迭代与竞争——以太坊的Layer2扩容之路

摘要

“车多路堵，扩容在即”——Layer 2扩容一直是区块链职业清晰的开展趋势之一，跟着以太坊生态活泼和网络拥堵，Layer 2赛道又成为了商场的重视点。本文将体系性地介绍Layer 2扩容机制的原理和开展历程，展望未来的生态演化和投资时机。

Layer 2扩容的实质——把区块链上的部分运算使命放到链下，并将核算成果传回链上，然后完结区块链运算才干的进步。与之相对的Layer 1扩容是在区块链协议上进行改善，然后完结扩容。而Layer 2扩容不改动区块链协议本身，经过链上智能合约与链下交互然后完结扩容。其中心环节在于Layer 1与Layer 2的数据交互，以及如何确保Layer 2上的财物安全。

以太坊“甜蜜的烦恼”——需求迸发带来网络拥堵、费用飙升，Layer2既是技能问题也是平衡多方利益的手段。每逢以太坊生态繁荣，用户的添加带来了更多的买卖请求，杂乱合约和杂乱调用的添加减少了单个区块的实践买卖容量，ETH价格上升添加了买卖的法币计价手续费，拥堵的网络又会进一步抬高Gas价格，这种机制性的循环开展会使得以太坊的项目上呈现泡沫化和头部效应，整体上是下降了以太坊渠道运用的立异才干。以太坊扩容既是人心所向，也是大势所趋，只要缓解了这种机制性拥堵和昂扬手续费，才干完结以太坊生态的良性开展。

纵观Layer 2扩容技能的开展，现在的技能道路首要包含侧链扩容、状况通道扩容、Plasma和Rollup：侧链扩容的中心便是用另一条独立的区块链来承接现在买卖，然后进步核算功率下降手续费。状况通道在2014年左右被提出，它的中心是经过哈希承认并在链下进行一系列买卖，只把买卖成果上链，特别合适处理小额高频付出的手续费过高的痛点。在2017年左右Plasma的扩容道路被提出，为了处理侧链扩容中的侧链安全性对财物的要挟，Plasma的规划准则便是即便在侧链出故障的状况下也能确保用户能榜首时刻提出自己的财物。Rollup的概念则是在2018年被提出，将买卖信息高度紧缩打包上链，即便链下数据彻底不可用，也能提出财物。这些技能道路之间并非爱憎分明，而是一种相互交融的演化开展，展现着区块链生态的自发性生长。

投资主张：咱们以为现在Layer 2扩容处于迸发前夕，最早上线且兼容EVM的通用渠道Layer 2计划将具备很大的先发优势，运用体会将会成为决议性要素。Layer 2扩容将极大程度地下降手续费和进步买卖功率，Defi商场很或许因而迎来洗牌。Layer 2扩容会下降链上操作本钱，推进区块链项目立异，或许在游戏、金融、虚拟国际、元宇宙等范畴完结更深度的区块链立异运用。

危险提示：区块链商业形式落地不及预期；监管方针的不承认性。

一、Layer 2是什么？

区块链扩容是为了进步区块链的买卖处理速度，然后能在相一起刻内处理更多买卖，可类比于车多路堵，需求新建高架、隧道来供给交通功率。Layer 2扩容是链下扩容计划的统称，指的是把区块链上部分的运算进程放到链下，并将核算成果传回区块链，然后完结区块链运算才干的进步。

与之相对的Layer 1扩容便是在区块链协议上进行改善，然后完结扩容。而Layer 2扩容不改动区块链协议本身，经过链上智能合约与链下数据的交互来完结扩容。

以太坊为什么要扩容？

以太坊经过EVM（以太坊虚拟机）完结了图灵完备的核算，开发者经过链上智能合约可以完结杂乱的程序逻辑，咱们可以把以太坊抽象的看成是一台去中心化的核算机。

以太坊经过Gas费机制避免恶意合约（如无限循环）的影响，约束单个区块的容量巨细，而且鼓励参加者进步网络的运用功率。Gas费机制便是对用户在链上的操作进行收费，费用根据规则按操作类型和杂乱度核算。这些费用支交给维护网络并运转合约核算的矿工集体，挖到区块的矿工取得区块内买卖的总Gas费。Gas费由操作类型和杂乱度决议，读写链上信息和调用外部合约会比履行普通代码更贵。微观上看，以太坊原意经过Gas机制动态调整了资源供需，避免恶意占用链上资源的状况。

买卖的Gas价格受以太坊网络水平影响，一般来说矿工会依照Gas价格高低和买卖指令的等候时刻来挑选打包的买卖，优先打包Gas价格高和等候时刻长的买卖指令，用户可根据网络状况决议Gas价格。Gas价格的单位一般为Gwei，1Gwei = 0.000 000 001ETH，单个买卖所要付出的Gas费用＝操作所需的Gas（由规则承认）×其时的Gas价格（由网络状况决议）。

Gas费机制为ETH带来了天然的运用价值，也鼓励着用户和开发者精简自己的操作和智能合约，鼓励矿工带来打包买卖。以太坊的单个区块的容量巨细也是经过Gas费来约束的（比特币是经过区块巨细），单个区块所包含的一切买卖的Gas费不能超过Gas上限，然后约束了单个区块的容量巨细，挖到区块的矿工可对Gas上限进行微调以适应网络状况。

跟着最近半年以太坊生态运用的迸发，以太坊网络买卖量急剧上升，ETH的价格也收益于生态开展而快速上升。各种套利机器人在DeFi运用中敞开了自动套利。套利者的网络速度敏感度要远大于网络费用敏感度，只要套利空间比费用要大，他们就乐意付出超高的Gas费用以换取买卖的快速处理，网络的平均Gas费也水涨船高。普通用户在参加这些运用的时分，则变得缓慢、网络拥堵，昂扬的Gas费加上ETH的高价格，一次普通的Defi合约调用甚至能到达数十上百美元。跟着买卖的费用上涨，以太坊将会面对热度减弱，项目立异减少的局势。

咱们以为现在以太坊网络拥堵和高手续费是以太坊Gas费机制性问题，每逢生态繁荣，用户的上升带来了更多的买卖请求，杂乱合约和杂乱调用的添加减少了单个区块的实践买卖容量，ETH价格上升添加了买卖的法币计价手续费，拥堵的网络又会进一步抬高Gas价格，这种机制性恶化会使得以太坊的项目上呈现泡沫化和头部效应，初期项目和商场宣传不行的项目会由于昂扬的手续费被用户拒之门外，整体上是下降了以太坊渠道运用的立异才干。

上述矛盾关于公链而言是“甜蜜的烦恼”，只要当链上生态开展到必定程度，才会有Gas费的问题，究其背面，是矿工、Token持有人、生态项目方的三方博弈，网络安稳、鼓励有用与运用立异处处需求平衡，处理不妥会对社区造成伤害，特别是ETH已成为区块链“样板工程”之后。同样，这种问题理论上是每一个选用原生代币Gas费机制的区块链网络都无法避免的，以太坊开展最快而最早面对这样的应战。

在现在这种状况下，以太坊扩容既是人心所向，也是大势所趋，只要缓解了这种机制性拥堵和昂扬手续费，才干完结以太坊生态的良性开展。

Layer 2扩容的根本结构

以太坊Layer 2扩容的中心思维在于：在主链的基础上再建立一个二层网络，帮助Layer 1分管网络压力，以到达整体功率的进步。现在以太坊Layer 2扩容技能架构首要有四类：状况通道、侧链、Plasma和Rollup。

Layer 2扩容机制的要害点在于Layer 1的合约规划、Layer 2的协议规划、跨链数据交互的规划特别是财物存入和取出时的流程规划。由此咱们勾勒出了Layer 2扩容机制根本结构，足以描绘现在绝大部分Layer 2扩容项目。

为什么要重视Layer 2扩容？

区块链扩容道路重视如何在确保安全性的条件下完结更高的运算才干，Layer1扩容或许更能从实质上改动网络拥堵，例如ETH2.0选用的分片扩容。但Layer1扩容最大的弊端在于一致本钱高，简略的进步区块容量会导致体系更加中心化，存在硬分叉的危险（如BCH从BTC分叉）。而Layer2扩容是一种更轻型、可以快速完结的扩容方法，它可以承接主链已有的生态运用，而且所需资源本钱比主链扩容要少得多，这也是Layer 2赛道快速开展的原因之一。

纵观Layer 2扩容的开展，侧链扩容和状况通道扩容的思维要比以太坊网络的呈现还要早，早在比特币时期被提出，侧链扩容的中心便是用另一条独立的区块链来承接现在买卖，然后增大核算功率下降手续费。状况通道在2014年左右被提出，它的中心是经过哈希承认并在链下进行一系列买卖，只把买卖成果上链，特别合适处理小额高频付出的手续费过高的痛点。在2017年左右Plasma的扩容道路被提出，为了处理侧链扩容中的侧链安全性对财物的要挟，Plasma的规划准则便是在子链出故障的状况下也能确保用户能提出自己的财物。Rollup的概念则是在2018年被提出，将买卖信息高度紧缩打包上链，即便链下数据彻底不可用，也能提出财物。

Layer 2扩容企图在确保去中心化和安全性的条件下，突破以太坊现有的核算瓶颈。“杀手级”的Layer 2扩容计划将很有或许改动其时的职业竞赛格局，而且或许产生新的运用落地，扩大职业想象空间。因而咱们主张重视Layer 2扩容的开展，本文也梳理了Layer 2不同道路的完结方法。

二、以太坊Layer 2扩容是怎样完结的？技能道路一文总览

侧链扩容道路老练，生态活泼却饱受争议

侧链是与主链兼容的区块链网络，它与主链是相对概念，以太坊侧链扩容技能道路的实质便是打造一个兼容以太坊的区块链网络，并运用跨链机制完结从主链到侧链的财物搬运，并在侧链上部署运用，分管主链网络拥堵。

侧链是一条独立的区块链，拥有自己独立的一致机制，安全性不依托主链，往往会采纳DPOS、POA等更有功率的一致机制。

侧链技能道路的要点在于跨链机制的规划。跨链机制的根本原理便是经过承认主链上的财物，并在侧链发行相关财物，假如想要回到主链，只需求销毁侧链上的财物，并在主链上解锁相关财物。由于区块链本身不能获取其它链上信息，那么谁传递并承认信息然后决议财物的承认与发行就成为了要害问题，为了处理这个问题，可以采纳经过第三方主体会证的公证人人机制，或许经过区块链本身进行验证的中继机制。公证人可以选用单一主体，也可以是是多个主体进行验证并多签承认买卖。

侧链扩容的最大危险在于侧链本身的安全性和跨链进程的安全性：一旦侧链呈现故障，搬运到侧链的财物便极有或许丢掉。公证人和侧链的运转节点一旦作恶，便可以从主链上搬运用户的财物(Plasma和Rollup技能道路都是为了处理这个问题，确保用户免受中心化和体系故障的要挟)。

尽管跨链机制现已日趋老练，侧链扩容变得越来越便利和高效，但这种扩容道路却存在着很大的争议。

2020年年底火热至今的买卖所公链，就可以看作是一种以太坊的侧链扩容，承接了以太坊的生态外溢，取得了引人注目的用户增长速度和链上财物数量。以币安智能链BSC为例，它兼容了以太坊的数据与智能合约，采纳相似的区块链数据结构与协议，并选用了TPS更高的DPos一致机制。以太坊财物和运用可以轻松搬运到BSC上，开发者也有老练开发工具在BSC上进行运用开发。一起买卖所凭仗本身的生态和用户优势，为BSC引流了数量可观的用户。由于与以太坊协议的相似性，很多对标以太坊Defi的BSC项目快速上线，以太坊上的生态运用也有部分向BSC上搬迁。

相较于以太坊，买卖所公链大大下降了合约运转的手续费，对小额财物或许初次触摸区块链运用的用户更为友爱，快速增长的用户和链上买卖也证明了这一点。关于职业而言，买卖所公链的兴起对去中心化生态的利害存在着很大的争议，既下降了用户门槛、带来了生态活泼，也是一种中心化的要挟。侧链扩容还存在另一个争议点，用于扩容的侧链还归于以太坊的生态吗？侧链本身能算是以太坊的Layer 2扩容计划吗？假如买卖所公链算是以太坊Layer 2扩容的一种，从开展现状和用户数量来看，侧链扩容现在确实是Layer 2扩容最老练和活泼的道路。

状况通道专注于小额付出，但运用体会和可用性较差

状况通道是买卖两边在链上承认财物创立付出通道，并在链下进行买卖，当用户从主链取出财物时，只需把链下屡次买卖的成果证明提交至主链智能合约验证即可。

状况通道摊薄了屡次买卖的手续费用，特别合适小额多频的买卖场景。这种技能早在比特币时期就被提出，由于链上买卖的手续费都与买卖金额无关，这导致小额买卖的手续费用占很高。

以状况通道扩容项目雷电网络为例，流程如下：

1. 参加者两边需求将财物承认在智能合约中，这一步确保了参加者可以相互转账和接纳财物，直到参加者封闭了付出通道；

2. 参加者维护者自己的账户余额，两边经过发送签名后的买卖证明进行买卖；

3. 买卖可以不断地进行，直到其中一方决议取出财物并封闭通道，他可以随时向智能合约展现买卖证明来封闭通道，另一方假如与退出方有买卖的话也需求在其时展现买卖证明；

4. 当两边都展现余买卖明后，便可以从智能合约中取回存款。当另一方不能及时展现买卖证明时，体系会断定他没有接纳到任何转账，并依照单独的证明进行分配，这种机制确保了任何人都必定能取回他的资金，即便对方不配合。

咱们可以看出状况通道的优势在于：选用了两边净结算下降了单次买卖费用；两边买卖细节不上链确保了买卖隐私；一起退出机制最大程度的确保了参加方的资金安全。

但在运用体会上有着严重不足：榜首，只能和注册通道或许在付出网络内的用户进行买卖；第二，必须常常性地重视买卖对手方是否挑选封闭通道，然后展现接纳的买卖以确保自己的权益；第三，状况网络扩容机制的拓展性较差，难以完结链下买卖外其他操作。

Plasma确保财物安全，信息不可用成最大阻止

Plasma可以看作是一种确保财物安全的侧链技能，它将链下的状况证明上传主链，即便链下呈现了安全问题，用户也可以证明并提出财物。Plasma技能架构现在首要有两种干流的机制Plasma MVP、PlasmaCash。

Plasma MVP是经过UTXO和Merkle proof来完结用户在不凭借第三方的状况下完结财物退出的。在链下的买卖以UTXO的形式记载在Merkle tree上，并把相应哈希值上传至主网的智能合约，这样用户只需求供给Merkle proof便能证明自己所拥有的UTXO，然后提出资金。

当用户提出财物时需求一段质疑期进行诈骗证明，其他任何人都可以经过举证该用户已被花费的UTXO完结质疑。由于主链经过智能合约虽然可以验证用户供给的依据，却无从得知的用户躲藏的信息（比方有些UTXO现已花费掉了）。

Plasma MVP的“集体离开问题”：当大部分用户都想离开Plasma，则一切的状况证明全部都要被提交到以太坊上，并在应战期内承受“应战”。由于Plasma是不限用户数量的，但以太坊区块的处理才干却很有限，因而假如整个Plasma的有用状况全部都提交给以太坊进行处理，会彻底堵死以太坊，导致买卖的处理时刻被大大拖延甚至遥遥无期。

Plasma Cash的机制与Plasma MVP十分相似，不同之处在于财物在子链上以NFT的形式进行记载，其详细流程如下：

1、 用户在合约中承认财物时，在Plasma上会收到一个代表一切存入财物的NFT；

2、 Plasma Cash选用特定的默克尔树，每个NFT都有指定的位置，当产生转账时，相应位置记载转账信息，并将默克尔树的根哈希上传主链；

3、 在买卖时需求供给该NFT之前的买卖记载；

4、 当用户退出时，需求提交前两次买卖的merkle proof；

5、 当用户取出财物时，存在一个质疑时段，任何人都可以经过买卖记载进行质疑该用户操作。

整体而言，Plasma技能道路的长处在于可以在Layer 2产生故障的状况下确保用户的财物安全，这种运用去中心化密码学的确保机制使得Plasma道路一度被社区热捧。

但Plasma技能道路存在的问题在于以下几点：榜首，在这种技能结构下限制了子链的数据结构，使得通用性拓展变得十分困难；第二，Plasma机制存在数据不可用问题，即主链没办法获取一切链下数据，只能经过根哈希进行简略验证，这也导致了退出机制比较杂乱，往往需求很长的周期（数日）进行诈骗证明，一起用户需求保存自己的数据，时刻留意子链变化，十分影响运用体会。

买卖数据紧缩上链，通用化渠道即将落地，Rollup技能道路远景可观

Rollup机制指的是高度紧缩买卖并打包上传主链，并经过零常识证明或诈骗证明验证买卖包的真实性，处理了Plasma的数据不可用问题。Rollup机制完结了数据在链上，运算在链下的分层形式，然后最大程度地确保了财物的安全性。

为了完结买卖的高度紧缩，Rollup子链上维护着账户财物数据，每个账户都有自己相应编号。因而只需4个字节就能完结223个账户的索引，足以应对绝大多数状况。与此相似，Rollup在一切可以紧缩、又不影响可读性的地方都进行了紧缩（如图12），紧缩后的买卖只要不到本来的十分之一。经过对买卖的紧缩，Rollup机制可以更有功率地利用现有的Layer 1网络容量，然后完结扩容，而且在扩容的一起确保了数据的链上可用性。

Rollup机制的中心问题便是验证紧缩买卖包中买卖的真实性。关于这个问题，处理计划首要分为两种类型：根据零常识证明的ZK Rollup；根据诈骗证明的Optimistic Rollup。现在两种计划都在快速开展，不同的团队挑选了不同的技能机制，以太坊主链上的项目们也做出了自己Layer 2搬迁的挑选。

选用零常识证明的ZK Rollup是经过在发送买卖包时，一起发送买卖对应的零常识证明，智能合约经过零常识证明验证买卖包的真实性。整体流程如下：

1、用户转入并承认财物，Layer 2状况树添加账户信息并生成对应财物；

2、在Rollup网络中，用户签名并发送买卖；

3、排序者收集买卖，紧缩打包成买卖包，并生成零常识证明，并依照买卖包更新状况树；

4、排序者将买卖包和零常识证明播送至主链；

5、智能合约经过零常识证明验证买卖包的真实性，而且更新数值，履行相应的转账操作。

ZK Rollup的最大优势便是高度去中心化和验证功率高。在侧链更新状况的一起生成零常识证明，矿工运转的智能合约可以经过零常识证明验证买卖包中的新状况是否源于旧状况叠加买卖产生，然后完结了Layer 2数据到Layer 1去中心化的数据验证，一起由于Layer 1能快速识别来自Rollup的数据真实性，能快速完结财物的取出。

ZK Rollup的下风在生成零常识证明的进程杂乱且困难，不只需求很多运算，而且运用的定制化开发难度大，难以完结兼容现有运用的通用渠道。

Optimistic Rollup（OP Rollup）技能道路挑选相信操作者提交的买卖包真实性，并对诈骗的行为做出处罚。操作者需求质押了必定数量的财物，只要满足财物质押的条件智能合约才会接纳其发送的买卖包，任何人都可以针对买卖包的真实性发布诈骗性证明，一旦诈骗行为被断定便会失掉一切的质押财物。经过对排序者和质疑者的经济学鼓励，使体系到达安全性的平衡。

当质疑者经过重新核算状况值，发现买卖包的错误时，他可以向智能合约发送一个诈骗性证明。诈骗性证明包含一切必要的信息，包含买卖前的账户状况、买卖对应的Merkleproof等。智能合约可以运用诈骗性证明，经过重放买卖的方法查验买卖包的真实性，完结诈骗买卖的查验。

这种形式下的验证功率被下降了，但它的优点在于可以更简单完结通用渠道，然后兼容EVM智能合约，使得开发者工作量大大减少，这使得项目搬迁的难度大大下降，为OP Rollup项目占据Layer 2蓝海供给了先天优势，也能最快速度地处理以太坊网络的当务之急。

OP Rollup机制的缺陷在于诈骗证明机制使得财物的存入和转出都需求等候较长的质疑期，由于一旦合约中储存的财物离开Rollup合约后，就不太或许进行买卖的回滚和财物的追回了。相较于ZK Rollup，Optimistic Rollup的验证功率低，买卖紧缩率也更低，因而扩容才干也更差。

以太坊Layer 2扩容道路脉络梳理，机制传承而非一蹴而就

从侧链扩容到Rollup机制，不难发现这些技能道路之间并不是爱憎分明，而是一种相互交融的演化开展。最新的Optimistic Rollup机制中的诈骗性证明，早在状况通道扩容中就有相似的机制。而经过锚定主链来维护侧链的财物安全性，也从最开端的Plasma计划传递到了Rollup技能道路。而跨链机制更是在大部分技能道路中都有运用。

三、以太坊Layer 2扩容的未来展望

现在以太坊网络Layer 2扩容技能处于快速开展期，处理计划百花齐放，每种计划都有自己的优势所在，也取得了与本身特性匹配的相关项目和社区的支持。

短期而言，咱们以为会看到一个高度竞赛且割裂的Layer 2网络群，以太坊主网或将成为大宗买卖、套利买卖的通道，而各种Layer 2网络将为用户带来低价且高效的买卖履行。短期内不同的Layer 2协议由于机制和技能问题或许暂时无法打通，将会构成较为独立小型生态，相互间的交互本钱较高（屡次与主网买卖）。这个阶段，最早上线的兼容EVM的通用渠道Layer 2计划将具备很大的先发优势，运用体会将会成为决议性要素。Layer 2扩容将极大程度地下降手续费和进步买卖功率，Defi商场或许因而迎来洗牌。

中期来看，Layer 2协议之间将尝试完结数据打通，不同的计划会自发构成不同的Layer 2联盟。咱们以为ZK Rollup比照OP Rollup有着更好的安全性和运用体会，将凭仗协议的优越性占据大部分Layer 2商场份额。长期来看，咱们以为终究以太坊社区会角逐出Layer 2的终究赢家，占据大部分商场，在确保去中心化和信息安全的前提下完结扩容。一致的Layer 2协议也会下降网络的运用本钱，有利于生态的开展。Layer 2扩容并不是中间态的退让而是长期计划，在以太坊2.0成功上线后，Layer 2的扩容机制也仍然可以与分片扩容共存，进步网络吞吐量。

Layer 2扩容离不开加密钱银钱包、区块链浏览器、行情网站对相应项目进行支持跟进，供给更好的运用体会。Layer 2扩容会下降链上操作本钱，推进区块链项目立异，然后催生在游戏、DeFi、虚拟国际等范畴完结更深度的区块链运用。

视野开拓

基辛格那句名言，很多人耳熟能详——“谁控制了石油，就控制了所有国家；谁控制了粮食，就控制了人类；谁控制了货币，就控制了全球经济”。石油、粮食和美元被许多人视为美国统御全球的三大武器。-《时寒冰说》