一文讀懂各種以太坊L2解決方案的優劣，因地制宜或才是最佳發展策略

即使以太坊的高階使用者對ZK-Rollups，分片（Sharding）或Plasma等詞彙不感興趣，但這個世界上最活躍的區塊鏈的未來卻取決於這些。在本報告中，我們將解決以太坊當前的擴充套件問題以及以太坊的潛在解決方案。

現狀

以太坊每天支援大量的經濟活動。它每天結算數十億美元的交易，並且在蓬勃發展的去中心化金融（DeFi）和非同質化代幣（NFT）領域中執行成千上萬的去中心化應用程式（Dapp）。但是，以太坊的區塊空間有限，所有這些應用程式都在爭奪相同的資源，這意味著當網路擁塞時，交易變得更加昂貴且延遲更多。實際上，對於使用者而言，以太坊上的單筆智慧合約交易（例如Uniswap交易）費用可能會超過數百美元，具體取決於網路的擁塞程度，從而導致互動交易成本過高。但是，這對於受益於如此高的交易費的礦工來說非常好，與2017年的牛市高點相比，礦工收入當前可以增加50％：

幸運的是，開發者團隊正在開發幾種擴充套件解決方案，每種解決方案都有自己獨特的最佳化和取捨。嚴格來說，“可擴充套件性”是單個節點處理的交易量，“吞吐量”是網路可以處理的總交易量量。為了便於討論，我們談論的可擴充套件性是指處理的所有交易。

以太坊朝著這個目標的演變看起來像是幾條分開的道路，有時會連結在一起，通向相同的目的地。每個擴充套件解決方案看起來都類似於樹或中心輻射模型，但是每個解決方案都有其自己的細微差別，可以解決特定的用例。解決方案主要有兩類：

1.狀態通道

狀態通道允許使用者進行多次脫鏈交易，而僅向以太坊網路提交兩次交易-一次在開啟時提交，一次在關閉通道時提交。

這使主網路擺脫了驗證許多事務的負擔，但提供了相同級別的安全性。網路中的參與者需要將存款存入多重簽名合同，該合同需要執行閾值數量的簽名（例如5箇中的3個）。一旦資金存入渠道，參與者就可以根據需要進行多次交易。當參與者不再需要渠道時，他們可以提交結果，等待一段時間以確保對結果沒有任何挑戰，然後在鏈上提交最終交易並解鎖其資金。

舉一個簡化版的狀態通道例子：一個兩方或更多方之間的支付渠道。當已知數量的參與者之間有許多交易（例如小額支付）時，這很有用。交易是即時的，並且大大減少了在以太坊區塊鏈上處理交易所需的費用。

缺點是建立通道並對其進行積極監視以確保沒有惡意行為者，這個過程需要花費時間。此外，資金在通道有效期內被鎖定，並且尚不支援智慧合約。

與此相關的專案包括Raiden Network，Celer，Connext，Statechannels和Perun。例如，Raiden已經在以太坊上實現了類似於比特幣的閃電網路的系統，其中包括對ERC20代幣的支援。Celer專注於狀態通道技術，但也提供了幾種與以太坊，Polkadot和NEO相容的互補側鏈。

2.Plasma（子鏈）

Plasma是一種以太坊區塊鏈副本框架，稱為子鏈（childchain）。可以在這些Layer2區塊中處理成千上萬筆交易，並捆綁為一筆單一交易。Plasma可以有許多層，因此可以無限地擁有一個孫子鏈和曾孫子鏈。子鏈是無信任和非託管的鏈，使用者可以控制其資金。這意味著，如果發生錯誤或被駭客攻擊，使用者可以引用Plasma鏈的最新正確快照以恢復狀態並找回其代幣。這裡有一個挑戰期，使用者從Plasma鏈中提取資金後將在以太坊主鏈上支付一筆交易費。

打個比方，以太坊區塊鏈就是最高法院，而Plasma鏈就像下級法院一樣。

優勢在於，Plasma可以以較低的每筆交易成本維持每秒高達1,000筆交易（TPS），而每個Plasma區塊的gas成本是固定的。與狀態通道不同，Plasma還可以處理靈活數量的使用者，從一開始就不需要設定數量。資金的安全性和可找回性也很高。

缺點是Plasma沒有支援智慧合約執行的靈活性，因為它僅支援轉移或swap等基本功能。此外，儘管使用者可以提取資金，但他們還需要定期檢查Plasma鏈以發現任何錯誤，以防止被駭客利用。與狀態通道類似，需要“監視塔”來維護網路快照。由於這些原因，Plasma已不再是首選解決方案。

與此相關的專案包括Polygon（以前稱為Matic），OMG Network，Gluon，LeapDAO和Gazelle。Ploygon是Plasma和權益證明混合側鏈，我們將在下一部分中介紹。

3.側鏈

Plasma子鏈和側鏈彼此相似，但從安全形度來看有所不同。

Plasma子鏈在無信任的環境中依賴以太坊的安全機制，並由於其高吞吐量和安全保證而針對支付進行了最佳化。但是，側鏈是與以太坊並排執行並與之通訊的獨立區塊鏈。它使用另一個代幣與以太坊掛鉤連線，從而建立了雙向橋。側鏈是完全獨立的區塊鏈，具有自己的共識機制和安全性保證。

正如它們支撐以太坊一樣，這些側鏈無關區塊鏈，並且還可以透過使用ADA而不是ETH建立掛鉤來支援其他基礎層，例如Cardano。他們僅在更新分類賬狀態時與主鏈進行互動。正如側鏈可以與其他區塊鏈友好一樣，使用者和運營商可以在不依賴以太坊的情況下鏈下共存並維護多個側鏈。

優勢在於，側鏈是具有自己的代幣的區塊鏈，能夠支援智慧合約（不在主鏈上），因此針對靈活性進行了最佳化，並具有多種用例。相對而言，這項技術是作為擴充套件解決方案而建立的，根據側鏈的設計，它可以提供大約10,000 TPS的速度。

缺點是它不是一個無信任的環境，因為使用者需要將資金託管轉移到側鏈。安全性也是另一個需要關注的問題，因為與以太坊相比，側鏈不那麼成熟，去中心化也更差，以太坊在過去幾年中從去中心化中受益匪淺。此外，雙向掛鉤意味著側鏈代幣還需要保持價值並在經濟上可行，這通常是透過在該側鏈上收取費用並具有有效的代幣經濟學來實現的。

與此相關的專案包括xDAI，Polygon，POA網路，Liquid網路和Skale網路。xDai Chain是一種支付區塊鏈，旨在實現快速，廉價的穩定交易。xDai用於交易，付款和費用。

Matic（現為Polygon）與Circle合作發行了USDC穩定幣，並與Chainlink結盟，為以太坊遊戲提供支援。Matic更名為Polygon，以啟動Layer2聚合框架為重心。該團隊將繼續託管Matic Network的當前解決方案，即使用Plasma框架的PoS以太坊側鏈。但是他們現在認為這個現有的側鏈是“不受歡迎的Layer2解決方案”。據報道，Polygon即將推出的SDK將使開發人員能夠建立多個Layer2解決方案，例如Optimistic Rollups，ZK Rollups和Validium，這就是該團隊將其稱為Layer2聚合器的原因。

4.Rollup

Rollup允許將數千個交易捆綁在單個Rollup區塊中。它可能會提供100倍的吞吐量，因為釋出在Layer1之外傳輸的資料摘要比Layer 1的儲存和計算負擔少且便宜。摘要資料仍在Layer1（以太坊）上得到保護，而無需在以太坊鏈上進行完整的計算和儲存。

與狀態通道不同，Rollup中的資金是由智慧合約持有的，執行方在該合約中將資金投入Layer1智慧合約中。所有交易都在layer2上發生，並且如果使用者認為Layer2操作是惡意的，則可以在Layer1上執行。不良行為者將被削減質押物，舉報的人將得到一部分被削減的質押物作為報酬。

Rollup對於降低費用，提供更快的交易吞吐量和向使用者開放參與很有用。有兩種主要型別：Optimistic Rollup和ZK Rollup。

4a Optimistic Rollup

Optimistic Rollup使用了與以太坊主鏈平行執行的側鏈。在完成一批交易之後，Rollup會向主網提出一個新狀態。打個比方，他們撮合並公證了交易。他們每秒可以處理約300個智慧合約呼叫或每秒約2,000個基礎轉賬。由於它與以太坊虛擬機器（EVM）相容，因此在以太坊上做的任何事情也可以在Optimistic Rollup上做。這是一種用於擴充套件通用智慧合約的解決方案，並且是一種以合理的安全程度遷移去中心化應用程式（DApp）的簡便方法。

但其妥協之處在於，資金可能會受到潛在攻擊媒介的威脅。如果釋出了不正確的狀態轉換，則使用者將能夠撤消不正確的區塊並大幅削減不良行為者的質押資金。提款速度也很慢，可能要花幾天時間，以允許提出質疑或糾紛期。

專注於此的專案包括Optimism，Arbitrum，Fuel Network和Cartesi。Uniswap V3正在Optimism上啟動，該版本目前已將此解決方案驗證為首選的Layer2解決方案。Optimism的主網已於2021年1月使用Synthetix等列入白名單的協議進行了軟啟動，儘管它現在準備在2021年7月之後的某個時間全面投入使用。這些白名單協議的使用者已經節省了超過1000萬美元的費用。但是，仍然無法確定實際的使用者採用情況，因為它需要改變使用者的行為，例如必須依賴支援這種新側鏈增強功能的新錢包。

4b ZK Rollup

雖然Optimism假定交易預設情況下是有效的，並且僅在遇到挑戰時才執行計算，但ZK Rollups會在鏈外執行所有計算，並提交要儲存在以太坊上的有效性證明。零知識（Zero Knowledge，ZK）是指發行人必須提供的加密證明，才能將一系列交易記錄在以太坊區塊鏈上。

該證明有時被稱為SNARK（簡潔的非互動式知識論證）。運營方需要為每個狀態轉換生成證明，以太坊上的Rollup合約對此進行了驗證。該SNARK證明存在一系列從一個狀態到另一個狀態的順序交易。這類似於向以太坊區塊鏈展示計算結果，而不向他們展示所有交易資料或結果的得出方式。因此，驗證區塊更快，更便宜，因為涉及的資料更少。

ZK Snarks（可與ZK Proofs互換使用）經常被諸如Z Cash之類的隱私幣使用。但是ZK Rollups使用零知識技術來提高效率，而不是私密性，方法是將成千上萬筆交易放在鏈下進行，然後將它們作為單個Rollup交易提交到以太坊上。據報道，ZK Rollup將能夠在ETh2上處理約3,000 TPS，在ETH2上處理20,000 TPS，而費用僅為Layer1成本的1％。相比之下，信用卡通常處理5,000 TPS，儘管據說它們可以處理更高的吞吐量（65,000 TPS）。

優點是，在Layer1和Layer2之間轉移資金沒有延遲，因為合約接受的有效性證明已經驗證了資金。因此，如果使用者決定將其資金從Layer2退出到Layer1，則結算比Optimistic Rollups更快。但是，由於需要生成ZK證明，因此Layer 2到Layer 2的交易大約需要10到30分鐘。另一個缺點是，智慧合約支援仍在開發中，因此ZK Rollup只能實現簡單的交易轉移。目前也無法將EVM封裝在零知識證明中，因此DApps尚不能遷移到ZK Rollup。

ZK Rollup上的專案包括Loopring，ZkSync（Matter Labs），Aztec和Hermez。Loopring透過在鏈下移動資料和計算，同時利用零知識證明來保持信任最小化的屬性，將該技術應用於構建訂單去中心化交易中心。在Loopring 3.0上，執行交易需要花費不到一美分的以太坊gas費。Aztec最近部署了zk.money，這是一個用於ETH以及將來的ERC-20代幣的私有Rollup服務。使用者可以將ETH提交給Aztec rollup合約以遮蔽和傳送私人交易。

退後一步，就像ZK和Optimistic Rollups的相似之處在於資料在鏈上一樣，Plasma和Optimistic Rollups之間也有相似之處，因為它們是基於防欺詐的系統。這裡有四個象限，代表不同型別的系統。有效性驗證系統的第二種型別是Validium。

5. Validium

Validium使用有效性證明（例如ZK Rollup），但資料未儲存在以太坊鏈中。由於每次轉賬都必須經過授權，因此Validium中的資金是安全的。將資料保留在主鏈之外，每個Validium鏈最多可實現20,000 TPS，這可以彼此並行執行。

這樣做的好處是沒有提現延遲，並且不容易遭受基於欺詐的系統所面臨的攻擊。權衡之處是它對智慧合約的支援有限，並且需要強大的計算能力和10到30分鐘的時間來生成ZK證明，這對於低通量應用而言既不節省時間，也不具有成本效益。因此，它可能會在上手的時候遇到雞和蛋的問題。

Starkware和Matter Labs使用了Validium。Deversifi是第一個使用StarkWare批處理技術的平臺，無需支付gas費，沒有回滾危險或交易失敗就可以交易和轉讓代幣。Matter Labs開發了zkPorter。

擴容解決方案：混合方案

儘管上述擴充套件解決方案可謂整潔，但現實是技術可以組合在一起，每種都有各自的權衡。例如，Matic轉向Polygon，啟動了Layer2聚合器。此外，Celer結合了狀態通道和側鏈解決方案。

Layer2擴充套件解決方案的缺點

這些異構擴充套件解決方案的權衡在於，沒有一個單一的全域性狀態支援可組合的智慧合約。當前，大多數使用者都依賴簡單的單一系統Layer1。Layer2擴充套件要求在使用者行為，錢包，預言機和DApps中進行重大更改。建立智慧合約的開發人員可能不想處理Layer2，或跨Layer2狀態，或側鏈中的安全模型，或狀態通道網路中的流動性路由。他們可能也不想使用ZK證明處理如何在鏈下執行計算。

各個Layer2專案之間也缺乏通訊。這意味著跨Layer2的傳輸不是無縫的，或者需要橋接側鏈。應用程式可能還需要考慮外生狀態，這仍然需要進行研究。

這些困難以及來自其他智慧合約平臺的競爭迫使以太坊優先考慮開發Layer2解決方案，尤其是Rollup。ETH2開發人員已改變路線圖以說明Rollup的崛起，以太坊計劃使ETH2分片和Rollup協同工作。

ETH 1.x到ETH 2.0的擴充套件解決方案

ETH2是首次一種大型區塊鏈在全面運作的情況下在新的共識機制下進行重建。這是以太坊最雄心勃勃的全系統升級，例如在嘗試建造新船的同時保持繼續航行。ETH2的一個關鍵方面是以太坊從工作量證明（PoW）到權益證明（PoS）機制的過渡，這有助於更快地處理交易。

* PoW：在這種共識方法中，所有交易都必須由礦工使用蠻力計算對區塊進行雜湊確認。這使網路保持安全，但限制了礦工可以快速傳播區塊的速度。每個新的以太坊區塊必須是按照順序的，不能並行處理。

* PoS：在PoS共識模型中，ETH2使任意數量的驗證器（至少32 ETH）可以執行驗證器，而無需昂貴的挖礦裝置或維護要求。此次升級對礦工的交易費用沒有影響，礦工的交易費用最近已佔礦工總收入的約50％（請參閱礦工收入圖表）。PoS透過使參與者更易於訪問來實現以太坊去中心化。區塊時間將更加可預測，因為與PoW鏈上的情況一樣，該過程沒有相關的波動。儘管由於分片（或拆分割槽塊鏈），終端使用者的費用較低。在撰寫本文時，有360萬個以太坊已存入ETH2，價值70億美元，佔總供應量的3％。

分片（Sharding）

分片只是意味著可以將網路劃分為多個軌道，以並行處理交易。這是水平擴充套件，類似於在多個伺服器之間分佈計算和儲存容量。每個分片都有自己獨立的狀態和交易記錄。專用節點處理某些分片的交易，從而使總體吞吐量更高。

信標鏈將PoS和分片聯絡在一起。它是所有系統級活動的協調者，儲存和管理驗證者的登錄檔，選擇區塊生產者，應用共識規則並儲存分片狀態的資料。信標鏈於2020年12月投入使用，但除存在之外，目前尚無其他活動。這是允許以太坊在不犧牲安全性的前提下進行擴充套件的第一步。

與Plasma不同，分片是主鏈的觸角，並定期從其分片提交交易的狀態根雜湊。應用程式還將直接訪問分片中的資料。與子鏈和側鏈相反，分片可確保整個系統是一個集合體——具有相同的有效性和對資料的訪問。分片也沒有任何存款或資金，因為它是主鏈的一部分。

並非每個人都必須執行每個碎片，這意味著並非每個人都需要執行完整的ETH2節點。這也稱為“輕客戶端”或輕量級節點，它引用受信任的完整節點的區塊鏈副本，但不需要下載整個區塊鏈副本。輕客戶端可以在以太坊分片中扮演重要角色，以使驗證者能夠快速驗證和同步不同的分片。

最初的想法是ETh2只是眾多分片之一。但是，這增加了跨分片交易的複雜性。隨著以太坊的發展繼續對市場條件和新技術做出反應，該技術仍在發展中，並且可能成為遷移至ETH2的核心特徵，也可能不是核心特徵。遷移到ETH2的最後階段旨在解鎖分片中的智慧合約執行功能，估計時間為2023。

以太坊的演變

2020年12月，我們見證了向ETH2邁出的第一步，即啟動了信標鏈。之後是分片，再是抽象執行引擎，最終看到ETh2和ETH2合併。但是，ETH的發展是動態的，鑑於迫切需要解決高gas費用，擴充套件和競爭激烈的問題，因此合併被優先考慮。

合併之前，還要進行兩次其他的技術升級：“柏林”（2021年4月）和“倫敦”（2021年7月）硬分叉。以太坊改進提案（EIP）通常不會引起太多關注，但EIP 1559將與其他EIP一起包含在倫敦硬叉中。

EIP 1559導致礦工和開發者之間的緊張關係加劇。ETH挖礦最近非常賺錢，2021年2月的收入達到創紀錄的13億美元。可以理解的是，礦業反對變更，因為挖礦是企業級的資本密集型業務，因此EIP 1559會對收入產生負面影響。但是，網路將根據使用者的需求而發展，而礦工在該方程式中並不是特別重要。如果礦工威脅使用硬分叉來反對，那麼他們的新分叉將是低價值的，並且不會被使用者採用。對於DeFi，包裹類資產和無法在新網路下複製的NFT尤其如此。

EIP1559透過使費用更可預測，將有助於減輕費用方面的痛苦。根據EIP1559，區塊需要最低價格（“基本費用”），該最低價格將根據需求進行動態設定。儘管使用者可以將最高費用上限為基本費用和小費的兩倍，但這消除了估算使用者今天所承受的交易費用時的總猜測。EIP1559的主要區別在於，使用者的最高費用和最終基本費用之間的差額將被退還。目前，嚴重高估費用的使用者不會獲得退款。根據EIP1559，如果區塊已滿，則收費市場將根據最高小費重新拍賣，而且將不予退還。

這些升級不包括ETh2.x和ETH2合併所需的更新，但開發人員正在考慮加快該時間表。這裡概述了一個快速合併的建議，從PoW遷移到PoS只需幾處更改。但是，以太坊是否應該考慮另一個分叉升級（“上海”升級大約在“倫敦”之後3-6個月）或者著眼於合併，這仍存在爭議。通常，治理過程可能要花費數月甚至數年才能包含在內。EIP 1559本身在2019年4月受到Vitalik Buterin的擁護，但僅在兩年後才實施。

結論

以太坊是正在進行系統級重建的最有價值的網路。可以理解，開發人員正在謹慎地實施更改。在以太坊致力於ETH2的同時，專案同時提供了多種技術，以提供最佳的擴充套件解決方案。各種擴充套件解決方案的交付順序無關緊要。DeFi的繁榮證明，可組合性是成功的關鍵，並享有網路效應。同樣，擴充套件以太坊也不是贏家通吃的比賽。

從Layer1和Layer2改進中獲得的可擴充套件性收益將相互疊加，尤其是如果專案可以為可組合的擴充套件機制共同努力的話。勝利將是向PoS和以太坊的平穩過渡，保持其作為去中心化應用程式事實上的智慧合約平臺的最高地位。

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