科普丨一文了解以太坊 layer2 扩容

Ethereum 二层（layer2）扩容是怎么回事？Optimism、xDai、OMG 和 Loopring 等项目之间又有什么区别？接下来我们将回答这些问题。

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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 与 ICO，堵塞了整个以太坊网络，造成 gas 费的大幅飙升。

今年，网络拥堵又来了，且更为严重，这一次是由 DeFi 和流动性挖矿的火热造成的。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。

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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 Bitcon 或 Zcash。

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？

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。

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Layer2 扩展解决方案

Layer2 扩展是指通过处理链下交易（layer1 链外）来帮助提高 Layer1 性能的解决方案的统称。Layer2 主要是可以提高交易速度和交易吞吐量。除此之外，还可以大大降低 gas 费。

当涉及到具体的扩容解决方案时，有多种选择。其中一些方案目前就可以使用，并且可以在短、中期内提高以太坊网络的吞吐量。

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，可以用于任何任意合约的执行。

为了更好地理解这些差异，让我们来探讨一下最流行的 layer2 扩展解决方案。

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通道

通道是最早被人们广泛讨论的扩展解决方案之一，它可以让参与者在链外进行多次交易，而同时只向基础层提交两个交易。

最受欢迎的通道类型是状态通道及其子分类——支付通道。

虽然通道具有每秒轻松处理数千笔交易的潜力，但它们也有一些缺点：它的参与不是开放的，参与者必须是提前被知悉的，用户必须在多签合约中锁定自己的资金。最重要的是，这种扩展解决方案针对特定应用，不能用于扩展通用的智能合约。

在 Ethereum 上使用状态通道的项目是 Raiden，支付通道的概念也被比特币的闪电网络所使用。

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Plasma

Plasma 是最初由 Joseph Poon 和 Vitalik Buterin 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。

Plasma 利用智能合约和 Merkle 树可以创建无限数量的子链，即以太坊区块链的副本。

将交易从主链卸载到子链中，可以实现快速和便宜的交易。但 Plasma 的一个缺点是，对于想要从 layer2 提取资金的用户来说，等待时间会很长。Plasma 与通道类似，不能用于扩展通用的智能合约。

OMG 网络建立在他们自己的 Plasma 上，称为 MoreViable Plasma。而 Matic Network 是另一个使用改编版 Plasma 框架的平台。

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侧链

侧链是兼容以太坊的独立区块链，有自己的共识模型和区块参数。

与以太坊的互操作性是通过使用相同的 EVM （以太坊虚拟机）来实现的，因此部署在以太坊基础层的合约可以直接部署到侧链上。xDai 就是这样一个侧链的例子。

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Rollups

Rollups 通过将侧链交易捆绑或 " 滚动 " 到一个交易中，并生成一个加密证明，也就是 SNARK （简洁的非交互式知识论证）来提供扩展。只有这个证明才会提交给基础层。

使用 Rollups，所有的交易状态和执行都在侧链中处理。以太坊主链只存储交易数据。

有 2 种类型的 Rollup。Zk rollups 和 Optimistic rollups。

Zk rollups 虽然比 Optimistic rollups 更快、更高效，但并没有为现有的智能合约提供一个简单的方式来迁移到 layer2。

Optimistic rollups 运行一个名为 OVM （Optimistic Virtual Machine）的 EVM 兼容虚拟机，它允许执行与以太坊上相同的智能合约。它能够使现有的智能合约更容易维护其可组合性，这在所有主要的智能合约均已经过 battle 测试的 DeFi 中极为重要。

运用 Optimistic rollups 的主要项目之一是 Optimism，它们的主网很快就发布。

谈到 Zk rollups，Loopring 和 Deversifi 是建立在 layer2 的去中心化交易所的好例子。除此之外，还有 ZkSync 实现了可扩展的加密支付。

Rollups 的可扩展性也可以被以太坊 2.0 放大。事实上，由于 rollups 只需要扩展数据层，所以可扩展性在 Ethereum 2.0 阶段 1(关于数据分片) 中就可以获得巨大的提升。

总结

尽管有一系列 layer2 扩展解决方案可供选择，但看起来以太坊社区倾向于主要通过 rollup 和以太坊 2.0 阶段 1 的数据分片进行扩展的方法。

这方法也在 Vitalik Buterin 最近发表的一篇名为 "A rollup centric Ethereum roadmap " 的文章中得到了确认。

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