详解Layer 1、侧链及Layer 2 扩展方案的发展与挑战

截至2021 年底，以太坊（Ethereum）已经发展到支持成千上万个应用，包括去中心化金融（DeFi）、NFT、游戏……等，整个网络每年结算数兆美元的交易，平台上锁定的资金超过1700 亿美元。

但俗话说，钱越多，问题越多，以太坊的去中心化设计最终限制了它能处理的交易量，每秒大约只能处理15 笔交易，由于以太坊的受欢迎程度远远超过了每秒15 笔交易的负荷量，产生漫长的等待时间和每笔高达200 美元交易费用，最终，该价格让许多用户放弃使用以太坊，并限制了该网络目前可以处理的应用类型。

如果基于智能合约的区块链要发展到支持数十亿用户的金融和Web 3 应用，就需要有扩展的解决方案，值得庆幸的是，最近有许多提议的解决方案正陆续上线当中。

竞争还是互补？

这些解决方案的目标是帮助开放的智能合约平台增加可处理的交易数量，同时保留充分的去中心化。记住，通过一个由单一实体管理的中心化解决方案来扩大智能合约平台的规模是容易达成的（Visa 可以每秒处理45,000 笔交易），但那样就会让我们回到一开始的部分：一个由少数强大的中心化参与者拥有的世界。

为解决这个问题而采取的方法有两个部分：建立能处理更多活动的全新网络与以太坊竞争，或建立可以处理以太坊过量产能的补充网络，大致上它们分为几类：

第1 层区块链（Layer 1 blockchains）：与以太坊竞争
侧链（Sidechains）：对以太坊有一定的互补性
第二层网络（Layer 2 networks）：对以太坊的补足

虽然每一种在架构和方法上有所不同，但目标都是让用户实际使用网络的时候，例如：与DeFi、NFT 互动，无需支付高昂的费用或经历漫长的等待时间。

第一层区块链（Layer 1）

以太坊被认为是第一层区块链，一个独立的网络，确保用户资金安全，并在一个地方执行交易，想要使用Uniswap（UNI）这样的DeFi 应用程序将1000 颗USDC 换成另一种稳定币DAI 吗？以太坊是可以达到这一切的地方。

其他竞争的第一层区块链以一个全新的网络做到了以太坊可达成的一切，与以太坊区别在于新的系统设计，能够实现更高的吞吐量，从而降低交易费用，但通常代价会是中心化程度的提高。

在过去的10 个月里，新的Layer 1 纷纷上线，这些网络的总价值在同一时期内从0 美元飙升至约750 亿美元，这个领域目前由Solana（SOL）、Avalanche（AVAX）、Terra（LUNA）和Binance Smart Chain（币安智能链）领先，每个生态系统都在不断增长，其价值已经达到100 亿美元以上。

领先的非以太坊Layer 1 项目之总锁仓价值（TVL）

所有的Layer 1 都在竞争，如果没有任何以太坊的工具和基础架构让开发者和用户轻松地建立和使用应用程序，发展上是很困难的，为了弥补这个差距，许多第一层区块链采用了一种称为「EVM 兼容」的策略。

EVM 是以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine）的缩写，它基本上是一种执行计算以达成交易的大脑，透过使他们的网络与EVM 兼容，以太坊开发者基本上可以透过复制并贴上他们代码的方式，轻松地将他们现有的以太坊应用程序部署到新的第一层网络，用户也可以用他们现有的钱包轻松访问EVM 兼容的第一层网络，使他们的迁移变得简单。

以币安智能链（BSC）为例，透过推出EVM 兼容网络和调整共识设计，以实现更高的吞吐量和更便宜的交易，去年夏天，BSC 因为几十个DeFi 应用下使用量产生了爆炸性成长，这些应用都类似于Uniswap 和Curve（CRV）等流行的以太坊应用，Avalanche、Fantom（FTM）、Tron（TRX）和Celo（CELO）也采取了同样的方法，相反的，Terra 和Solana 目前不支持EVM 兼容性。

EVM 兼容Layer1 区块链与非EVM 兼容Layer1 区块链之TVL 比较

互操作性的区块链

在稍微不同的Layer 1 当中，有像Cosmos（ATOM）和Polkadot（DOT）这样的区块链生态系统，这些项目没有建立新的独立区块链，而是建立了标准，让开发者能创建互相通讯的特定应用区块链，例如：允许一个游戏区块链的代币在另一个独立的社交网络区块链上的应用中使用。

目前，使用Cosmos 标准构建的区块链已有超过1000 亿美元的资金，这些资金最终可以交互操作，同时，Polkadot 最近达到了一个里程碑，将类似地集结其区块链的生态系统。

简而言之，现在有各式各样的以太坊直接竞争者，未来会有更多。

侧链

侧链和新的Layer 1 之间的区别被公认是模糊的，侧链与EVM 兼容的Layer 1 非常相似，只是侧链是为了处理以太坊的过量产能而建立的，而不是与整个以太坊竞争，这些生态系统与以太坊社群紧密结合，以互补的方式承载以太坊应用程序。

Axie Infinity（AXS）的Ronin 侧链就是一个典型的例子，Axie Infinity 是一个最初建立在以太坊上的NFT 游戏，由于以太坊的费用让玩家望而却步，Ronin 侧链的建立是为了让用户将他们的NFT 和代币从以太坊转移到一个低费用的环境，让更多的用户能够负担得起这个游戏，并让该游戏大受欢迎。

在截稿前，用户已经从以太坊转移了超过75 亿美元到Ronin 侧链游玩Axie Infinity。

Polygon POS 侧链

像Ronin 这样的侧链是特定的应用，而其他侧链则适用于更多的通用应用。目前，Polygon（MATIC）的权益证明（POS）侧链是行业的领导者，在100 多个DeFi 和游戏应用中部署了近50 亿美元的价值，包括Aave（AAVE）和Sushiswap（SUSHI）等熟悉的名字，以及一个与Uniswap 类似的Quickswap（QUICK）。

同样地，Polygon POS 看起来与EVM 兼容的Layer 1 没有什么不同，然而，它是作为以太坊扩展框架的一部分，而不是与以太坊竞争。Polygon 团队认为，以太坊在未来仍会是高价值交易和价值存储的主导区块链，而日常交易则转移到Polygon 的低成本区块链上。（Polygon POS 还透过一个被称为「检查点（Checkpointing）」的过程与以太坊维持特别的关联）。

由于交易费用低于1 分钱，Polygon 对未来的愿景看起来是可行的，在激励计划的帮助下，用户已经涌向Polygon POS，每日交易量超过了以太坊（尽管一些无意义的交易膨胀了这个数字）。

第二层网络（Layer 2）

Layer 1 和侧链都有一个明显的挑战：确保其区块链的安全。为了做到这一点，他们必须支付新一批矿工或权益证明验证人，以验证和保护交易，通常是以基础代币（如Polygon 的MATIC 和Avalanche 的AVAX）通货膨胀的形式。

然而，这带来了明显的缺点：

拥有一个基础代币自然会使你的生态系统更具竞争力，而不是仅作为对以太坊的补充。
验证和保障交易是一项复杂而具有挑战性的任务，你的网络要无限期地负责这项任务。

如果我们可以借助以太坊的安全性创建可扩展的生态系统，那不是很好吗？加入第二层网络，特别是「Rollup」。简而言之，Layer 2 是一种在以太坊上构建的独立生态系统，依靠以太坊网络确保安全性。

而关键点在于，这意味着Layer 2 扩展方案不需要有原生代币，所以它们不仅是对以太坊的补充，本质上是以太坊的一部分，以太坊路线图甚至表示以太坊2.0 将会「以Rollup 为中心」，表达对这个方案的致敬。

Rollup 如何运作

Layer 2 通常被称为Rollup，因为它们将交易「滚动」或捆绑在一起，并在新的环境中执行，然后将最新的交易数据发回以太坊，与其让以太坊网络单独处理1,000 笔Uniswap 交易（昂贵！），不如在提交结果回以太坊之前先在第2 层Rollup 上卸载计算（便宜！）。

然而，当结果被发布回以太坊时，以太坊如何知道数据是正确和有效的？以及以太坊如何防止任何人发布不正确的讯息？这些都是区分两种Rollup 的关键问题：Optimistic rollups 和Zero Knowledge rollups（ZK rollups）。

Optimistic rollups

当提交结果回以太坊时，Optimistic rollups「乐观地（optimistically）」假设结果是有效的，换句话说，他们让Rollup 的操作者发布他们想要的任何数据（包括潜在的不正确/ 诈欺性数据），并假设它是正确的— 毫无疑问，这是一个Optimistic 的前景！但是，有一些方法可以打击诈欺，作为一种检查和制衡，在任何提款后都有一个时间窗口，任何观察者都可以在此查看诈欺行为（记住，区块链是透明的，任何人都可以观察正在发生的事情）。如果其中一位观察者能够以数学方法证明发生了诈欺行为（透过提交诈欺证明），那么Rollup 就会恢复任何诈欺性交易，惩罚不良行为者并奖励观察者（一个聪明的激励系统！）。

缺点是当你在Rollup 和以太坊之间移动资金时，会有一个短暂的延迟，等待查看是否有观察者发现任何诈欺行为。在某些情况下，这可能长达一个星期，但我们预期这些延迟会随着时间的推移而减少。

关键的一点是，Optimistic rollups 与以太坊有内在的联系，现今已准备帮助以太坊进行扩展，因此，我们已经看到了强劲的新生增长，许多领先的DeFi 项目都已转移到了领先的Optimistic rollups 项目— Arbitrum和Optimistic Ethereum。

Arbitrum 和Optimistic Ethereum

由Off-chain Labs 负责的Arbitrum 和由Optimism 负责的Optimistic Ethereum 是目前实施Optimistic rollups 的两个主要项目，值得注意的是，这两个项目仍处于早期阶段，两家公司都保持着中心化控制的水平，但都计划随着时间的推移进行去中心化。

根据估计，一旦项目成熟，Optimistic rollups 可以提供10 到100 倍的可扩展性改进，即使在早期，Arbitrum 和Optimism 上的DeFi 应用就已经积累了数十亿的网络价值。

Optimism 的采用曲线较早，在7 个DeFi 应用中部署了超过3 亿美元的TVL（总锁仓价值），其中最引人注目的是Uniswap、Synthetix（SNX）和1inch（1INCH）。

Arbitrum 则更进一步，在60 多个应用中拥有大约25 亿美元的TVL，包括熟悉的DeFi 协议，如Curve、Sushiswap 和Balancer（BAL）。

Arbitrum 也被选为社交媒体平台Reddit 的扩展解决方案，用于他们期待已久的代币化社区积分的行动，该平台的月活跃用户有5 亿个。

ZK Rollups

Optimistic rollups 假设交易是有效的，并为其他人留下诈欺证明的空间，而ZK Rollups 则实际向以太坊网络证明交易是有效的。

随着捆绑交易的结果，他们向以太坊智能合约提交所谓的有效性证明（validity proof），顾名思义，有效性证明让以太坊网络验证交易是有效的，使中继者无法欺骗系统，这消除了对诈欺证明窗口的需求，因此在以太坊和ZK-rollups 之间移动资金是有效的即时操作。

虽然即时结算和没有提款时间听起来很好，但ZK Rollups 也不是没有代价的。首先，生成有效性证明需要密集的计算，所以你需要高效能的机制来使其运行，其次，围绕有效性证明的复杂性使得支持EVM 兼容性更加困难，限制了可以部署到ZK-rollups 的智能合约类型。因此，Optimistic rollups 已经率先进入市场，并且更有能力解决以太坊今天的扩展问题，但从长远来看，ZK Rollups 可能成为一个更好的技术解决方案。

ZK Rollup 的采用

ZK rollup 的应用范围很广，有多个团队和实施方案正在进行和开发当中，一些著名的参与者包括Starkware、Matter Labs、Hermez和Aztec。今天，ZK-rollup 主要支持相对简单的应用，如支付或交易（由于ZK-rollup 现今能支持的应用类型限制），例如：衍生品交易所dYdX采用了Starkware（StarkEx）的ZK Rollup 解决方案，支持每周近500 万笔交易和10 多亿美元的TVL。

然而，真正值得争取的是与EVM 完全兼容的ZK Rollup 解决方案，这种方案能够支持热门的通用应用程序（如DeFi 的全套应用），而没有Optimistic rollups 的提款延迟，这一领域的主要参与者是MatterLab 的zkSync 2.0、Starkware 的Starknet、Polygon Hermez 的zkEVM 和Polygon Miden，它们目前都在努力实现主网的启动。（同时，Aztec 专注于将零知识证明应用于隐私）。

业内许多人都把ZK rollups 与Ethereum 2.0 结合起来作为扩展以太坊的长期解决方案，包括Vitalik，主要是由于它们能够在不影响安全或去中心化的情况下从根本上处理每秒数十万笔的交易。随着寻求以太坊扩展方案的进展，即将推出完全兼容EVM 的ZK Rollup 项目将是值得关注的关键事项之一。

一个分裂的世界

从长远来看，如果智能合约平台要扩展到数十亿用户，这些扩展解决方案是必要的。然而，从近期来看，这些解决方案可能会给用户和加密货币运营商带来重大挑战，从以太坊航向这些网络需要使用跨链桥，这对用户来说很复杂，而且有潜在的风险。例如：几个跨链桥已经成为价值1 亿多美元漏洞的目标。

更重要的是，多链的世界分割了可组合性和流动性，考量Sushiswap 目前在以太坊、币安智能链、Avalanche、Polygon 和Arbitrum 上实施，Sushiswap 的流动性曾经集中在一个网络上（以太坊），现在却分散在五个不同的网络上。

以太坊应用长期以来一直受益于可组合性，即以太坊上的Sushiswap 与其他以太坊应用随插即用，像是Aave 或Compound（COMP）。随着应用程序扩展到新的网络，在Layer 1、侧链和Layer 2 上实现的应用程序不再与另一层网络上实现的应用程序兼容，限制了可用性并为用户和开发人员带来挑战。