ROL: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_以太坊

如今以太坊的問題在于，用戶越多，以太坊的速度就越低，使用成本越高。不斷惡化的用戶體驗吸引了來自諸如幣安智能鏈BSC，Solana和Polkadot等重要競爭者爭奪智能合約平臺寶座。以太坊的持續統治地位取決于其提高吞吐量和降低費用的能力。

即使以太坊的高級用戶對ZK-Rollups，分片（Sharding）或Plasma等詞匯不感興趣，但這個世界上最活躍的區塊鏈的未來卻取決于這些。在本報告中，我們將解決以太坊當前的擴展問題以及以太坊的潛在解決方案。

以太坊每天支持大量的經濟活動。它每天結算數十億美元的交易，并且在蓬勃發展的去中心化金融（DeFi）和非同質化代幣（NFT）領域中運行成千上萬的去中心化應用程序（Dapp）。但是，以太坊的區塊空間有限，所有這些應用程序都在爭奪相同的資源，這意味著當網絡擁塞時，交易變得更加昂貴且延遲更多。實際上，對于用戶而言，以太坊上的單筆智能合約交易（例如Uniswap交易）費用可能會超過數百美元，具體取決于網絡的擁塞程度，從而導致交互交易成本過高。但是，這對于受益于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展解決方案，每種解決方案都有自己獨特的優化和取舍。嚴格來說，“可擴展性”是單個節點處理的交易量，“吞吐量”是網絡可以處理的總交易量量。為了便于討論，我們談論的可擴展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，有時會鏈接在一起，通向相同的目的地。每個擴展解決方案看起來都類似于樹或中心輻射模型，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：

Layer 2——鏈下擴展（以太坊基礎鏈之外的交易和計算）。各種項目實施解決方案的方法主要有四種。實際上，每個項目使用結合了不同類型技術的混合方法。

Paxos銷毀1.199億枚BUSD:3月27日消息，據 Whale Alert 監測顯示，Paxos Treasury 于 21:41:23 在以太坊網絡銷毀 119,900,000 枚 BUSD。[2023/3/27 13:29:27]

Layer 1——鏈上擴展，或將所有交易保留在以太坊上的擴展解決方案

1.狀態通道

狀態通道允許用戶進行多次脫鏈交易，而僅向以太坊網絡提交兩次交易-一次在打開時提交，一次在關閉通道時提交。

這使主網絡擺脫了驗證許多事務的負擔，但提供了相同級別的安全性。網絡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個中的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，然后在鏈上提交最終交易并解鎖其資金。

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，并且大大減少了在以太坊區塊鏈上處理交易所需的費用。

缺點是建立通道并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，并且尚不支持智能合約。

與此相關的項目包括Raiden Network，Celer，Connext，Statechannels和Perun。例如，Raiden已經在以太坊上實現了類似于比特幣的閃電網絡的系統，其中包括對ERC20代幣的支持。Celer專注于狀態通道技術，但也提供了幾種與以太坊，Polkadot和NEO兼容的互補側鏈。

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，并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。子鏈是無信任和非托管的鏈，用戶可以控制其資金。這意味著，如果發生錯誤或被黑客攻擊，用戶可以引用Plasma鏈的最新正確快照以恢復狀態并找回其代幣。這里有一個挑戰期，用戶從Plasma鏈中提取資金后將在以太坊主鏈上支付一筆交易費。

數據：Paxos Treasury銷毀63,266,685 BUSD:金色財經報道，據Whale Alert數據顯示，Paxos Treasury銷毀63,266,685 BUSD(價值約63,247,705美元)。[2023/1/22 11:25:23]

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。

優勢在于，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用戶，從一開始就不需要設置數量。資金的安全性和可找回性也很高。

缺點是Plasma沒有支持智能合約執行的靈活性，因為它僅支持轉移或swap等基本功能。此外，盡管用戶可以提取資金，但他們還需要定期檢查Plasma鏈以發現任何錯誤，以防止被黑客利用。與狀態通道類似，需要“監視塔”來維護網絡快照。由于這些原因，Plasma已不再是首選解決方案。

與此相關的項目包括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，但從安全角度來看有所不同。

Plasma子鏈在無信任的環境中依賴以太坊的安全機制，并由于其高吞吐量和安全保證而針對支付進行了優化。但是，側鏈是與以太坊并排運行并與之通信的獨立區塊鏈。它使用另一個代幣與以太坊掛鉤連接，從而創建了雙向橋。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，并且還可以通過使用ADA而不是ETH創建掛鉤來支持其他基礎層，例如Cardano。他們僅在更新分類賬狀態時與主鏈進行交互。正如側鏈可以與其他區塊鏈友好一樣，用戶和運營商可以在不依賴以太坊的情況下鏈下共存并維護多個側鏈。

優勢在于，側鏈是具有自己的代幣的區塊鏈，能夠支持智能合約（不在主鏈上），因此針對靈活性進行了優化，并具有多種用例。相對而言，這項技術是作為擴展解決方案而建立的，根據側鏈的設計，它可以提供大約10,000 TPS的速度。

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缺點是它不是一個無信任的環境，因為用戶需要將資金托管轉移到側鏈。安全性也是另一個需要關注的問題，因為與以太坊相比，側鏈不那么成熟，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并在經濟上可行，這通常是通過在該側鏈上收取費用并具有有效的代幣經濟學來實現的。

與此相關的項目包括xDAI，Polygon，POA網絡，Liquid網絡和Skale網絡。xDai Chain是一種支付區塊鏈，旨在實現快速，廉價的穩定交易。xDai用于交易，付款和費用。

Matic（現為Polygon）與Circle合作發行了USDC穩定幣，并與Chainlink結盟，為以太坊游戲提供支持。Matic更名為Polygon，以啟動Layer2聚合框架為重心。該團隊將繼續托管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將使開發人員能夠創建多個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，因為發布在Layer1之外傳輸的數據摘要比Layer 1的存儲和計算負擔少且便宜。摘要數據仍在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存儲。

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與狀態通道不同，Rollup中的資金是由智能合約持有的，運行方在該合約中將資金投入Layer1智能合約中。所有交易都在layer2上發生，并且如果用戶認為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對于降低費用，提供更快的交易吞吐量和向用戶開放參與很有用。有兩種主要類型：Optimistic Rollup和ZK Rollup。

4a Optimistic Rollup

Optimistic Rollup使用了與以太坊主鏈平行運行的側鏈。在完成一批交易之后，Rollup會向主網提出一個新狀態。打個比方，他們撮合并公證了交易。他們每秒可以處理約300個智能合約調用或每秒約2,000個基礎轉賬。由于它與以太坊虛擬機（EVM）兼容，因此在以太坊上做的任何事情也可以在Optimistic Rollup上做。這是一種用于擴展通用智能合約的解決方案，并且是一種以合理的安全程度遷移去中心化應用程序（DApp）的簡便方法。

但其妥協之處在于，資金可能會受到潛在攻擊媒介的威脅。如果發布了不正確的狀態轉換，則用戶將能夠撤消不正確的區塊并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。

專注于此的項目包括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的主網已于2021年1月使用Synthetix等列入白名單的協議進行了軟啟動，盡管它現在準備在2021年7月之后的某個時間全面投入使用。這些白名單協議的用戶已經節省了超過1000萬美元的費用。但是，仍然無法確定實際的用戶采用情況，因為它需要改變用戶的行為，例如必須依賴支持這種新側鏈增強功能的新錢包。

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4b ZK Rollup

雖然Optimism假定交易默認情況下是有效的，并且僅在遇到挑戰時才運行計算，但ZK Rollups會在鏈外運行所有計算，并提交要存儲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（簡潔的非交互式知識論證）。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。這類似于向以太坊區塊鏈展示計算結果，而不向他們展示所有交易數據或結果的得出方式。因此，驗證區塊更快，更便宜，因為涉及的數據更少。

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，然后將它們作為單個Rollup交易提交到以太坊上。據報道，ZK Rollup將能夠在ETH1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，盡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，如果用戶決定將其資金從Layer2退出到Layer1，則結算比Optimistic Rollups更快。但是，由于需要生成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，智能合約支持仍在開發中，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上的項目包括Loopring，ZkSync（Matter Labs），Aztec和Hermez。Loopring通過在鏈下移動數據和計算，同時利用零知識證明來保持信任最小化的屬性，將該技術應用于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，這是一個用于ETH以及將來的ERC-20代幣的私有Rollup服務。用戶可以將ETH提交給Aztec rollup合約以屏蔽和發送私人交易。

退后一步，就像ZK和Optimistic Rollups的相似之處在于數據在鏈上一樣，Plasma和Optimistic Rollups之間也有相似之處，因為它們是基于防欺詐的系統。這里有四個象限，代表不同類型的系統。有效性驗證系統的第二種類型是Validium。

5. Validium

Validium使用有效性證明（例如ZK Rollup），但數據未保存在以太坊鏈中。由于每次轉賬都必須經過授權，因此Validium中的資金是安全的。將數據保留在主鏈之外，每個Validium鏈最多可實現20,000 TPS，這可以彼此并行運行。

這樣做的好處是沒有提現延遲，并且不容易遭受基于欺詐的系統所面臨的攻擊。權衡之處是它對智能合約的支持有限，并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，這對于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

盡管上述擴展解決方案可謂整潔，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擴展解決方案的缺點

這些異構擴展解決方案的權衡在于，沒有一個單一的全局狀態支持可組合的智能合約。當前，大多數用戶都依賴簡單的單一系統Layer1。Layer2擴展要求在用戶行為，錢包，預言機和DApps中進行重大更改。建立智能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，或狀態通道網絡中的流動性路由。他們可能也不想使用ZK證明處理如何在鏈下運行計算。

各個Layer2項目之間也缺乏通信。這意味著跨Layer2的傳輸不是無縫的，或者需要橋接側鏈。應用程序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能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的擴展解決方案

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，這有助于更快地處理交易。

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哈希確認。這使網絡保持安全，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，不能并行處理。

PoS：在PoS共識模型中，ETH2使任意數量的驗證器（至少32 ETH）可以運行驗證器，而無需昂貴的挖礦設備或維護要求。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占礦工總收入的約50％（請參閱礦工收入圖表）。PoS通過使參與者更易于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。盡管由于分片（或拆分區塊鏈），最終用戶的費用較低。在撰寫本文時，有360萬個以太坊已存入ETH2，價值70億美元，占總供應量的3％。

結論

以太坊是正在進行系統級重建的最有價值的網絡。可以理解，開發人員正在謹慎地實施更改。在以太坊致力于ETH2的同時，項目同時提供了多種技術，以提供最佳的擴展解決方案。各種擴展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，并享有網絡效應。同樣，擴展以太坊也不是贏家通吃的比賽。?

從Layer1和Layer2改進中獲得的可擴展性收益將相互疊加，尤其是如果項目可以為可組合的擴展機制共同努力的話。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序事實上的智能合約平臺的最高地位。

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