容的基本思路主要有兩種：Layer1擴容、Layer2擴容。

?Layer1擴容可以理解為比特幣、以太坊等底層鏈的性能升級；Layer2擴容則可以理解為在底層鏈外處理事務過程只將結果同步回底層鏈上的擴容方案。比如：比特幣的大區塊思路，就是Layer1擴容，閃電網絡便是Layer2擴容；以太坊的ETH2.0就是Layer1擴容，后文所述的多種擴容方案就是Layer2擴容。

針對目前Layer1層的性能瓶頸，當前的layer2擴容方案的核心思路是：Layer1做好去中心化和安全，做到底層鏈的絕對可靠、可信任，做到全球共識，并且以經濟激勵的方式將信任傳遞到Layer2；而Layer2則要提高效率、降低成本，以滿足各類商業場景的業務需求。

近期，Layer2實現了爆發性增長：

1.1以太坊Layer2總鎖倉量突破38億美元

據L2BEAT數據，截至10月18日，以太坊L2總鎖倉量為38億美元，一周增長13.54%。其中，Arbitrum網絡鎖倉量為22.9億美元，占L2總鎖倉量的60.36%；其次，dYdX鎖倉量為8.79億美元，占比23.09%。

1.2Layer2的轉賬和交易費用相較Layer1大幅降低

據L2Fees數據，Layer2擴容方案的ETH轉賬費用最低僅為以太坊鏈上轉賬費用的3.22%，其他Tokens的轉賬費用甚至低至1.41%，Layer2的交易費用最低僅為以太坊鏈上交易費用的2.57%。

從市場數據來看，Layer2擴容方案獲得了較廣泛的市場認可和采用，并且切實降低了用戶在鏈上轉賬和交易的成本，一定程度上實現了最初的擴容初衷。

二、Layer2擴容方案匯總分析

目前市場上主要有以下幾種Layer2擴容方案：狀態通道、側鏈、Plasma、Rollup及Validium。

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Layer2擴容方案匯總

各類Layer2擴容方案均有項目采用，目前Rollup類擴容方案的應用案例較多。

2.1五種主要的Layer2擴容方案

1、StateChannels

狀態通道是一種通用的擴展解決方案，可用于封閉系統中定義數量的用戶之間的交互。狀態通道需要在鏈上進行開啟和關閉交易，但所有中間狀態都直接在各方之間發送。交易在鏈下處理后，只向主鏈提交證明。

狀態通道是如何擴容的？舉例說明：

只有Ethereum主網時：A和B在以太坊上創建一個智能合約，雙發發起一個事件，當事件發生后，智能合約就會自動執行將鎖在合約里的資產給贏家。

以上就是只有Layer1的流程，全部事件在以太坊鏈上進行，每次交易都需要支付Gas費、需要等區塊打包，成本高、效率低。

有Layer2狀態通道時：

在以太坊鏈上，A和B創建一個智能合約；在鏈下：A創建并簽署一個交易發送給B，B簽名后把簽名版本發回給A，并且自己留下副本；A再對該交易簽名，再發給B，并且A也保留了一個副本……每次他們更新交易狀態，都是基于最后的一個狀態并且通過簽名的方式更新到一個新的狀態，基于簽名和時間順序，可以知道所有操作的發生順序；在以太坊鏈上：最后，A和B結束交易，他們需要向以太坊鏈上提交最終狀態以關閉鏈下的這個狀態通道，如果合計下來，A贏了B5元，則B需要在鏈上向A支付5元。智能合約會等待一段“挑戰期”，挑戰期內沒有人能夠修改這個結果，那么智能合約就會執行。由上述案例可知，Layer2狀態通道的形式下，無論中間A和B進行了多少筆交易，都是在鏈下進行，不需要支付以太坊鏈上高昂的Gas費，也不需要等待區塊打包時間，這樣交易的成本和效率都很高；而真正的資產轉移的過程，只發生在最初建立智能合約時雙方抵押進去的押金以及最終的執行劃轉。

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

狀態通道是業內早期構思的Layer2擴容方案，有隱私性、即時終結性、適合長時間多狀態更新等優點，但缺點也是很明顯——它們需要所有參與者參與才能完成最終的鏈上交易。如果參與者下線，他們可以使用某人來代表他們，但是這個第三方可能會被賄賂或攻擊。這限制了狀態通道的安全性和可擴展性。

StateChannels的應用案例：CelerNetwork、LiquidityNetwork、RaidenNetwork等。

2、Sidechain

很早的時候，側鏈便作為以太坊生態系統中可擴展性及可用性的權宜方案。

側鏈的核心思路是構建一條完全獨立的區塊鏈，擁有自己的共識模型，有自己的驗證者和運營者，通常與EVM兼容，可以拓展通用的應用程序，可以與主鏈互相轉移資產。

側鏈的缺陷也很顯著，側鏈不依賴于以太坊的安全性，只選擇性地將區塊頭的快照發送至主鏈來防止分叉，但是驗證者依然可以通過串謀來發動“無效狀態轉換攻擊”。

“無效狀態轉換攻擊”的核心思路是：主鏈本來就不可能驗證側鏈上的所有區塊，因此，只要有超過50%的驗證者串謀，就可以創建一個無效區塊，竊取其他參與者的資產，并將這個側鏈的區塊快照發送至主鏈，觸發智能合約并執行，從而奪走其他參與者抵押在主鏈智能合約中的資產。

因為側鏈已經構建了一條完全獨立的區塊鏈，所以也有一些人認為側鏈不屬于Layer2擴容。一般來說，已經發展得比較好的項目，更傾向于保持自身的獨立性，但是又不想脫離以太坊的繁榮生態，這種項目可能更傾向于采用側鏈方案。

SideChain的應用案例：xDAI、SkaleNetwork、InjectiveProtocol等。

3、Plasma

動態 | 人民日報官方微博科普區塊鏈 強調區塊鏈不等于比特幣:人民日報官方微博今早發表9圖科普區塊鏈。其中涉及區塊鏈的特點有：1、安全；2、不可篡改；3、可訪問；4、無第三方。區塊鏈對未來的影響：1、不需繁瑣個人證明；2、看病避免反復檢查；3、旅行消費更加便捷；4、交易無需第三方。同時強調，區塊鏈不等于比特幣。比特幣只是區塊鏈技術的一種應用，區塊鏈還有醫療衛生、食品安全、版權保護等諸多應用領域。[2019/10/28]

Plasma是一種鏈下擴展技術，它依賴于與主鏈交互最少的鏈下交易。Plasma可以理解為Layer2擴容方案發展歷程中的“中世紀”。

Plasma最大的優點是安全性高且可以實現無監管，即使Plasma鏈上所有的驗證者串謀起來作惡，Plasma鏈上的資產也是安全的，而且可以退回主鏈。

缺點是退出機制非常復雜。從Plasma鏈中提款可能需要長達2周的時間，因為需要有一個挑戰期，用戶可以在此期間提供欺詐證明，舉報欺詐行為。這帶來了顯著的缺點，極大地影響了用戶體驗。

Plasma的應用案例：OMGNetwork、MaticNetwork等。

4、Rollup

Rollup是最新的二層擴展技術，也是目前市場最推崇、應用最廣泛的擴容技術路徑。

Rollup是將大量交易“匯總”成一個大批次，然后為該批次生成“證明”。然后將這個證明發布在主網上。

Rollup在Layer1之外執行交易，但在Layer1上發布交易數據。由于交易數據包含在Layer1的區塊中，Rollup相當于繼承了以太坊的安全性。

在具體解決方案上，Rollup又分為OptimisticRollup和ZKRollup，前者參考了Plasma的欺詐證明機制，后者用零知識證明機制來確保安全性。

OptimisticRollup

OptimisticRollup假設為每個交易批次提供的證明都是有效的。

在預定義的質疑期間，任何人都可以質疑提交的證明并斷言欺詐——欺詐證明。

OptimisticRollup的優點是可以輕松支持通用計算，缺點是在擴展NFT方面有較大局限性。首先，OptimisticRollup不能進行快速的NFT提款；其次，如果OptimisticRollup中的NFT價值非常高，它可能會成為攻擊目標，因為從OptimisticRollup中竊取資金的成本與潛在盜竊的規模無關。

聲音 | ETC Labs主管：科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰:ETCLabs主管Darin Kotalik認為，科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰，人們必須要對區塊鏈有基本的認識，分清楚公鏈和私鏈的區別。[2019/8/25]

OptimisticRollup的應用案例：Arbirum、Optimism、BobaNetwork等。

ZKRollup

ZKRollup的核心工作機制是將鏈上的用戶狀態壓縮存儲在一棵Merkle樹中，并將用戶狀態的變更轉移到鏈下進行，同時通過zkSNARK的證明來保證該鏈下用戶狀態變更過程的正確性。在鏈上直接處理用戶狀態的變更成本是比較高的，但是僅僅利用鏈上的智能合約來驗證一個零知識證明的PROOF是否正確，成本是相對低很多的。另外必要的轉賬信息也會被和證明一起提交到合約，方便用戶查賬。

ZKRollup的關鍵特點：

將主鏈作為存儲媒介，而非共識引擎；將交易壓縮，并在鏈下達成狀態共識；用零知識證明保證鏈下狀態共識的安全性。ZKRollup使用零知識證明而非欺詐證明，使用SNARK或STARK以及大量復制的數學來證明Rollup中交易的有效性。使用零知識證明意味著一旦在鏈上接受了證明，用戶就可以立即確認這些交易是有效的。

在NFT系統中，這解決了上述OptimisticRollup的兩個問題：用戶可以立即退出，并且沒有人能夠攻擊系統；在規模方面，ZKRollup已經能夠達到每秒數千筆交易的速度，并且在未來可以達到更高的限制。

ZKRollup目前只有有限的功能可用，主要是轉賬和交易，這是因為將智能合約移植到ZKRollup更具挑戰性，這個缺點后續有可能會得到解決。

ZKRollup的應用案例：zkSync、Loopring、dYdX等。

5、Validium

Validium的機制跟ZKRollup很相似，也是采用零知識證明機制，主要的區別在于ZKRollup上的每一筆交易數據都將通過以太坊網絡進行廣播，而在Validium上，數據由一組數據公證人管理。Validium的數據交易成本較低，但需要對數據公證人有信任。

Validium的應用案例：Sorare、DeversiFi、ImmutableX等。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

2.2各類Layer2擴容方案的關鍵區別

目前，StateChannels、Sidechain和Plasma已經比較少新項目采用，主流的Layer2擴容方案主要是后面2類：Rollup和Validium。

Layer2擴容的關鍵在于：減輕Layer1的數據計算壓力的同時，確保資產的安全性和共識。因此，按各類Layer2擴容方案解決這兩個關鍵問題的方法，可以有兩個維度的區分：

數據的計算和存儲是放在鏈上處理，還是放在鏈下處理；如何確保二層網絡的資產安全和共識？是通過零知識證明機制、欺詐證明機制還是局部鏈下共識？

Layer2擴容的發展現狀是多種擴容方案并存。各類Layer2擴容方案在數據和共識機制的不同選擇，實際上是在安全性、性能、可用性、擴展性方面做了不同的取舍，從而也決定了各類Layer2擴容方案適合不同的應用場景。比如：

采用鏈上數據和零知識證明機制的ZKRollup，在安全性方面最優，適合轉賬和交易類的應用；

采用鏈上數據和欺詐證明機制的OptimisticRollup，支持OVM智能合約，在擴展性方面較優，諸多以太坊應用都可以很方便的遷移升級；

采用鏈下數據和零知識證明機制的Validium，在性能方面最優，但需要對數據公證人有信任。

不同區塊鏈項目需要根據具體業務的實際需求，選擇最合適的Layer2擴容方案。

2.3知名Layer2擴容項目案例

1、StarkEx

StarkEx是StarkWare投資孵化的基于有效性證明的以太坊Layer2擴容方案。

StarkEx利用STARK技術為DeFi和NFT游戲等應用提供可擴展的自托管交易。StarkEx可以顯著擴展并提高交易速度、降低交易成本。

目前，StarkEx已經支持ETH、ERC20、ERC721等代幣和合成資產。此外，它還可以支持其他兼容EVM的代幣。

目前，已經有不少知名項目使用StarkEx，包括：dYdX、Immutable、DeversiFi、Sorare等。

2、Arbitrum

Arbitrum是由OffchainLabs開發的二層擴容方案，采用OptimisticRollup技術提高鏈上合約的可擴展性、快速性和私有性，并且其開發者友好的設計與VEM全面兼容。

Arbitrum得益于先發優勢，其Layer2生態已經初具規模。據L2BEAT數據，Arbitrum鎖倉量已達22.9億美元，占Layer2總鎖倉量的60.36%。Arbitrum生態中Dapps數量已經超過56個，其中不乏1inch、AAVE、Curve等知名DeFi項目。

3、CelerNetwork

二層擴容平臺CelerNetwork最為人稱道的不是二層擴容，而是其推出的跨鏈支付網絡cBridge。

cBridge是一個基于Celer狀態守衛者網絡，支持高速低成本的跨鏈支付網絡，用戶可使用cBridge在Heco、Fantom、Optimism、Avalanche、OKExChain、xDAI、Ethereum、Arbitrum、BSC以及Polygon之間進行完全非托管、高速低成本的跨鏈和跨層轉賬。

通過cBridger從Arbitrum轉賬到Optimism大概需要支付16U的費用，如果不使用跨層協議，則需要先從Arbitrum提出到Ethereum、再轉賬到Optimism，將需要支付超過100U的費用，而且耗時更長。

三、Layer2擴容待改進的問題及發展趨勢

3.1Layer2擴容的待改進問題

Layer2解決方案還有一些潛在問題有待改進：

1、有限的可組合性

可組合性是DeFi的核心優勢之一。可組合性創造了全新的金融產品，改變了人們看待金融的方式。但是，目前的Layer2網絡會對可組合性產生限制，因為目前Layer2沒有互操作性。

在Layer1中，單筆交易可以與多個DeFi協議交互，打造全新的金融產品；在Layer2上，該交易只能與存在于其自身鏈上的DeFi協議進行交互。

比如：假如DeFi協議1僅適用于Polygon，DeFi協議2僅適用于Optimism，則無法編寫同時調用DeFi協議1和DeFi協議2智能合約的交易。

由于這種不可互操作性，DeFi協議的可組合性受到限制，DeFi的魔力也將受到限制。

對于可組合性問題，可嘗試的解決方案是將所有Layer2連接到一個標準框架中。制定Layer2層的標準技術方案，以維持以太坊網絡中DeFi協議的可組合性。

2、有限的流動性

流動性也是DeFi的核心優勢之一。流動性在任何金融市場中都極其重要，擁有充足的流動性才能形成一個健康的市場、才能保證單筆交易不會引起價格的瘋狂波動。

沒有Layer2之前，以太坊生態的所有流動性都存在于以太坊上，隨著各大DeFi協議往Layer2遷移，現有的流動性也將被分配到不同的Layer2協議上。雖然各個Layer2協議本質上仍與以太坊相連，但資金的流動性實際上是被分割的，從L2退出到L1時使用官方跨鏈橋需要等待7天時間，對用戶體驗特別不友好。

對于流動性被分割的問題，很難完全解決。目前行業內的解決方案是發展跨鏈橋接協議，以支持Layer2和Layer1區塊鏈的跨鏈和跨層轉賬，比如CelerNetwork推出的跨鏈支付網絡cBridge，這類跨鏈橋接協議的退出期比官方跨鏈橋快，但仍未完全解決流動性被分割的問題。

3.2Layer2的發展趨勢

1、以太坊主網和Layer2網絡將各自承擔不同類型用戶的使用需求

現在以太坊網絡的Gas費成本已經非常高昂。據cryptofees.info數據，截至10月17日，Ethereum近24小時的Gas費高達6000萬美元，近7天的日均Gas費超過4000萬美元。單筆鏈上交易的平均Gas費超過30美元，如此高昂的交易成本，無疑會倒逼成本敏感型的普通用戶選擇更低成本的Layer2網絡。

當Layer2網絡真正實現大規模普及時，不同類型的用戶會根據具體的使用需求選擇合適的網絡。屆時，使用以太坊主網的將以金融機構、鯨魚、Layer2協議等機構和大戶為主，更多普通用戶將選擇在Layer2進行鏈上交易。

2、跨L2橋接網絡協議將會有較大市場需求

互聯互通是一個永恒的需求。不同區塊鏈之間有跨鏈需求，不同Layer2層協議之間有跨層需求。

無論是以太坊團隊還是以太坊生態的各DeFi協議團隊，都不希望進入Layer2時代后把繁榮的以太坊生態分流成支離破碎的狀況，二層網絡之間需要保持互操作性。

目前已經有多個團隊在推進跨L2橋接網絡的研發。StarkEx已經提出了一種無需信任、安全且廉價的StarkEx橋，它依賴于以太坊的安全性，通過在StarkEx和多個Layer2之間擴展這樣的橋梁，實現Layer2協議之間的互聯互通，保證Layer2協議的可組合性和流動性。

3、專用型Rollup可能比通用型Rollup更合適長期發展

鑒于二層網絡之間的互操作性比較不方便，而且單個Rollup不可能承接以太坊生態的所有應用。那么，必然會存在Rollup之間的競爭。除了擴容方案的技術選型之外，二層網絡中的應用生態也同等重要。

各類專用型Rollup可能會逐步形成。Dapp與Dapp之間有強關聯和弱關聯之分，強關聯的Dapp可能會自發聚集在最適合該類應用的某個Rollup上，從而逐步將該Rollup發展成為專用型Rollup。比如：交易專用Rollup、儲蓄借貸專用Rollup、NFT專用Rollup等。

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