一文科普以太坊 Layer 2 扩容方案及用例综述

来源：ethereum.org

编辑：南风

Layer 2 是一系列链下扩展性解决方案的总称，这些解决方案旨在通过在以太坊 (Layer1) 链下处理交易来帮助应用实现扩展。当以太坊网络繁忙时，交易速度会受到影响，这可能会导致某些类型的 Dapps 的用户体验较差。随着网络越来越繁忙，Gas 价格也随着交易发送方竞相出价而上涨。这可能会导致使用以太坊变得非常昂贵。

本文假设你对一些基本知识有着很好的理解。实现 Layer 2 解决方案是先进的技术，该技术的战场考验还较少。

为何需要 Layer 2？

对于一些用例 (比如区块链游戏) 而言，当前的交易处理所需时间是行不通的；

使用基于区块链的应用 (apps) 可能会非常昂贵；

任何对可扩展性的改进都不应该以牺牲安全性和去中心化为代价 –– Layer 2 构建于以太坊之上。

Layer 2 解决方案的类型

Rollups

ZK Rollups

Optimistic Rollups

状态通道 (State channels)

Plasma

Validium

侧链

混合方案

大多数 Layer 2 解决方案都以某个服务器或服务器集群为中心，每个服务器都可以被称为一个节点，验证者，运营者，区块生产者，或者其它类似的术语。根据实现方式的不同，这些 Layer 2 节点可能由使用它们的企业或实体、或由第三方运营商、或由一大群个人 (类似于以太坊主网) 运行。

一般来说，交易会被提交给这些 Layer 2 节点来处理，而不是直接提交到 Layer 1 (主网)；然后，Layer 2 实例会将交易分批成组地锚定到 Layer 1 上，之后这些交易就被 Layer 1 保护且无法再被更改。根据不同的 Layer 2 技术及其实现的不同，这方面的具体实现细节也有很大的不同。

某个特定的 Layer 2 实例可能对许多应用 (apps) 开放和共享，或者可能仅由某个公司部署并专门用于支持该公司的应用。

01Rollups

Rollups 是在 Layer 1 之外执行交易，但在 Layer 1 上发布交易数据的解决方案。由于交易数据位于 Layer 1 上面，这使得 Rollups 受到了 Layer 1 的保护。

Rollups 的关键特征是：继承了以太坊主链 (Layer 1) 的安全属性，同时在 Layer 1 之外执行交易。

Rollups 的三个简化特性如下：

在 Layer 1 之外执行交易；

在 Layer 1 上发布交易数据或证明；

部署在 Layer 1 上的某个 Rollup 智能合约，通过使用 Layer 1 上的交易数据能够确保 Layer 2 交易被正确地执行。

Rollups 要求运营者在 Rollup 智能合约中质押一笔保证金，这样就激励了运营者正确地验证和执行交易。

Rollups 可用于：

为用户减少交易费；

开放式参与；

快速的交易吞吐量。

当前有两种具有不同安全模型的 Rollups：

ZK Rollups：在链下运行计算，并向主链提交有效性证明 (validity proof)；

Optimistic Rollups：默认情况下假定交易是有效的，仅在遇到挑战 (challenge) 时，通过欺诈证明 (fraud proof) 运行计算。

1. ZK Rollups

ZK Rollups，全称 Zero Knowledge Rollups，会将数百笔交易在链下 (Layer 2) 进行捆绑打包，并生成一个称为“SNARK” (简洁的非交互式零知识证明)的加密证明。这就是所谓的有效性证明 (validity proof)，该证明会被提交和发布在 Layer 1 上面。

部署在 Layer 1 上的 ZK Rollup 合约会维护所有发生在 Layer 2 上的交易转移状态，该状态只能通过有效性证明才能进行更新。这意味着，ZK Rollups 只需要有效性证明，而不需要所有的交易数据。通过 ZK Rollup，验证区块将变得更快、更廉价，因为被打包的数据更少了。

使用 ZK Rollup 时，当资金从 Layer 2 转移到 Layer 1 时不会出现延迟，因为 ZK Rollup 合约此前接受的有效性证明已经验证了这笔资金的有效性。

我们还可以对使用 ZK Rollups 的侧链进行优化，以进一步减少交易大小。比如，账户 (account) 可以由索引 (index) 而非地址 (address) 来表示，这样就可以将交易大小从 32 字节减少到仅仅 4 字节；交易还可以作为 calldata 被写入以太坊，从而减少 Gas 使用量。

ZK Rollups 的优缺点

优点：

当需要将资金转移至主链上时，不会出现延迟，因为有效性证明已经对资金进行了验证；

不像 Optimistic Rullops 那样容易受到经济攻击的影响。

缺点：

仅限于简单的转账，不兼容于 EVM (以太坊虚拟机)；

有效性证明的计算强度很大，因此对于一些链上交易活动较少的应用而言，不值得采用此技术；

ZK Rollups 的用例

Loopring

Starkware

Matter Labs 的 zkSync

Aztec 2.0

ZeroSwap

Sushiswap

dYdX

Immutable X

2. Optimistic Rollups

Optimistic Rollups 与以太坊主链平行运行。Optimistic Rollups 可以在可扩展性方面提供改进，因为默认情况下它们不进行任何计算。相反，在交易完成之后，它们会向主网提议新的状态，也即对交易进行“公证”。

使用 Optimistic Rollops，交易将作为 calldata (调用数据)被写入以太坊主链，通过降低 Gas 成本来进一步对交易进行优化。

由于链上计算是导致以太坊缓慢、昂贵的原因，Optimistic Rollups 能够根据交易类型提供 10-100 倍的可扩展性提升。随着 Eth2 升级将引入分片链，这一数字将会进一步增加。这是因为，当 Optimistic Rollup 链中的某笔交易存在争议时，将会有更多的数据可用。

当交易存在争议时

Optimistic Rollups 实际上并不会对交易进行计算，因此需要存在一种机制，以确保其中的交易是正当而非欺诈性的。这就是欺诈性证明 (fraud proofs) 发挥作用的地方。如果某人注意到了一笔欺诈性交易 (并提出欺诈证明)，Optimistic Rollup 链将使用可用的状态数据来校验该欺诈证明并运行该笔交易的计算。这意味着，与 ZK-rollup 相比，Optimistic Rollup 可能有更长的交易确认等待时间，因为交易可能会被挑战。

你在提交欺诈证明时计算所消耗的 Gas 甚至会被补偿，也即你会因为证明有欺诈行为而得到补偿。Optimism 团队的 Ben Jons 描述了现有的保证金系统：

Optimistic Rollups 的优缺点

优点

你在以太坊 Layer 1 上能做的任何事情，都可以在 Optimistic Rollups 上进行，因为 Optimistic Rollups 兼容于 EVM 和 Solidity。

所有的交易数据都存储在 Layer 1 链上，意味着 Optimistic Rollups 是安全和去中心化的。

缺点：

由于潜在的欺诈性挑战，需要很长的交易确认等待时间。

Optimistic Rollups 的用例

Optimism

Offchain Labs 的 Arbitrum Rollup

Fuel Network

Cartesi

Synthetix

02通道(Channels)

通道 (Channels) 允许参与者在链上只提交两笔交易的情况下进行 x 次链下交易。这能够实现极高的交易吞吐量。

可用于：

大量的状态更新；

当预先知道参与者的数量时；

当参与者总是存在时。

参与者必须将一笔 ETH 存款锁定在一个多签合约中。多签合约是一种需要多个私钥签名 (从而使各方达成共识) 以执行交易的智能合约类型。

锁定存款就是基于这种方式的第一笔交易，以此来开通一个交易通道。之后，参与者就可以快速和自由地进行链下交易。当交互完成之后，一笔最终的链上交易会被提交，从而解锁之前被锁定的存款。

状态通道 (State channels)

状态通道的井字游戏：

在以太坊主链上创建一个多签智能合约“法官”，该合约理解井字游戏规则，并可以识别 Alice 和 Bob 为游戏中的两个玩家。这份合约持有 1 ETH 的奖励。

然后，Alice 和 Bob 开始玩游戏，开启状态通道。每一步操作都会创建一笔包含“nonce”值的链下交易，这意味着之后我们总是可以知道这些操作发生的顺序。

当赢家产生时，Alice 和 Bob 通过向“法官”合约提交最终状态 (比如交易列表) 来关闭该通道，这样就只用付一次交易费用。“法官”确保这一“最终状态”由 Alice 和 Bob 双方签署，并等待一段时间以确保没人会对这一结果的合法性发起挑战，然后将 1 ETH 的奖励发给 Alice。

目前有两种类型的通道：

状态通道 – 如上所述；

支付通道 – 经简化的状态通道，只处理支付。支付通道允许两个参与者之间进行链下转账，只要他们的转账净额不超过存入的代币数量。

优缺点

优点：

即时提款/主网结算 (前提是通道的参与双方合作的情况下)；

可能实现极高的交易吞吐量；

每笔交易有着最低的成本，有利于小额支付。

缺点：

创建和结算通道的时间和成本 — 对于任意用户之间偶尔的一次性交易来说不太好；

需要定期查看通道网络，或将此责任委托给其他人，以确保用户资金的安全；

必须在开启通道时锁定资金；

不支持公开参与。

状态通道的用例

Connext

Kchannels

Perun

Raiden

Statechannels.org

03Plasma

Plasma 链是一条独立的区块链，锚定到以太坊主链，并使用欺诈证明 (类似于 Optimistic Rollups) 来仲裁纠纷。

Plasma 的优缺点

优点：

高吞吐量，低交易成本；

适用于任意用户之间的交易 (如果两个用户都在 Plasma 链上，则每个用户对没有开销)；

缺点：

不支持通用计算，只能支持基本的代币转移、兑换和其它一些交易类型；

需要定期查看该网络，或将此责任委托给其他人，以确保用户的资金安全；

依赖于一个或多个 Plasma 链运营者来存储数据并根据请求提供服务；

存在交易挑战期，提款会被推迟了几天。流动性提供者可以减轻这种情况，但存在相关的资本成本。

Plasma 用例

OMG Network

Polygon (前身为 Matic Network)

Gluon

Gazelle

LeapDAO

04Validium

Validium 使用像 ZK-Rollops 这样的有效性证明，但数据并不存储在以太坊的以太坊 Layer 1 主链上，而是将 Layer 2 的交易数据存储在链下。这可能实现每条 Validum 链每秒处理 10k 笔交易，多条 Validum 链可以并行运行。

Validium 的优缺点

优点：

没有取款延迟 (链上/跨链交易没有延迟)，从而提高资本效率；

不会像基于欺诈证明的系统那样容易受到某些经济攻击。

缺点：

对通用计算/智能合约的支持有限；专门的语言要求。

生成 ZK 证明需要较高的计算能力，对于低吞吐量的 Apps 来说，此方案是不划算的；

Validium 用例

Starkware

Matter Labs 的 zkPorter

Loopring

05侧链

侧链 (sidechain) 是一条独立的区块链，它与主网并行且独立运行。侧链有自己的共识算法 (比如权威证明、DPoS委托权益证明、拜占庭容错等等)。侧链通过一个双向桥与主链相连。

优缺点

优点：

较成熟的技术；

支持通用计算，兼容 EVM；

缺点：

不那么去中心化；

使用单独的共识机制，其安全性不受 Layer 1 保护 (因此从技术上来说，侧链不是 Layer 2)；

一定数量的侧链验证者可以实现欺诈。

侧链的用例

Skale

POA Network

xDAI

06混合解决方案

结合多个 Layer 2 技术的最佳部分，并提供可配置的折衷方案。

用例

Offchain Labs 的 Arbitrum SCSC

CelerNetwork

延伸阅读

Validium And The Layer 2 Two-By-Two — Issue No. 99

https://www.buildblockchain.tech/newsletter/issues/no-99-validium-and-the-layer-2-two-by-two

Evaluating Ethereum layer 2 Scaling Solutions: A Comparison Framework

https://medium.com/matter-labs/evaluating-ethereum-l2-scaling-solutions-a-comparison-framework-b6b2f410f955

Adding Hybrid PoS-Rollup Sidechain to Celer’s Coherent Layer-2 Platform on Ethereum

https://medium.com/celer-network/adding-hybrid-pos-rollup-sidechain-to-celers-coherent-layer-2-platform-d1d3067fe593

Zero-Knowledge Blockchain Scalability

https://ethworks.io/assets/download/zero-knowledge-blockchain-scaling-ethworks.pdf

状态通道

EthHub on state channels

https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/state-channels/

Making Sense of Ethereum’s Layer 2 Scaling Solutions: State Channels, Plasma, and Truebit– Josh Stark, Feb 12 2018

https://medium.com/l4-media/making-sense-of-ethereums-layer-2-scaling-solutions-state-channels-plasma-and-truebit-22cb40dcc2f4

State Channels - an explanationNov 6, 2015 - Jeff Coleman

https://www.jeffcoleman.ca/state-channels/

Basics of State Channels- District0x

https://education.district0x.io/general-topics/understanding-ethereum/basics-state-channels/

支付通道

EthHub on payment channels

https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/payment-channels/

ZK Rollups

EthHub on zk-rollups

https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/zk-rollups/

Optimistic rollups

EthHub on optimistic rollups

https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/optimistic_rollups/

OVM Deep Dive

https://medium.com/ethereum-optimism/ovm-deep-dive-a300d1085f52

侧链

EthHub on sidechains

https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/sidechains/

Scaling Ethereum Dapps through Sidechains-Feb 8, 2018 - Georgios Konstantopoulos

https://medium.com/loom-network/dappchains-scaling-ethereum-dapps-through-sidechains-f99e51fff447