詳解以太坊現狀與Layer 2解決方案優劣

來源：Messari

原標題：《Ecosystem of Ethereum Scaling Solutions》

譯者：巴比特-Kyle

如今以太坊的問題在於，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於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 等詞彙不感興趣，但這個世界上最活躍的區塊鏈的未來卻取決於這些。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。

現狀

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，並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，這意味着當網絡擁塞時，交易變得更加昂貴且延遲更多。實際上，對於用戶而言，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，具體取決於網絡的擁塞程度，從而導致交互交易成本過高。但是，這對於受益於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捨。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。爲了便於討論，我們談論的可擴展性是指處理的所有交易。

以太坊朝着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於樹或中心輻射模型，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。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 箇中的 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，然後在鏈上提交最終交易並解鎖其資金。

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，並且大大減少了在以太坊區塊鏈上處理交易所需的費用。

缺點是建立通道並對其進行積極監視以確保沒有惡意行爲者，這個過程需要花費時間。此外，資金在通道有效期內被鎖定，並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於比特幣的閃電網絡的系統，其中包括對 ERC20 代幣的支持。Celer 專注於狀態通道技術，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，稱爲子鏈（childchain）。可以在這些 Layer2 區塊中處理成千上萬筆交易，並捆綁爲一筆單一交易。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。子鏈是無信任和非託管的鏈，用戶可以控制其資金。這意味着，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並找回其代幣。這裏有一個挑戰期，用戶從 Plasma 鏈中提取資金後將在以太坊主鏈上支付一筆交易費。

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。

優勢在於，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，因爲它僅支持轉移或 swap 等基本功能。此外，儘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。由於這些原因，Plasma 已不再是首選解決方案。

與此相關的項目包括 Polygon（以前稱爲 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，並由於其高吞吐量和安全保證而針對支付進行了優化。但是，側鏈是與以太坊並排運行並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，並且還可以通過使用 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並維護多個側鏈。

優勢在於，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，並具有多種用例。相對而言，這項技術是作爲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。

缺點是它不是一個無信任的環境，因爲用戶需要將資金託管轉移到側鏈。安全性也是另一個需要關注的問題，因爲與以太坊相比，側鏈不那麼成熟，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，雙向掛鉤意味着側鏈代幣還需要保持價值並在經濟上可行，這通常是通過在該側鏈上收取費用並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 用於交易，付款和費用。Matic（現爲 Polygon）與 Circle 合作發行了 USDC 穩定幣，並與 Chainlink 結盟，爲以太坊遊戲提供支持。Matic 更名爲 Polygon，以啓動 Layer2 聚合框架爲重心。該團隊將繼續託管 Matic Network 的當前解決方案，即使用 Plasma 框架的 PoS 以太坊側鏈。但是他們現在認爲這個現有的側鏈是「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爲 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，因爲發佈在 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。

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，並且如果用戶認爲 Layer2 操作是惡意的，則可以在 Layer1 上執行。不良行爲者將被削減質押物，舉報的人將得到一部分被削減的質押物作爲報酬。

Rollup 對於降低費用，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。在完成一批交易之後，Rollup 會向主網提出一個新狀態。打個比方，他們撮合並公證了交易。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。由於它與以太坊虛擬機（EVM）兼容，因此在以太坊上做的任何事情也可以在 Optimistic Rollup 上做。這是一種用於擴展通用智能合約的解決方案，並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。

但其妥協之處在於，資金可能會受到潛在攻擊媒介的威脅。如果發佈了不正確的狀態轉換，則用戶將能夠撤消不正確的區塊並大幅削減不良行爲者的質押資金。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。

專注於此的項目包括 Optimism、Arbitrum、Fuel Network 和 Cartesi。Uniswap V3 正在 Optimism 上啓動，該版本目前已將此解決方案驗證爲首選的 Layer2 解決方案。Optimism 的主網已於 2021 年 1 月使用 Synthetix 等列入白名單的協議進行了軟啓動，儘管它現在準備在 2021 年 7 月之後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採用情況，因爲它需要改變用戶的行爲，例如必須依賴支持這種新側鏈增強功能的新錢包。

4b ZK Rollup

雖然 Optimism 假定交易默認情況下是有效的，並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，並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。

該證明有時被稱爲 SNARK（簡潔的非交互式知識論證）。運營方需要爲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。這類似於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，因爲涉及的數據更少。

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，然後將它們作爲單個 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，而費用僅爲 Layer1 成本的 1％。相比之下，信用卡通常處理 5,000 TPS，儘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，因爲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，由於需要生成 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，將該技術應用於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，這是一個用於 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。

退後一步，就像 ZK 和 Optimistic Rollups 的相似之處在於數據在鏈上一樣，Plasma 和 Optimistic Rollups 之間也有相似之處，因爲它們是基於防欺詐的系統。這裏有四個象限，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。由於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，這可以彼此並行運行。

這樣做的好處是沒有提現延遲，並且不容易遭受基於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，並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，這對於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

儘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，啓動了 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於，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 擴展要求在用戶行爲，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。這意味着跨 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，這有助於更快地處理交易。

* 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，不能並行處理。

* 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佔礦工總收入的約 50％（請參閱礦工收入圖表）。PoS 通過使參與者更易於訪問來實現以太坊去中心化。區塊時間將更加可預測，因爲與 PoW 鏈上的情況一樣，該過程沒有相關的波動。儘管由於分片（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，佔總供應量的 3％。

分片（Sharding）

分片只是意味着可以將網絡劃分爲多個軌道，以並行處理交易。這是水平擴展，類似於在多個服務器之間分佈計算和存儲容量。每個分片都有自己獨立的狀態和交易記錄。專用節點處理某些分片的交易，從而使總體吞吐量更高。

信標鏈將 PoS 和分片聯繫在一起。它是所有系統級活動的協調者，存儲和管理驗證者的註冊表，選擇區塊生產者，應用共識規則並存儲分片狀態的數據。信標鏈於 2020 年 12 月投入使用，但除存在之外，目前尚無其他活動。這是允許以太坊在不犧牲安全性的前提下進行擴展的第一步。

與 Plasma 不同，分片是主鏈的觸角，並定期從其分片提交交易的狀態根哈希。應用程序還將直接訪問分片中的數據。與子鏈和側鏈相反，分片可確保整個系統是一個集合體——具有相同的有效性和對數據的訪問。分片也沒有任何存款或資金，因爲它是主鏈的一部分。

並非每個人都必須運行每個碎片，這意味着並非每個人都需要運行完整的 ETH2 節點。這也稱爲「輕客戶端」或輕量級節點，它引用受信任的完整節點的區塊鏈副本，但不需要下載整個區塊鏈副本。輕客戶端可以在以太坊分片中扮演重要角色，以使驗證者能夠快速驗證和同步不同的分片。

最初的想法是 ETH1 只是衆多分片之一。但是，這增加了跨分片交易的複雜性。隨着以太坊的發展繼續對市場條件和新技術做出反應，該技術仍在發展中，並且可能成爲遷移至 ETH2 的核心特徵，也可能不是核心特徵。遷移到 ETH2 的最後階段旨在解鎖分片中的智能合約執行功能，估計時間爲 2023。

以太坊的演變

2020 年 12 月，我們見證了向 ETH2 邁出的第一步，即啓動了信標鏈。之後是分片，再是抽象執行引擎，最終看到 ETH1 和 ETH2 合併。但是，ETH 的發展是動態的，鑑於迫切需要解決高 gas 費用，擴展和競爭激烈的問題，因此合併被優先考慮。

合併之前，還要進行兩次其他的技術升級：「柏林」（2021 年 4 月）和「倫敦」（2021 年 7 月）硬分叉。以太坊改進提案（EIP）通常不會引起太多關注，但 EIP 1559 將與其他 EIP 一起包含在倫敦硬叉中。

EIP 1559 導致礦工和開發者之間的緊張關係加劇。ETH 挖礦最近非常賺錢，2021 年 2 月的收入達到創紀錄的 13 億美元。可以理解的是，礦業反對變更，因爲挖礦是企業級的資本密集型業務，因此 EIP 1559 會對收入產生負面影響。但是，網絡將根據用戶的需求而發展，而礦工在該方程式中並不是特別重要。如果礦工威脅使用硬分叉來反對，那麼他們的新分叉將是低價值的，並且不會被用戶採用。對於 DeFi，包裹類資產和無法在新網絡下複製的 NFT 尤其如此。

EIP1559 通過使費用更可預測，將有助於減輕費用方面的痛苦。根據 EIP1559，區塊需要最低價格（「基本費用」），該最低價格將根據需求進行動態設置。儘管用戶可以將最高費用上限爲基本費用和小費的兩倍，但這消除了估算用戶今天所承受的交易費用時的總猜測。EIP1559 的主要區別在於，用戶的最高費用和最終基本費用之間的差額將被退還。目前，嚴重高估費用的用戶不會獲得退款。根據 EIP1559，如果區塊已滿，則收費市場將根據最高小費重新拍賣，而且將不予退還。

這些升級不包括 ETH1.x 和 ETH2 合併所需的更新，但開發人員正在考慮加快該時間表。這裏概述了一個快速合併的建議，從 PoW 遷移到 PoS 只需幾處更改。但是，以太坊是否應該考慮另一個分叉升級（「上海」升級大約在「倫敦」之後 3-6 個月）或者着眼於合併，這仍存在爭議。通常，治理過程可能要花費數月甚至數年才能包含在內。EIP 1559 本身在 2019 年 4 月受到 Vitalik Buterin 的擁護，但僅在兩年後才實施。

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。在以太坊致力於 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，並享有網絡效應。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爲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，保持其作爲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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