來源 ：ethereum.org

編輯：南風

Layer 2 是一系列鏈下擴展性解決方案的總稱，這些解決方案旨在通過在以太坊 (Layer1) 鏈下處理交易來幫助應用實現擴展。當以太坊網絡繁忙時，交易速度會受到影響，這可能會導致某些類型的 Dapps 的用戶體驗較差。隨着網絡越來越繁忙，Gas 價格也隨着交易發送方競相出價而上漲。這可能會導致使用以太坊變得非常昂貴。

本文假設你對一些基本知識有着很好的理解。實現 Layer 2 解決方案是先進的技術，該技術的戰場考驗還較少。

爲何需要 Layer 2？

對於一些用例 (比如區塊鏈遊戲) 而言，當前的交易處理所需時間是行不通的；
使用基於區塊鏈的應用 (apps) 可能會非常昂貴；
任何對可擴展性的改進都不應該以犧牲安全性和去中心化爲代價 –– Layer 2 構建於以太坊之上。

Layer 2 解決方案的類型

Rollups

ZK Rollups
Optimistic Rollups

狀態通道 (State channels)
Plasma
Validium
側鏈
混合方案

大多數 Layer 2 解決方案都以某個服務器或服務器集羣爲中心，每個服務器都可以被稱爲一個節點，驗證者，運營者，區塊生產者，或者其它類似的術語。根據實現方式的不同，這些 Layer 2 節點可能由使用它們的企業或實體、或由第三方運營商、或由一大羣個人 (類似於以太坊主網) 運行。

一般來說，交易會被提交給這些 Layer 2 節點來處理，而不是直接提交到 Layer 1 (主網)；然後，Layer 2 實例會將交易分批成組地錨定到 Layer 1 上，之後這些交易就被 Layer 1 保護且無法再被更改。根據不同的 Layer 2 技術及其實現的不同，這方面的具體實現細節也有很大的不同。

某個特定的 Layer 2 實例可能對許多應用 (apps) 開放和共享，或者可能僅由某個公司部署並專門用於支持該公司的應用。

Rollups

Rollups 是在 Layer 1 之外執行交易，但在 Layer 1 上發佈交易數據的解決方案。由於交易數據位於 Layer 1 上面，這使得 Rollups 受到了 Layer 1 的保護。

Rollups 的關鍵特徵是：繼承了以太坊主鏈 (Layer 1) 的安全屬性，同時在 Layer 1 之外執行交易。

Rollups 的三個簡化特性如下：

在 Layer 1 之外執行交易；
在 Layer 1 上發佈交易數據或證明；
部署在 Layer 1 上的某個 Rollup 智能合約，通過使用 Layer 1 上的交易數據能夠確保 Layer 2 交易被正確地執行。

Rollups 要求運營者在 Rollup 智能合約中質押一筆保證金，這樣就激勵了運營者正確地驗證和執行交易。

Rollups 可用於：

爲用戶減少交易費；
開放式參與；
快速的交易吞吐量。

當前有兩種具有不同安全模型的 Rollups：

ZK Rollups：在鏈下運行計算，並向主鏈提交有效性證明 (validity proof)；
Optimistic Rollups：默認情況下假定交易是有效的，僅在遇到挑戰 (challenge) 時，通過欺詐證明 (fraud proof) 運行計算。

1. ZK Rollups

ZK Rollups，全稱 Zero Knowledge Rollups，會將數百筆交易在鏈下 (Layer 2) 進行捆綁打包，並生成一個稱爲“SNARK” (簡潔的非交互式零知識證明)的加密證明。這就是所謂的有效性證明 (validity proof)，該證明會被提交和發佈在 Layer 1 上面。

部署在 Layer 1 上的 ZK Rollup 合約會維護所有發生在 Layer 2 上的交易轉移狀態，該狀態只能通過有效性證明才能進行更新。這意味着，ZK Rollups 只需要有效性證明，而不需要所有的交易數據。通過 ZK Rollup，驗證區塊將變得更快、更廉價，因爲被打包的數據更少了。

使用 ZK Rollup 時，當資金從 Layer 2 轉移到 Layer 1 時不會出現延遲，因爲 ZK Rollup 合約此前接受的有效性證明已經驗證了這筆資金的有效性。

我們還可以對使用 ZK Rollups 的側鏈進行優化，以進一步減少交易大小。比如，賬戶 (account) 可以由索引 (index) 而非地址 (address) 來表示，這樣就可以將交易大小從 32 字節減少到僅僅 4 字節；交易還可以作爲 calldata 被寫入以太坊，從而減少 Gas 使用量。

ZK Rollups 的優缺點

優點：

當需要將資金轉移至主鏈上時，不會出現延遲，因爲有效性證明已經對資金進行了驗證；
不像 Optimistic Rullops 那樣容易受到經濟攻擊的影響。

缺點：

僅限於簡單的轉賬，不兼容於 EVM (以太坊虛擬機)；
有效性證明的計算強度很大，因此對於一些鏈上交易活動較少的應用而言，不值得采用此技術；

ZK Rollups 的用例

Loopring
Starkware
Matter Labs 的 zkSync
Aztec 2.0
ZeroSwap
Sushiswap
dYdX
Immutable X

2. Optimistic Rollups

Optimistic Rollups 與以太坊主鏈平行運行。Optimistic Rollups 可以在可擴展性方面提供改進，因爲默認情況下它們不進行任何計算。相反，在交易完成之後，它們會向主網提議新的狀態，也即對交易進行“公證”。

使用 Optimistic Rollops，交易將作爲 calldata (調用數據)被寫入以太坊主鏈，通過降低 Gas 成本來進一步對交易進行優化。

由於鏈上計算是導致以太坊緩慢、昂貴的原因，Optimistic Rollups 能夠根據交易類型提供 10-100 倍的可擴展性提升。隨着 Eth2 升級將引入分片鏈，這一數字將會進一步增加。這是因爲，當 Optimistic Rollup 鏈中的某筆交易存在爭議時，將會有更多的數據可用。

當交易存在爭議時

Optimistic Rollups 實際上並不會對交易進行計算，因此需要存在一種機制，以確保其中的交易是正當而非欺詐性的。這就是欺詐性證明 (fraud proofs) 發揮作用的地方。如果某人注意到了一筆欺詐性交易 (並提出欺詐證明)，Optimistic Rollup 鏈將使用可用的狀態數據來校驗該欺詐證明並運行該筆交易的計算。這意味着，與 ZK-rollup 相比，Optimistic Rollup 可能有更長的交易確認等待時間，因爲交易可能會被挑戰。

你在提交欺詐證明時計算所消耗的 Gas 甚至會被補償，也即你會因爲證明有欺詐行爲而得到補償。Optimism 團隊的 Ben Jons 描述了現有的保證金系統：

Optimistic Rollups 的優缺點

優點

你在以太坊 Layer 1 上能做的任何事情，都可以在 Optimistic Rollups 上進行，因爲 Optimistic Rollups 兼容於 EVM 和 Solidity。
所有的交易數據都存儲在 Layer 1 鏈上，意味着 Optimistic Rollups 是安全和去中心化的。

缺點：

由於潛在的欺詐性挑戰，需要很長的交易確認等待時間。

Optimistic Rollups 的用例

Optimism
Offchain Labs 的 Arbitrum Rollup
Fuel Network
Cartesi
Synthetix

02

通道 (Channels)

通道 (Channels) 允許參與者在鏈上只提交兩筆交易的情況下進行 x 次鏈下交易。這能夠實現極高的交易吞吐量。

可用於：

大量的狀態更新；
當預先知道參與者的數量時；
當參與者總是存在時。

參與者必須將一筆 ETH 存款鎖定在一個多籤合約中。多籤合約是一種需要多個私鑰簽名 (從而使各方達成共識) 以執行交易的智能合約類型。

鎖定存款就是基於這種方式的第一筆交易，以此來開通一個交易通道。之後，參與者就可以快速和自由地進行鏈下交易。當交互完成之後，一筆最終的鏈上交易會被提交，從而解鎖之前被鎖定的存款。

狀態通道 (State channels)

狀態通道的井字遊戲：

在以太坊主鏈上創建一個多籤智能合約“法官”，該合約理解井字遊戲規則，並可以識別 Alice 和 Bob 爲遊戲中的兩個玩家。這份合約持有 1 ETH 的獎勵。
然後，Alice 和 Bob 開始玩遊戲，開啓狀態通道。每一步操作都會創建一筆包含“nonce”值的鏈下交易，這意味着之後我們總是可以知道這些操作發生的順序。
當贏家產生時，Alice 和 Bob 通過向“法官”合約提交最終狀態 (比如交易列表) 來關閉該通道，這樣就只用付一次交易費用。“法官”確保這一“最終狀態”由 Alice 和 Bob 雙方簽署，並等待一段時間以確保沒人會對這一結果的合法性發起挑戰，然後將 1 ETH 的獎勵發給 Alice。

目前有兩種類型的通道：

狀態通道 – 如上所述；
支付通道 – 經簡化的狀態通道，只處理支付。支付通道允許兩個參與者之間進行鏈下轉賬，只要他們的轉賬淨額不超過存入的代幣數量。

優缺點

優點：

即時提款/主網結算 (前提是通道的參與雙方合作的情況下)；
可能實現極高的交易吞吐量；
每筆交易有着最低的成本，有利於小額支付。

缺點：

創建和結算通道的時間和成本 — 對於任意用戶之間偶爾的一次性交易來說不太好；
需要定期查看通道網絡，或將此責任委託給其他人，以確保用戶資金的安全；
必須在開啓通道時鎖定資金；
不支持公開參與。

狀態通道的用例

Connext
Kchannels
Perun
Raiden
Statechannels.org

03

Plasma

Plasma 鏈是一條獨立的區塊鏈，錨定到以太坊主鏈，並使用欺詐證明 (類似於 Optimistic Rollups) 來仲裁糾紛。

Plasma 的優缺點

優點：

高吞吐量，低交易成本；
適用於任意用戶之間的交易 (如果兩個用戶都在 Plasma 鏈上，則每個用戶對沒有開銷)；

缺點：

不支持通用計算，只能支持基本的代幣轉移、兌換和其它一些交易類型；
需要定期查看該網絡，或將此責任委託給其他人，以確保用戶的資金安全；
依賴於一個或多個 Plasma 鏈運營者來存儲數據並根據請求提供服務；
存在交易挑戰期，提款會被推遲了幾天。流動性提供者可以減輕這種情況，但存在相關的資本成本。

Plasma 用例

OMG Network
Polygon (前身爲 Matic Network)
Gluon
Gazelle
LeapDAO

04

Validium

Validium 使用像 ZK-Rollops 這樣的有效性證明，但數據並不存儲在以太坊的以太坊 Layer 1 主鏈上，而是將 Layer 2 的交易數據存儲在鏈下。這可能實現每條 Validum 鏈每秒處理 10k 筆交易，多條 Validum 鏈可以並行運行。

Validium 的優缺點

優點：

沒有取款延遲 (鏈上/跨鏈交易沒有延遲)，從而提高資本效率；
不會像基於欺詐證明的系統那樣容易受到某些經濟攻擊。

缺點：

對通用計算/智能合約的支持有限；專門的語言要求。
生成 ZK 證明需要較高的計算能力，對於低吞吐量的 Apps 來說，此方案是不划算的；

Validium 用例

Starkware
Matter Labs 的 zkPorter
Loopring

05

側鏈

側鏈 (sidechain) 是一條獨立的區塊鏈，它與主網並行且獨立運行。側鏈有自己的共識算法 (比如權威證明、DPoS委託權益證明、拜占庭容錯等等)。側鏈通過一個雙向橋與主鏈相連。

優缺點

優點：

較成熟的技術；
支持通用計算，兼容 EVM；

缺點：

不那麼去中心化；
使用單獨的共識機制，其安全性不受 Layer 1 保護 (因此從技術上來說，側鏈不是 Layer 2)；
一定數量的側鏈驗證者可以實現欺詐。

側鏈的用例

Skale
POA Network
xDAI

06

混合解決方案

結合多個 Layer 2 技術的最佳部分，並提供可配置的折衷方案。

用例

Offchain Labs 的 Arbitrum SCSC
Celer Network

延伸閱讀

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

狀態通道

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 explanation Nov 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

側鏈

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

*本文首發於Unitimes App*

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科普 | 以太坊 Layer 2 擴容方案及用例綜述

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