一文讀懂Layer 2_LAYER:ROL

Layer2指基于底層區塊鏈的鏈下網絡、系統或技術，目的是為了擴展底層區塊鏈網絡。Layer2網絡可以提升任何底層區塊鏈的吞吐量以及其他性能。Layer2網絡、系統或技術的核心價值是能夠利用底層區塊鏈的安全性。其交易數據必須以某種形式被底層區塊鏈網絡驗證并確認。按照這個標準來看，側鏈就不屬于Layer2，因為側鏈通常會部署自己的共識機制和驗證節點，因此擁有獨立于底層區塊鏈的安全機制。一些區塊鏈為了保障去中心化水平和安全性而犧牲了可擴展性，這類區塊鏈可以利用Layer2來提高交易吞吐量，并降低交易成本。Layer2是解決可擴展性問題的方案之一，無需犧牲去中心化水平或安全性就能快速執行交易并實現可擴展性。對Layer2的需求

區塊鏈技術誕生于2008年。自那以來，上千名研究者和開發者一直致力于解決區塊鏈可擴展性的瓶頸，以滿足不斷增長的應用需求。這些瓶頸導致交易成本居高不下，執行速度慢，并成為了區塊鏈技術主流化的絆腳石。以太坊聯合創始人VitalikButerin首次提出了“區塊鏈不可能三角”的概念，認為區塊鏈無法同時兼顧可擴展性、安全性和去中心化三個維度。開發者不得不在這三者之間進行取舍。如今的區塊鏈網絡最多只能同時滿足其中兩個維度。

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Layer2是一種新興技術，其主張區塊鏈之所以會在可擴展性方面存在限制，是因為區塊鏈需要完成的任務過多。當前區塊鏈有三個核心功能，即：執行交易、數據可用性以及達成共識。執行交易——處理并完成交易。衡量指標是區塊鏈每秒可以完成的計算次數。數據可用性——網絡中的節點和驗證者需要儲存交易、狀態以及其他數據。衡量指標是標準存儲單位，比如MB和GB等。達成共識——節點和驗證者需要針對網絡狀態和交易排序達成共識。衡量指標是去中心化水平和終局速度，或所有節點針對某一狀態變更達成一致意見所需的時間。注：本文將聚焦交易執行層。若想全面了解區塊鏈的擴容方案，請閱讀這篇關于區塊鏈可擴展性的博客文章。L2解決方案的運行機制

注：大多數Layer2解決方案仍處于早期階段，其中許多要素還有待驗證。Layer2解決方案大致可以分為兩個部分：一個是負責處理交易的網絡；另一個是部署在底層區塊鏈上的智能合約，負責解決任何分歧，并將Layer2網絡達成的共識傳輸到底層區塊鏈進行驗證。Layer2網絡上可以快速執行交易并開展計算。不同網絡會通過完全不同的方式提升交易吞吐量。但這些Layer2網絡有一個共同點，那就是在結算時都會向底層區塊鏈提交某種可驗證的加密證明，以證明狀態變更的真實性。有些Layer2會提前創建證明并提交至底層區塊鏈，而另一些則是之后再創建追溯性的證明。另外，不同Layer2網絡在底層區塊鏈上的智能合約實現方式也有所不同，但智能合約的核心功能是一樣的，即：保存并釋放資金，轉賬至Layer2；收到Layer2提交的證明，進行驗證，解決分歧，并最終確認交易。為了更好地理解這兩種機制，我們可以探討目前的兩種Layer2實現方案，即：支付通道和rollups。支付通道

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兩個或以上用戶可以預先向通道中充值資金，然后在鏈下進行通證轉賬。Alice和Bob分別在智能合約中鎖定一筆資金，創建支付通道，并通過加密簽名技術約定雙方可以使用多少資金。比如，雙方各鎖定50美元，因此支付通道里的資金總額為100美元。那么他們很可能會協議每一方可以使用50美元。一旦建立了支付通道，Alice和Bob都可以通過簽名消息在鏈下進行交易，無需向底層區塊鏈提交交易。Alice可以向Bob付款，Bob也可以向Alice付款，無需任何成本也不存在延時。在這個雙向支付通道中，Alice和Bob的交易不會發送到底層區塊鏈。只有當雙方都決定關閉通道時，最終交易結果才會被發送至鏈上進行結算。因此，最終Bob和Alice只需要在創建和關閉支付通道時支付兩筆鏈上交易費即可。當支付通道開通時，幾百萬美元的轉賬可以在不到一秒的時間內完成，而且無需任何成本。這就是解決區塊鏈擴容問題的經典案例。

支付通道可以實現零成本的高速交易。Rollups

Optimisticrollups和zk-rollups可以在鏈下執行智能合約狀態變更，并在鏈上進行驗證，以此提升區塊鏈的吞吐量并降低成本。Rollups可以通過以下三種方式實現擴容：1.Rollups在鏈下執行交易，底層區塊鏈只需計算輕量化的交易證明，驗證網絡活動并儲存原始交易數據。2.Rollups將交易數據打包，并提交至區塊鏈，鏈上gas費可以分攤到各個交易中。3.Rollups最少只需要一個誠實的驗證節點，就可以向底層區塊鏈證明交易的有效性，因此對驗證節點的數量要求較低，而對節點硬件要求較高，同時不會對安全性有很大影響。鏈下執行

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rollups的一個關鍵特質就是在鏈下執行交易。這意味著Layer2網絡可以代替底層區塊鏈處理與其他用戶或智能合約的交易。由于驗證節點數量較少且硬件更強大，這將大幅提升Layer2網絡相較于底層區塊鏈的交易吞吐量。底層區塊鏈只需要計算提交至智能合約的證明，就可以驗證Layer2網絡中的活動（注：如果是optimisticrollups的話，只有當分歧出現時才需要驗證),并將未執行的原始交易數據作為calldata儲存起來。簡而言之，區塊鏈不再需要執行那么多計算任務，也不需要儲存那么多Layer2上的交易數據，因此可以降低每筆交易的成本。打包交易

另外一種降低成本的方式就是將交易打包。你可以把這想象成是送禮物。在區塊鏈上，每筆交易都是一個單獨的禮物，被放在不同的盒子里。這樣一來運費就會非常高，因為每寄出一個禮物就需要支付一筆運費。而rollups則是將許多禮物放到一個大盒子里，只需付一次運費即可，每個禮物可以分攤運費。如果要用更技術性的語言來解釋，那就是rollups將原始交易數據打包成calldata。Rollup交易的驗證方式與鏈上交易不同，交易數據被打包只是為了將數據儲存在底層區塊鏈上，驗證節點或rollup參與者如果有需要的話隨時可以重建Layer2網絡的狀態。然而，核心邏輯仍然沒有改變，即：主鏈上的一個打包交易中儲存了多筆rollup交易。

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這樣可以有效降低交易成本，并為區塊鏈擴容掃清障礙。而將數據壓縮還可以進一步降低交易執行成本。Zk-rollups和optimisticrollups使用同樣的方式打包交易。減少驗證節點數量

正如上文所述，Layer2可以利用底層區塊鏈的安全保障和去中心化水平，我們下文中會詳細闡述。但這里的核心概念是，Layer2必須向底層區塊鏈提交某種證明，以證明其發起的狀態變更是有效的。因此，rollups就可以減少Layer2網絡中負責執行交易的驗證節點數量。驗證節點可以是獲得許可的實體，這些節點通常擁有更強大的硬件，以更快的速度和更低的成本來計算交易。之所以能做到這一點，是因為驗證節點不負責達成共識，共識是由底層區塊鏈達成的，底層區塊鏈上的智能合約需要驗證Layer2提交的證明。證明對于Layer2的安全性至關重要

“證明”對于Layer2來說至關重要，因為Layer2需要通過提交證明來利用底層區塊鏈的安全保障。在現實世界中，證明可以是多種形式的，比如武器上的指紋或者監控錄像都可以是證明。加密證明也差不多，只是內容比法庭上的證據更客觀。利用加密技術來證明某事，可以保障其客觀性、可驗證性以及防篡改性。如果證明有效，那就可以百分之百保證真實性。比如上文提到的支付通道，對交易附上加密簽名就可以為智能合約提供確定性的權威事實，解決任何分歧。每個Layer2網絡都需要提供某種加密證明，以解決底層區塊鏈上的分歧。如今最主流的兩種證明方式是錯誤性證明以及有效性證明。這兩種證明方式是optimisticrollups和zk-rollups的底層技術。支付通道簽名消息

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假設在關閉支付通道時，Bob或Alice發起惡意攻擊，并試圖取走不屬于自己的資金。他們中任何一個人都可以向智能合約發送一個之前版本的支付通道“賬本”。支付通道的關鍵是每筆交易都必須附上加密簽名。這可以為底層區塊鏈上的智能合約提供證明，以解決分歧。比如，如果Alice提交了過期的賬本副本，拿走了不屬于她的那部分錢，那么Bob就可以對結算交易發起挑戰，并提交最新的賬本副本。然后，智能合約就可以判定正確的金額。而且Alice還會因為不誠實的行為被罰款。由于底層區塊鏈智能合約會進行裁決，因此支付通道也是一種Layer2方案。一個簡單的評判方法就是看有沒有“證明”。支付通道創建后，Bob和Alice都必須對他們發起的每一筆交易附上簽名，并儲存一份對方的簽名。這就是支付通道中交易的證明。但光有證明還不夠，還需要執行事實，這很像法官在得到證據和陪審團審議結果后做出裁決的過程。同樣地，智能合約也會執行判決結果，將正確的金額打到各方在底層區塊鏈上的錢包中，以進行結算。這就是上文中提到的“利用底層區塊鏈的去中心化水平和安全保障”。支付通道將大部分計算和執行都放到鏈下處理，但在最后結算時，還是會利用底層區塊鏈強大的共識層來作出最終裁決。OptimisticRollups的錯誤性證明

錯誤性證明其實很簡單。采用這種證明方式的Layer2網絡會默認所有交易都是有效的。然而，網絡會設置一個挑戰期，任何參與者都可以發起挑戰，并向智能合約提交證明，表明交易數據或狀態變更是錯誤的。當錯誤性證明發布后，rollup交易會部分或全部在鏈上重新計算一遍，最終的狀態變更會跟原來的結果進行比較。如果重新計算的結果不一樣，原來的結果將被認為是無效的，并被撤回。這就是目前optimisticrollups采用的機制。“optimistic”中文意思是“樂觀的”，其代表了一種樂觀的哲學視角，即：智能合約“樂觀地”默認所有交易都是有效的，除非有人提出異議。回到剛剛說的那個不誠實驗證節點的例子。任何網絡參與者只需要在挑戰期內向智能合約提交有效的錯誤性證明即可，一旦證明無誤，驗證節點的行為就會作廢。

Optimisticrollups采用了錯誤性證明來保證終局的交易可以正確地反應Layer2網絡中的交易活動。zk-rollup的有效性證明

有效性證明則是另一種截然不同的哲學視角，默認所有計算結果都是存疑的，必須先被證明才能接受。簡而言之，有效性證明的作用是證明某件事是正確的。對于zk-rollup來說，證明的就是Layer2網絡中的交易和計算。因此，底層區塊鏈上的智能合約可以驗證Layer2網絡提交的有效性證明，以批準狀態變更。對于驗證節點來說，功能完備的zk-rollup將不允許任何錯誤的交易在底層區塊鏈上結算，因為每一批交易都必須附上相應的有效性證明。

有效性證明可以主動證明Layer2網絡交易的有效性區塊鏈擴容方案

支付通道、rollups和Layer2都屬于區塊鏈擴容方案，都具有長遠潛力，可以為Web3應用發展提供助力，并提升用戶體驗。Layer1和Layer2等大多數Web3技術棧都才剛剛起步，還需要不斷發展。這些技術目前還沒有達到爆發點，仍需要經歷一系列實戰檢驗來證明自己。然而，無數開發者和研究者都在通過不懈努力擴展區塊鏈生態并開發DAG和Layer2方案，以推動Web3實現主流應用。

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