一文读懂各种以太坊L2方案的优缺点，因地制宜或许才是最好的发展策略

今天以太坊的问题是用户越多，以太坊变得越慢，使用起来就越昂贵。 不断恶化的用户体验吸引了币安智能链 BSC、Solana 和 Polkadot 等严重竞争对手争夺智能合约平台宝座。 以太坊的持续主导地位取决于它提高吞吐量和降低费用的能力。

即使以太坊高级用户对 ZK-Rollups、分片或 Plasma 等词不感兴趣，世界上最活跃的区块链的未来也取决于他们。 在本报告中，我们将解决以太坊当前的扩展问题以及以太坊的潜在解决方案。

现状

以太坊每天支持着大量的经济活动。 它每天结算数十亿美元的交易，并在蓬勃发展的去中心化金融 (DeFi) 和不可替代代币 (NFT) 领域运行数千个去中心化应用程序 (Dapps)。 然而，以太坊的区块空间有限，所有这些应用程序都在争夺相同的资源，这意味着当网络拥塞时，交易变得更加昂贵和延迟。 事实上，以太坊上的单个智能合约交易（例如 Uniswap 交易）可能会为用户花费数百美元，具体取决于网络的拥堵程度，这使得交互式交易的成本高得令人望而却步。 然而，这对于受益于如此高的交易费用的矿工来说非常好，与 2017 年牛市高点相比，目前可以将矿工收入增加 50％：

幸运的是，开发团队正在研究多种扩展解决方案，每种解决方案都有其独特的优化和权衡。 严格来说，“可扩展性”是单个节点处理的交易量，“吞吐量”是网络可以处理的交易总量。 为了便于讨论，我们讨论的是处理所有交易的可扩展性。

以太坊朝着这个目标的演变看起来像几条不同的路径，有时链接在一起，通向同一个目的地。 每个扩展解决方案看起来都类似于树或轴辐模型，但每个都有自己的细微差别来解决特定的用例。 解决方案主要分为两类：

1.状态通道

状态通道允许用户进行多个链下交易，同时只向以太坊网络提交交易两次——一次是在通道打开时，一次是在通道关闭时。

这将主网络从验证许多交易的负担中解放出来，但提供了相同级别的安全性。 网络中的参与者需要将存款存入多重签名合约，该合约需要执行阈值数量的签名（例如 5 个中的 3 个）。 一旦资金存入通道，参与者就可以进行任意数量的交易。 当参与者不再需要通道时，他们可以提交结果，等待一段时间以确保对结果没有挑战，然后提交链上的最终交易并解锁他们的资金。

考虑状态通道的一个简化示例：两方或多方之间的支付通道。 当已知数量的参与者之间存在许多交易（例如小额支付）时，这很有用。 交易是即时的，大大降低了在以太坊区块链上处理交易所需的费用。

缺点是建立渠道并主动监控以确保没有恶意行为者需要时间。 此外，资金在通道期间被锁定，并且尚不支持智能合约。

与此相关的项目包括 Raiden Network、Celer、Connext、Statechannels 和 Perun。 例如，Raiden 在以太坊上实现了一个类似于比特币闪电网络的系统，其中包括对 ERC20 代币的支持。 Celer 专注于状态通道技术，但也提供了几个与以太坊、Polkadot 和 NEO 兼容的互补侧链。

2. Plasma（子链）

Plasma 是以太坊区块链副本的框架，称为子链。 可以在这些第 2 层块中处理数以千计的交易并将其捆绑到单个交易中。 Plasma 可以有很多层，因此有无限的孙子和曾孙链。 子链是去信任和非托管的链，用户控制他们的资金。 这意味着在发生错误或被黑客攻击时，用户可以参考 Plasma 链的最新正确快照来恢复状态并取回他们的代币。 存在挑战期，用户从 Plasma 链上提款后，将在以太坊主链上支付一笔交易手续费。

打个比方，以太坊区块链就是最高法院，而 Plasma 链就像是下级法院。

优点是 Plasma 可以以较低的每笔交易成本维持高达每秒 1,000 笔交易（TPS），而每个 Plasma 区块的 gas 成本是固定的。 与状态通道不同，Plasma 还可以处理灵活的用户数量，无需从一开始就设置数量。 资金的安全性和可回收性也很高。

缺点是 Plasma 不具备支持智能合约执行的灵活性，因为它只支持转账或交换等基本功能。 此外，用户在可以提取资金的同时，还需要定期检查 Plasma 链是否有错误，以防止被黑客利用。 与状态通道类似，需要一个“瞭望塔”来维护网络快照。 由于这些原因，Plasma 不再是首选解决方案。

与此相关的项目包括 Polygon（以前称为 Matic）、OMG Network、Gluon、LeapDAO 和 Gazelle。 Ploygon 是 Plasma 和权益证明混合侧链，我们将在下一节中介绍。

3. 侧链

Plasma 子链和侧链彼此相似，但从安全角度来看有所不同。

Plasma 子链在无需信任的环境中依赖以太坊的安全机制，并且由于其高吞吐量和安全保证而针对支付进行了优化。 然而，侧链是独立的区块链，与以太坊一起运行并与之通信。 它使用另一个令牌连接以太坊挂钩，创建双向桥梁。 侧链是完全独立的区块链，有自己的共识机制和安全保障。

正如它们支撑以太坊一样，这些侧链与区块链无关，并且还可以通过使用 ADA 而不是 ETH 创建挂钩来支持其他基础层，例如 Cardano。 它们只在更新账本状态时与主链交互。 正如侧链可以与其他区块链友好一样，用户和运营商可以在不依赖以太坊的情况下在链下共存和维护多个侧链。

优点是侧链是一个拥有自己代币的区块链，能够支持智能合约（不在主链上），因此针对灵活性和多个用例进行了优化。 相对而言，这项技术是作为一种扩展解决方案而构建的，根据侧链的设计，它可以提供大约 10,000 TPS 的速度。

缺点是它不是一个无需信任的环境，因为用户需要将资金托管转移到侧链。 安全性也是另一个问题，因为侧链不如以太坊成熟和去中心化，而以太坊在过去几年中从去中心化中受益匪浅。 此外，双向挂钩意味着侧链代币还需要保持价值并在经济上可行，这通常是通过在侧链上收取费用并具有高效的代币经济来实现的。

与此相关的项目包括 xDAI、Polygon、POA Network、Liquid Network 和 Skale Network。 xDai Chain 是专为快速、廉价和稳定交易而设计的支付区块链。 xDai 用于交易、支付和费用。

Matic（现为 Polygon）已与 Circle 合作发行 USDC 稳定币，并与 Chainlink 合作为以太坊游戏提供支持。 Matic 更名为 Polygon，重点推出 Layer2 聚合框架。 该团队将继续托管 Matic Network 当前的解决方案，即使用 Plasma 框架的 PoS 以太坊侧链。 但他们现在认为这个现有的侧链是“不受欢迎的第 2 层解决方案”。 据报道，Polygon 即将推出的 SDK 将使开发人员能够创建多个 Layer2 解决方案，例如 Optimistic Rollups、ZK Rollups 和 Validium，这就是团队将其称为 Layer2 Aggregator 的原因。

4.汇总

Rollup 允许将数千个交易捆绑在一个 Rollup 块中。 它可能提供 100 倍的吞吐量，因为在 Layer 1 之外发布的数据摘要比 Layer 1 存储和计算负担更小且成本更低。摘要数据仍然在 Layer1（以太坊）上得到保护，而无需在以太坊链上进行完整的计算和存储。

与状态通道不同的是，Rollup 中的资金由智能合约持有，运营商将资金放入合约中的 Layer1 智能合约中。 所有交易都发生在 Layer2，如果用户认为 Layer2 操作是恶意的，则可以在 Layer1 上执行。 不良行为者的抵押品将被削减，举报者将获得被削减抵押品的一部分。

Rollups 对于降低费用、提供更快的交易吞吐量以及向用户开放参与很有用。 主要有两种类型：Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。

4a 乐观汇总

Optimistic Rollup 使用与以太坊主链平行运行的侧链。 在完成一批交易后，Rollup 向主网提出一个新的状态。 打个比方，他们是交易的经纪人和公证人。 他们每秒可以处理大约 300 个智能合约调用或每秒大约 2,000 个基础传输。 由于它与以太坊虚拟机 (EVM) 兼容，任何可以在以太坊上完成的事情也可以在 Optimistic Rollup 上完成。 它是一种用于扩展通用智能合约的解决方案，也是一种以合理的安全程度迁移去中心化应用程序 (DApp) 的简便方法。

但代价是资金可能面临潜在攻击媒介的风险。 如果发出不正确的状态转换，用户将能够撤消不正确的块并削减不良行为者的抵押资金。 取款也很慢，可能需要几天时间才能进行挑战或争议期。

专注于此的项目包括 Optimism、Arbitrum、Fuel Network 和 Cartesi。 Uniswap V3 正在 Optimism 上启动，目前该解决方案已验证该解决方案是首选的第 2 层解决方案。 Optimism 的主网于 2021 年 1 月使用诸如 Synthetix 之类的白名单协议软启动，尽管它现在准备在 2021 年 7 月之后的某个时间全面上线。这些白名单协议的用户已经节省了超过 1000 万美元的费用。 然而，实际的用户采用率仍然不确定，因为它需要改变用户行为，例如必须依赖支持这种新的侧链增强功能的新钱包。

4b ZK Rollup

Optimism 假定交易在默认情况下是有效的并且仅在受到挑战时才运行计算，而 ZK Rollups 在链下运行所有​​计算并提交有效性证明以存储在以太坊上。 零知识（ZK）是指发行人必须提供的加密证明，以便在以太坊区块链上记录一系列交易。

此证明有时称为 SNARK（简洁的非交互式知识论证）。 运营商需要为每个状态转换生成一个证明，由以太坊上的 Rollup 合约进行验证。 这个 SNARK 证明存在从一个状态到另一个状态的一系列顺序交易。 这类似于向以太坊区块链显示计算结果以太坊节点类型，而不向它们显示所有交易数据或结果是如何得出的。 因此，验证块更快、更便宜，因为涉及的数据更少。

ZK Snarks（可与 ZK Proofs 互换使用）通常被 Z Cash 等隐私币使用。 但是 ZK Rollups 使用零知识技术来提高效率，而不是保护隐私，方法是将数千笔交易从链下取出，并将它们作为单个 Rollup 交易提交给以太坊。 据报道，ZK Rollup 将能够在 ETH1 上处理约 3,000 TPS，在 ETH2 上处理 20,000 TPS，而费用仅为 Layer1 成本的 1%。 相比之下，信用卡通常处理 5,000 TPS，尽管据说它们可以处理更高的吞吐量（65,000 TPS）。

优点是在 Layer1 和 Layer2 之间转移资金没有延迟，因为合约接受的有效性证明已经验证了资金。 因此，如果用户决定将资金从 Layer2 提取到 Layer1，结算速度比 Optimistic Rollups 更快。 但是，由于需要生成 ZK 证明，Layer 2 到 Layer 2 的交易大约需要 10 到 30 分钟。 另一个缺点是智能合约支持仍在开发中，因此 ZK Rollup 仅支持简单的交易传输。 目前也无法将 EVM 封装在零知识证明中，因此 DApps 还不能迁移到 ZK Rollup。

ZK Rollup 上的项目包括 Loopring、ZkSync（Matter Labs）、Aztec 和 Hermez。 Loopring 应用该技术通过将数据和计算移动到链下，同时利用零知识证明来维护信任最小化的特性，从而为订单构建一个去中心化的交易中心。 在 Loopring 3.0 上，执行交易的以太坊 gas 成本不到一分钱。 Aztec 最近部署了 zk.money，这是一个针对 ETH 的私有 Rollup 服务，未来还会部署 ERC-20 代币。 用户可以向 Aztec rollup 合约提交 ETH 以筛选和发送私人交易。

退一步说，就像 ZK 和 Optimistic Rollups 的相似之处在于数据在链上一样，Plasma 和 Optimistic Rollups 之间的相似之处在于它们都是基于欺诈预防的系统。 这里有四个象限，代表不同类型的系统。 第二种有效性验证系统是Validium。

5. 有效性

Validium 使用有效性证明（例如 ZK Rollup），但数据不保存在以太坊链中。 由于每次转账都必须经过授权，因此 Validium 中的资金是安全的。 将数据保持在主链之外，每条 Validium 链最高可以达到 20,000 TPS，并且可以相互并行运行。

这样做的好处是没有取款延迟，并且不易受到基于欺诈的系统所面临的攻击。 代价是它对智能合约的支持有限，需要大量的计算能力和 10-30 分钟来生成 ZK 证明，这对于低吞吐量的应用程序来说既不省时也不划算。 因此，开始时可能是先有鸡还是先有蛋的问题。

Starkware 和 Matter Labs 使用 Validium。 Deversifi 是第一个使用 StarkWare 的批处理技术来交易和转移代币的平台，无需支付 gas 费用，也没有回滚或交易失败的危险。 Matter Labs 开发了 zkPorter。

扩展解决方案：混合解决方案

虽然上面的扩展解决方案很巧妙，但现实是技术可以结合使用以太坊节点类型，每种技术都有自己的权衡。 例如，Matic 转向 Polygon，启动了 Layer2 聚合器。 此外，Celer 结合了状态通道和侧链解决方案。

Layer2 扩展方案的缺点

这些异构扩展解决方案的权衡是没有单一的全局状态支持可组合的智能合约。 目前，大多数用户依赖于简单的单一系统 Layer1。 第 2 层扩展需要用户行为、钱包、预言机和 DApp 发生重大变化。 构建智能合约的开发人员可能不想处理第 2 层或跨第 2 层状态，或侧链中的安全模型，或状态通道网络中的流动性路由。 他们也可能不想使用 ZK 证明来处理如何在链下运行计算。

各个 Layer2 项目之间也缺乏沟通。 这意味着第 2 层的传输不是无缝的，或者需要桥接侧链。 应用程序可能还需要考虑外生状态，这仍然需要研究。

这些困难和来自其他智能合约平台的竞争迫使以太坊优先开发 Layer 2 解决方案，尤其是 Rollup。 ETH2 开发人员改变了路线图以应对 Rollups 的兴起，以太坊计划让 ETH2 分片和 Rollups 协同工作。

从 ETH 1.x 到 ETH 2.0 的扩展解决方案

ETH2 是第一次在新的共识机制下全面运行和重建的大型区块链。 这是以太坊迄今为止最雄心勃勃的全系统升级，比如在尝试建造新船的同时试图继续航行。 ETH2 的一个关键方面是以太坊从工作量证明 (PoW) 到权益证明 (PoS) 机制的过渡，这有助于更快地处理交易。

* PoW：在这种共识方法中，所有交易都必须由矿工使用强力计算对区块进行哈希确认。 这保证了网络的安全，但限制了矿工传播区块的速度。 每个新的以太坊区块必须是连续的，不能并行处理。

* PoS：在 PoS 共识模型中，ETH2 允许任意数量的验证器（至少 32 个 ETH）运行验证器，无需昂贵的挖矿设备或维护要求。 此次升级对矿工的交易费用没有影响，交易费用最近占矿工总收入的 50%（见矿工收入图表）。 PoS 通过让参与者更容易访问以太坊来分散以太坊。 出块时间将更加可预测，因为在这个过程中没有像 PoW 链那样的相关波动。 尽管由于分片（或拆分区块链），最终用户的费用较低。 在撰写本文时，已有 360 万个以太币存入 ETH2，价值 70 亿美元，占总供应量的 3%。

分片

分片只是意味着可以将网络分成多个轨道以并行处理事务。 这是水平扩展，类似于在多个服务器上分配计算和存储容量。 每个分片都有自己独立的状态和交易记录。 专用节点处理某些分片的交易，从而提高整体吞吐量。

信标链将 PoS 和分片联系在一起。 它是所有系统级活动的协调者，存储和管理验证器注册表，选择区块生产者，应用共识规则并存储分片状态的数据。 信标链于 2020 年 12 月上线，但目前除了存在之外没有任何活动。 这是允许以太坊在不牺牲安全性的情况下进行扩展的第一步。

与 Plasma 不同，分片是主链的触手，并定期从其分片提交交易的状态根哈希。 应用程序还将直接访问分片中的数据。 与子链和侧链相比，分片确保整个系统是一个聚合体——具有相同的有效性和对数据的访问。 分片也没有任何存款或资金，因为它是主链的一部分。

不是每个人都必须运行每个分片，这意味着不是每个人都需要运行一个完整的 ETH2 节点。 也称为“轻客户端”或轻型节点，这是指受信任的完整节点的区块链副本，但不需要下载整个区块链副本。 轻客户端可以在以太坊分片中发挥重要作用，使验证者能够快速验证和同步不同的分片。

最初的想法是 ETH1 只是众多分片中的一个。 然而，这增加了跨分片交易的复杂性。 这项技术仍在不断发展，并且可能会或可能不会成为迁移到 ETH2 的核心特征，因为以太坊的发展会继续响应市场条件和新技术。 迁移到 ETH2 的最后阶段旨在解锁分片中的智能合约执行能力，预计日期为 2023 年。

以太坊的演变

2020 年 12 月，我们见证了迈向 ETH2 的第一步，信标链的上线。 之后是分片，然后是抽象执行引擎，最后看到了 ETH1 和 ETH2 的合并。 然而，ETH的发展是动态的，迫切需要解决高gas费、扩容和竞争激烈等问题，整合是当务之急。

在合并之前，还会有另外两次技术升级：“柏林”（2021 年 4 月）和“伦敦”（2021 年 7 月）硬分叉。 以太坊改进提案 (EIP) 通常不会受到太多关注，但 EIP 1559 将与其他 EIP 一起包含在伦敦硬分叉中。

EIP 1559 导致矿工和开发商之间的紧张关系加剧。 ETH 挖矿最近非常有利可图，2021 年 2 月的收入达到创纪录的 13 亿美元。 挖矿业反对这一变化是可以理解的，因为挖矿在企业层面是一项资本密集型业务，因此 EIP 1559 会对收入产生负面影响。 然而，网络将根据用户需求而发展，矿工在等式中并不是特别重要。 如果矿工威胁要硬分叉反对它，他们的新分叉将是低价值的，不会被用户采用。 对于新网络下无法复制的 DeFi、wrapped 资产和 NFT 尤其如此。

EIP1559 将通过提高费用的可预测性来帮助减轻费用带来的痛苦。 根据 EIP1559，区块需要最低价格（“基本费用”），该价格将根据需求动态设置。 尽管用户可以将最高费用限制为基本费用和小费的两倍，但这消除了估算用户今天面临的交易费用时的全部猜测。 EIP1559 的主要区别在于，用户的最高手续费与最终基础手续费之间的差额将被退还。 目前，严重高估费用的用户将不会获得退款。 根据EIP1559，如果区块已满，手续费市场将根据最高小费重新拍卖，且不予退还。

这些升级不包括合并 ETH1.x 和 ETH2 所需的更新，但开发人员正在考虑加快该时间表。 此处概述了一个快速合并的提案，只需进行一些更改即可从 PoW 转移到 PoS。 然而，以太坊是否应该考虑再次分叉升级（“上海”在“伦敦”之后大约 3-6 个月升级）或专注于合并仍然存在争议。 通常，治理过程可能需要数月甚至数年才能完成。 EIP 1559 本身于 2019 年 4 月被 Vitalik Buterin 接受，但仅在两年后实施。

综上所述

以太坊是正在进行系统级重建的最有价值的网络。 开发人员谨慎实施这些更改是可以理解的。 在以太坊致力于 ETH2 的同时，该项目同时提供多种技术以提供最佳扩展解决方案。 交付各种缩放解决方案的顺序无关紧要。 DeFi 的繁荣证明了可组合性是成功的关键，并享有网络效应。 同样，扩展以太坊也不是赢家通吃的竞赛。

第 1 层和第 2 层改进带来的可扩展性收益将相互叠加，特别是如果项目可以协同工作以实现可组合的扩展机制。 胜利将是顺利过渡到 PoS 和以太坊，保持其作为去中心化应用程序事实上的智能合约平台的至高无上地位。