区块链解析：什么是第二层？

简介

加密货币每天都在变得越来越大。截至2024年6月，拥有加密货币的人数达到了6.17亿，总市值为2.24万亿美元。但即使在这种巨大的增长下，区块链技术仍然面临一个主要问题：可扩展性。以太坊的主网每秒的交易吞吐量约为15-30笔（TPS），这个数字并不是固定的。它可能会根据区块大小和网络活动略有变化。此外，以太坊通过以太坊2.0转向权益证明（PoS）将改善可扩展性，特别是与分片结合时。

将第二层（L2）解决方案视为区块链的涡轮增压。它们是建立在主区块链（第一层，L1）之上的链外技术，使交易更快、更便宜、更高效。一些L2如 Arbitrum, Polygon, Optimism等可以处理每秒4000笔交易。并不是说它们每天都这样做，但在需要时可以做到，这比通常的速度有了巨大的提升。这种吞吐量意味着我们可以在区块链上顺利运行更复杂的应用程序，如去中心化金融（DeFi）、游戏和供应链等。

总之，虽然第一层正在忙于增加区块大小等重大变化，但第二层利用像汇总和侧链这样的巧妙技巧来加速进程，而不牺牲安全性。在本文中，我们将深入探讨第二层，看看它将如何改变区块链的世界。

什么是第二层解决方案？

第二层解决方案就像是将区块链技术提升到一个新水平的秘密调料，解决传统第一层区块链（如 比特币 和以太坊）无法始终处理的主要问题。当然，第一层区块链承担着繁重的工作——它们处理交易并通过共识方法（如 工作量证明（PoW）或 权益证明（PoS））保持安全。但在扩展性方面，它们常常会遇到麻烦。这个问题是“区块链三难困境”的一部分，表明同时解决 可扩展性、 安全性和 去中心化是很困难的。因此，第一层网络可能会变慢，导致更长的等待时间和更高的费用，尤其是在繁忙时。第二层解决方案介入，以保持一切顺利运行，即使在网络承受压力时。

例如， 闪电网络 是比特币的几种第二层解决方案之一，不是唯一的，通过将交易暂时移出主区块链，使交易更快、更便宜。想象一下，你和朋友打开一个私人支付通道，这就像是你们之间的数字账本。然而，当交易在闪电网络中离线进行时，它们仍然通过哈希时间锁合约（HTLCs）得到比特币第一层安全模型的支持，确保在发生争议时资金安全地结算在主链上。酷的是，你只需更新区块链两次：一次是在打开通道时，另一次是在关闭通道时。这样，区块链就不会因为每一笔交易而变得繁忙，从而使整个过程更快、更便宜。以太坊的汇总——乐观汇总和零知识（ZK）汇总——工作方式略有不同，但目标相同，都是减少主区块链的负担。那么，现存的扩展解决方案有哪些呢？

以太坊的第二层扩展

汇总

汇总是运行在主链之上的软件协议，简化交易并减少拥堵。 乐观汇总，如 Base、 Arbitrum、 Optimism、 Boba Network，将多个交易打包成一个批次，并将这个压缩的批次作为调用数据提交给以太坊主链。这里变得有趣的是：这些汇总假设交易是有效的，并在不进行链上计算的情况下将交易数据提交给主链。如果发生争议，可以通过挑战机制验证交易的有效性。然而，如果有人怀疑存在错误或欺诈交易，他们可以在挑战窗口期间发起欺诈证明。如果证明成功，批次将被回滚，提交者可能会失去押金。乐观汇总中的欺诈证明通过争议潜在无效的状态转换来工作，从而触发链上验证。这个系统减少了主链需要进行的计算量，使事情更快、更便宜，但由于这个挑战机制，它仍然是安全的。

另一方面，ZK Rollups采取了不同的方法。ZK Rollups使用密码学证明，特别是零知识简洁非交互式知识论证（zk-SNARKs）或zk-STARKs来验证一批链下交易。他们为每批交易生成所谓的“简洁证明”（通常是SNARK或STARK）。这种证明是一种超高效的方式，可以证明批次中的所有交易都是有效的，而无需逐个在以太坊主链上进行验证。主链只需验证这个证明，这个过程非常快速，然后就可以自信地接受整批交易。这种方法非常安全和高效，尽管在技术上稍微复杂一些。

侧链

另一种扩展解决方案。侧链几乎就像平行宇宙，作为与主链并行的独立区块链运行。币安智能链（现在称为BNB智能链）和Avalanche是具有自己共识模型的第一层区块链，而不是严格意义上的以太坊第二层侧链。Polygon既作为权益证明侧链，又作为第二层解决方案的聚合器，拥有自己的一套验证者和共识机制，这意味着它们可以独立处理交易，而不必依赖主链。酷的是，侧链通常依赖于桥接（例如，Plasma桥或智能合约）来促进资产转移，这可能并不总是像比特币的Liquid网络那样真正的双向挂钩。这使得您可以在主链和侧链之间转移资产，这对于希望利用不同网络独特功能或较低交易费用的用户尤其受欢迎。侧链通常使用桥接来实现这一点，允许两个链之间的顺畅通信和资产转移，即使它们的共识机制可能完全不同。

状态通道

另一个扩展产品是状态通道。状态通道是离线机制，允许用户在不将每笔交易广播到区块链的情况下私下进行多笔交易。只有开盘和收盘交易会在链上记录，从而减少拥堵并加快交互。状态通道是离线机制，允许参与者直接进行交易，而无需在主链上记录每次交互。只有最终状态会在链上结算。

想象一下你和你的朋友如何私下交谈。与其对全世界大喊每条消息，不如跟踪你的对话，只告诉大家最终结果。这就是状态通道的工作原理。状态通道要求初始通道设置和最终结算在链上进行，使用多签名钱包确保离线交易得到参与者的共同同意。此外，请注意，状态通道主要适用于重复的小额交易（微支付），而不适用于复杂的智能合约交互。这对于游戏或小额支付等事情非常高效。

Plasma

Plasma 在某种程度上完全不同，它是一个框架，承载着一系列连接到主区块链的小型区块链。这些较小的区块链，通常称为子链，按照自己的规则和验证者运作，但依赖于定期向主链提交承诺以确保安全。虽然 Plasma 提供了扩展性优势，但面临着最终性慢和潜在数据可用性问题等挑战。由于安全性和最终性方面的局限性，Plasma 的采用率有所下降，因为用户必须经历漫长的退出期（通常为 7-14 天）才能提取资金回到以太坊。必须指出的是，Plasma 在某种程度上被更高效和安全的汇总技术所超越，而 Plasma 最早和最著名的实现之一是 OMG Network。

定期将最终交易状态提交回以太坊进行验证，以确保安全性和最终性，Plasma 链在链外处理大量交易，但在支持复杂智能合约方面受到限制，并且由于提款时间较慢而导致采用率降低。它们的主要用例最初旨在满足需要简单转账的应用程序，尽管更新的解决方案已经超越了 Plasma。

通过减少以太坊主网的负载，Plasma 降低了费用并加快了交易速度。然而，从 Plasma 链提取资金到以太坊可能需要长达 7 天的时间，因为这一时期是为了允许在资金完全可用之前进行任何潜在争议或欺诈检测。

第二层解决方案示例

多个第二层解决方案已在各种区块链网络中成功实施。以下是一些显著的例子：

1. Optimism

• 类型：乐观汇总
• 描述：Optimism 是一种以太坊第二层解决方案，利用乐观汇总来提高交易吞吐量。它假设交易是有效的，只有在提出挑战时才会进行计算检查。Optimism 通过使用欺诈证明减少链上的计算需求，同时向第一层提交最少的交易数据（压缩），显著降低了燃气费用并提高交易速度。
• 用例：DApps、DeFi 协议以及任何需要可扩展性的以太坊项目。

2. Arbitrum

• 类型：乐观汇总
• 描述：Arbitrum 是另一种基于乐观汇总技术的第二层解决方案。它通过将大部分交易处理移至链外来增强以太坊的可扩展性，同时保持以太坊主网的安全性。Arbitrum 以与现有以太坊智能合约的兼容性而闻名，使开发人员能够轻松迁移他们的应用程序。
• 用例：DeFi、游戏和其他高交易量应用程序。

3. Polygon（前称 Matic）

• 描述：Polygon 是一种多链第二层解决方案，提供构建互联区块链网络的框架。它结合了权益证明（PoS）侧链和 Plasma 技术，提供可扩展的解决方案，具有快速交易处理和低费用。Polygon 的 PoS 链与以太坊并行运行，并支持广泛的去中心化应用程序。
• 用例：NFTs、DeFi、游戏和各种 DApps。

4. zkSync

• 类型：零知识汇总（zk-Rollup）
• 描述：zkSync 是一种利用零知识汇总的第二层解决方案，使用密码证明来验证交易。这允许在链外进行高效且安全的交易处理，这些交易的有效性通过简洁的密码证明在链上得到证明。与依赖挑战机制进行安全性的乐观汇总不同，zk-Rollups 继承了第一层的全部安全性。
• 用例：支付系统、DeFi 应用程序和代币转移。

5. Loopring

• 类型：零知识汇总（zk-Rollup）
• 描述：Loopring 是一种去中心化交易所（DEX）协议，利用零知识汇总在以太坊上促进高吞吐量、低成本的交易。通过在链外捆绑交易并使用zk-证明进行验证，Loopring 允许用户以最低费用和快速执行交易资产。
• 用例：去中心化交易所、支付解决方案和 DeFi。

6. Immutable X

• 类型：零知识汇总（zk-Rollup）
• 描述：Immutable X 是一种专为以太坊上的NFTs设计的第二层解决方案。它使用 zk-Rollups 实现快速且无燃气费用的 NFT 铸造、购买和销售。Immutable X 通过第二层扩展努力实现碳中和，减少与以太坊第一层交易相比的能耗，使其成为 NFT 平台的环保选择。
• 用例：NFT 市场、游戏平台和数字艺术。

7. StarkNet

• 类型：零知识汇总（zk-Rollup）
• 描述：StarkNet 是一个去中心化的 zk-Rollup，允许任何去中心化应用程序（DApp）在不妥协以太坊的可组合性和安全性的情况下实现无限可扩展性。它使用 STARKs（可扩展透明知识论证）来确保链外交易的有效性，使其高度安全和可扩展。
• 用例：复杂的 DApps、DeFi、游戏等。

第二层的好处

第二层产品帮助区块链解决一些最大的问题，特别是可扩展性、成本、速度和隐私。通过在主链（第一层）之外处理交易，它们使区块链网络更具能力，从而能够服务更多用户并处理更多交易，而不妥协安全性或去中心化。这意味着更低的交易成本，使区块链对每个人更易于访问，并且更快，这对实时应用程序如游戏和金融至关重要。一些 L2 甚至通过将更多交易细节保留在公共链之外提供更好的隐私。

可扩展性

像交通警察一样，L2 清理拥堵，让以太坊和比特币等网络处理更多交易。没有它们，就像在高峰时段试图在高速公路上行驶——缓慢而令人沮丧！第二层解决方案扩展区块链容量，实现更高的吞吐量和更低的延迟，这对高交易量应用至关重要。

降低成本

第二层协议还通过减轻主网络的一部分负担，使交易变得更便宜。这对像 DeFi 和游戏这样繁忙的领域来说是个大问题，因为高费用是一个主要痛点。

更快的交易

速度在区块链中至关重要，L2 提供近乎即时的交易确认。通过在链外处理交易，仅在主链上记录最终状态，第二层网络避免了与第一层区块确认相关的延迟。

更多隐私

隐私变得越来越重要，一些 L2 解决方案如零知识（ZK）汇总提供更多隐私功能。通过在链外处理交易，这些解决方案将大多数交易细节保留在公共区块链之外，隐藏用户身份和敏感信息。

第二层的未来

随着区块链的发展，对可扩展、高效和用户友好的产品的需求只会增加。未来的发展将专注于与第一层区块链的无缝集成，扩展跨行业的用例以及不同 L2 网络之间的互操作性。这将帮助区块链在全球范围内扩展，而不牺牲安全性或去中心化，使第二层成为区块链未来的关键参与者。请关注。

第一层集成

L2 的一个重要目标是使其与第一层区块链协同工作。随着这些技术的发展，主链与其 L2 扩展之间的连接需要变得更加无缝和用户友好。想象一下在不同层之间切换而没有任何麻烦——这意味着您的体验将更加顺畅，您不必处理复杂的过程。我们可能会看到新的工具和功能，当 L1 拥挤时自动将交易转移到 L2，或者使使用这些技术变得更容易，而不必了解所有细节。这将使区块链网络更加稳定和安全，并能够处理更多流量而不减速。

扩展用例

L2 非常多功能，其用途远不止于 DeFi 和游戏中的可扩展性和成本节约。未来，我们可能会看到它们在许多不同的行业中使用。例如，在供应链管理中，它们可以帮助高效地跟踪跨境货物，轻松处理大量数据。即使是非区块链行业，如医疗保健和电信，也可能开始使用 L2 解决方案来管理敏感信息。L2 的速度、成本节约和可扩展性使其非常适合任何需要高性能去中心化数据管理的行业。随着技术的进步，我们将看到 L2 以新的创新方式解决行业问题。

结论

L2 将是区块链世界解决可扩展性、成本和可用性等重大问题的关键，这些问题一直阻碍着去中心化网络的广泛采用。随着这些技术的进步，它们将使区块链平台更好地工作，处理更多用户和交易，并且仍然安全和去中心化。L2 的未来看起来不错，有很多值得期待的事情。我们将看到与第一层区块链的更好集成、跨行业的新用例以及网络之间的互操作性。这不仅将使当前的区块链系统更高效，还将为不同行业的去中心化应用打开新的机会，塑造区块链的未来。