摘 要

• Ethereum的可扩展性有限，交易费用正在不断上涨。用户经常要为与许多常用的智能合约支付约50美元。

• 增加区块链的交易吞吐量是一件具有挑战性的任务，因为交易必须由参与共识的每个节点处理。

• 最有希望的Layer 2扩展解决方案是ZK Rollup和Optimistic Rollup，它们是为了解决之前Plasma实现的弱点而开发的

用Layer 2技术扩展区块链

区块链牺牲了计算和存储的效率以获得更好的信任。用户可以相信他们所做的交易在未来是有效的，而开发者可以相信他们的代码总是可以供用户使用的。

这是因为区块链上的数据具有极高的冗余度。交易必须由每一个参与维护区块链的节点来处理，而且不断扩大的交易数据集必须永远存储。在这个过程中保持较低的进入门槛，可以使区块链保持去中心化。

如今，最常用的区块链是比特币和以太坊。每一个区块每秒大概可以分别处理5笔和15笔交易。在以太坊中，交易不仅仅是点对点的支付，还有更复杂的智能合约交互，需要比普通交易更多的处理能力。

根据节点实现的不同，以太坊区块链规模为160GB，近期去中心化金融产品的需求加速了增长。昨天，用户支付了370万美元的交易费用和450万美元的通胀补贴来处理和存储他们的交易。Gas Price上涨导致许多最常用的智能合约交互费用在5-50美元之间，用户需要支付基本的交互费用。对于比特币来说，每笔交易的平均费用接近5美元。

如何扩展区块链

有效的区块链扩展解决方案可以增加数据存储或计算（交易处理）能力，而不会给维护区块链的节点增加大量成本。

请注意，要想在扩展方面取得进展，需要能够实现指数级改进的解决方案。以最大的容量运行时，以太坊处理的交易数量微乎其微，相比之下，它上面的活动才能被称为真正的、可观的经济活动。

2015年关于改变比特币区块大小的备受瞩目的辩论是一个很好的例子，它说明了在宏伟的计划中，精力被浪费在一个相对微不足道的改进上。2-8倍的改进可能对缓解短期压力很有用，但它也给所有节点带来了未来更高的交易处理成本。这就限制了可以参与共识的人群，从而降低了去中心化程度。

在底层扩展区块链的主要解决方案不应该是（大幅）增加所有节点的成本，而是将交易验证工作分割成更小的碎片（"shards"）。分片是许多顶级区块链项目扩展的方式--包括NEAR、Ethereum 2.0和Polkadot。通过从区块链的全局验证器池中随机抽样和轮换每个碎片的验证器，可以证明由此产生的安全性与使用整个验证器池（当前的方法）接近。

"Layer 2 "扩展解决方案的常见定义一般是指任何连接到以太坊的系统，它通过将交易（通过一种或另一种方法）批量化到主区块链，帮助提高交易处理能力。

然而，随着互操作性解决方案变得越来越普遍，什么是侧链（或完全是另一个区块链）和Layer 2技术，更好的分类取决于底层安全模型。侧链可以是特定于应用的（如去中心化的交换链），也可以是通用的，并对自己的安全性负责。Layer 2的安全性来自于底层区块链（如Ethereum）。

Layer 1区块链如NEAR和Solana有自己的验证人，负责区块生产，但已经建立了与以太坊的桥梁，将允许在链之间进行代币转移。tBTC有效地使比特币成为以太坊的侧链（或以太坊成为比特币的侧链，取决于你的角度）。

从比特币的角度来看，以太坊的验证人可以窃取用户的资金。这意味着如果以太坊是比特币的侧链，那么两者没有共享的安全性，因为比特币无法对以太坊执行其规则。这就是为什么Liquid不能被认为是比特币的完全安全的侧链--它有自己的验证人，可以窃取用户的资金。

这些模式一般有两种不同的类型：状态通道和非托管侧链（Plasma和Rollup）。对于这些方法，一般模式大约是：

1. 资产可以从链上移动到链下环境（如ETH到Plasma链）。

3. 交易在链外环境中进行。

5. 链外发生的快照会提交给底层区块链（如以太坊）。

7. 通过在经济上激励参与者（节点和用户）提交正确的数据--或者通过向底层区块链提供完整（零知识）证明--来保证安全性。

状态通道

状态通道是支付通道的一般形式，这也是比特币的闪电网络所建立的技术。

彼此之间要开通一个状态通道，用户将区块链的部分状态（比如他们的ETH）锁定在一个智能合约中。在通道中，用户可以通过签署按顺序排列的交易来更新彼此的状态（如交易）。如果发生纠纷或要退出通道，用户将最新更新的状态（如账户余额）发送给底层区块链，最新更新的状态就是真相。状态通道可以很好地保护隐私，因为交易对底层区块链是隐藏的，只登记用户的进入和退出。

从概念上看，状态通道很简单，但其设计有一些固有的局限性。

状态通道需要用户（或一些值得信赖的第三方）保持在线监控通道，以防其他用户试图用旧信息退出。它们也不太容易通用于轻松构建智能合约，因为对于开发者来说，与这些渠道进行交互比仅仅部署现有的智能合约代码更加复杂。

此外，状态通道的资本使用效率低下，因为它们需要高额的抵押品。

从Plasma到Rollup

长期来看，可能更重要的一类Layer 2扩展解决方案是非托管侧链。这是因为它们有可能在上面运行去中心化的金融和其他Web3应用。

非托管侧链的关键在于，用户可以上链和下链，其性能容量比L1区块链高得多，而不必信任侧链的操作者，即拥有与在以太坊主链上交易时相同的安全保障。

最初有希望的非托管侧链设计是Plasma，几年前它被炒作成扩展区块链的银弹。以安全和用户友好的方式实现Plasma的复杂性导致这种模式失宠。

Plasma建立在一个简单的前提下。如果Plasma链上的验证者试图向底层区块链提供关于状态转换的错误信息，即通过提供不正确的余额带着用户资金退出链，用户可以挑战这些信息，并构建自己的证明，证明Plasma链上发生了什么交易。

在实践中，Plasma遇到了一系列需要解决的并发症。比如：

• 数据不可用 一种攻击，Plasma链的验证者可以向底层链发布数据，但将交易数据留给自己。这样一来，用户就没有必要的数据来挑战验证者提供的信息。

• 在线要求。要求每个用户必须保持在线，并在恶意Plasma链验证者退出的情况下监控所有交易。

• 大规模退出问题。如果所有用户都需要退出Plasma链，那么整个Plasma链的状态就必须发布到底层区块链上，对于以太坊来说，这样的证明规模实际上是不可能处理的。

虽然Plasma现金等新的迭代为现有问题提供了解决方案，但确保用户资金安全退出的新问题不断出现。2018年12月，化名BarryWhiteHat以零知识证明的形式提供了这个问题的解决方案。

在ZK Rollups中，侧链的验证者（"中继者"）收集--或卷展--许多交易，以生成一个简洁的zk证明，证明所有进行的交易都是有效的。然后将证明发布在Ethereum链上。

这种方法完全避免了用户能够安全退出Plasma链的复杂性。但是，这种方法也有两个普遍的缺点：

• 在Ethereum链上发布的zk-proof的规模很大--这意味着与Plasma相比，zk-Rollups牺牲了最大的交易吞吐量。

• 以一般的方式构建简洁的zk-proof来执行智能合约是很困难的。目前，ZK Rollups更多的局限于代币转让等特定操作--虽然，去中心化交易所Loopring已经在主网上线，并建立在ZK-Rollups上。

Optimistic Rollups类似于Plasma，但区别在于所有的交易数据必须在链上提供--向底层区块链提供比Plasma更多的交易数据，并允许任何人构建交易有效性证明。具体来说，必须将足够多的数据发布到以太坊链上，以重建整个Optimistic Rollups侧链的状态。

虽然这种方法牺牲了交易处理的另一个指数（对于智能合约），因为必须在链上发布更多的数据，但与ZK Rollups相比，Optimism的方法允许实现智能合约的灵活性和与Ethereum虚拟机的兼容性。

作为一个缺点，Optimistic Rollups需要1-2周（取决于实施情况）的争议期，以确保用户有足够的时间来争议无效的状态转换。加快退出过程的解决方案是建立一个退出市场，用户可以卸载所持侧链的风险。

虽然从底层区块链中获取安全性听起来是最安全的选择，但有一种观点认为，应用程序负责自己的安全，只使用 "Layer 1"区块链作为在特定应用程序链之间传输消息的方式，是一种模式。

这就是Cosmos设计背后的理念。这个理念是，应用与基础层相比，可能会因为太有价值而成为基础层安全的寄生虫。应用程序（稳定币、预测市场等）支付的费用不一定会随着它们所促进的价值转移而扩展，这些应用程序可能会变得比底层区块链更有价值，导致例如以太坊成为应用程序的安全弱点。

这确实在用户体验方面带来了额外的障碍。在一个侧链的生态系统中，用户必须独立地信任他们与之交互的每个侧链（及其运营商）的安全性。

在实践中会起作用（以及效果如何？）

状态通道最有可能在处理某些应用的交易中发挥作用。例如，Graph Protocol正计划为数据库索引服务实现状态通道支付--而且状态通道足够灵活，也可以为条件支付编码简单的规则。

在特定应用链中，SKALE计划在年底前推出，并将带来与Ethereum互通的特定应用链。此外，通往NEAR协议和Solana的桥梁有望为整个生态系统带来更多的可扩展性--尽管两者都可以被视为以太坊的竞争对手。

在这些情况下，应用程序可以将其功能扩展到以太坊之外，可能会减少生态系统对单一链的依赖。例如，Flux Market--NEAR上的预测市场协议，将在MakerDAO的去中心化稳定币DAI中提供投注市场。

ZK Rollups和Optimistic Rollups都是将应用拴在以太坊生态系统上的解决方案，因为它们建立在上面并依靠以太坊提供安全保障。例如，去中心化交易所Loopring建立在ZK Rollups上，7月份处理了1760万美元的交易量（0.4%的市场份额）。

开发Optimistic Rollups最知名的团队是Optimism之前是Plasma Group，顾名思义，它在之前从事Plasma的实现工作。2020年1月，该团队从Paradigm和IDEO筹集了350万美元的风险资金。Optimistic Rollups已经在Ethereum testnet上用Unipig进行了演示，Unipig是Uniswap的一个版本，用于相互交易 "UNI''和 "PIG "代币。

对于这些解决方案中的每一个，仍然存在的大问题集中在可组合性上。在Ethereum上，智能合约能够相互同步调用。这种可组合性的缺乏改变了终端用户的体验，因为从Rollup链上跳上跳下会引入存款与提款的摩擦。

这与当今Web3用户体验最好的部分之一形成鲜明对比，用户可以通过单一的Metamask点击与所有应用进行交互。

如果应用程序将自己部署到自己的侧链中，即使是在较差的可扩展性方面，Optimistic Rollups仍然提供了10-30倍的交易处理能力，这应该给以太坊足够的空间。Ethereum 2.0有助于这些可扩展性解决方案，因为它为数据的发布提供了更多的空间。

Ethereum 2.0将分三个阶段推出，其中最后一个阶段将启用智能合约。然而，已经在第二阶段之后，使用以太坊作为数据层，可以将交易处理能力提高到每秒5万笔交易。

目前需求大于供给，什么样的方案才能满足最直接的交易处理需求值得期待。在某种程度上，上述所有技术（包括理论上限最高的Plasma）都有可能在未来某个环节发挥作用，并且在不断改进。Connext最近推出了Spacefold，它将实现跨不同L2的状态通道延伸和桥接。

目前，其它区块链有机会吸引以太坊上的服务进入更可扩展的环境。然而，几乎所有的Layer 2开发都发生在以太坊上，如果这些解决方案找到了产品与市场的契合点，那么其它竞争者能够提供的功能就会变得很单薄。

作者：Mika Honkasal

翻译：lily