区块链学堂｜什么是Layer2

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以太坊扩容问题

2020年的天猫双十一，根据阿里云公布的数据，订单创建峰值达到了每秒 58.3 万笔，是 2009 年第一次“双11”的 1360 多倍。这就是中心化系统的优势。

相比之下，去中心化的区块链技术，在性能上就显得相形见绌了：比特币区块链每秒只能处理大约7 笔交易，以太坊区块链每秒能处理约十几笔交易，当初打着“百万 TPS”旗帜的 EOS 区块链在测试中的最高 TPS 也只有四五千，平时运行时的 TPS 只有两位数。

当前DeFi项目热度依旧不减，算得上是ETH落地的最好应用之一，而扩容性这么差，当前的ETH网络明显不能满足如此大规模的应用部署。因此ETH网络的扩容问题就显得迫在眉睫。当然，V神和ETH官方团队很早就发现了这个问题，也一直在致力于解决这个问题。

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Layer2

为了解决以太坊网络的性能问题，在以太坊网络的基础上，诞生了Layer2 这一概念。Layer1来保证安全和去中心化，绝对可靠、可信；它能做到全球共识，并作为“加密法院”，通过智能合约设计的规则进行仲裁，以经济激励的形式将信任传递到Layer2 上，而Layer2追求极致的性能，它只能做到局部共识，但是能够满足各类商业场景的需求。

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Layer2的几种扩容方式

目前以太坊上的NFT主要有两个标准来定义：ERC721和ERC1155。

以太坊2.0预期数年的落地周期、几经更张的路线图以及备受争议的迁移成本，单是ETH + DeFi的市值就已然是一个近800亿美金的经济体，使得这项“脱胎换骨”的大升级仍面临重重迷雾。

与此同时，以太坊社区已然涌现出Rollup、Plasma、Validium等为代表的多种Layer2方案，它们或在可扩展性上相较2.0主打的分片概念更具优势，或在实现周期上更为可期，亦或在工程难度上更为友好。

下图为对当前已有的六种Layer2解决方案的对比优劣势分析以及用例生态描述：

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Rollups——目前最为主流的扩容方案

在了解到以太坊2020年11月18日的社区会议后发现，以太坊核心开发团队目前已经确认了Layer2方案Rollup的优先级应当高于原定的分片思路，在这里我们以目前比较火热的Rollups为例，对以太坊的扩容方案进行介绍：

Rollups是目前最为主流的扩容方案，其本质是将原本分布在区块中的大量交易数据，打包成一笔集合的交易，发布到链上。为确保其中每笔交易的有效性，各种 Rollup 方案设计了不同的机制以确保整个过程的安全性与 Layer 1 保持一致。这个解决方案又可进一步细分为：ZK rollups、Optimistic rollups。ZK Rollup 以零知识证明 zk-SNARKs 的密码学技术确保安全性，而 Optimistic Rollup 则继承了 Plasma 的惩罚机制，以确保节点如果作恶将付出很大的代价。

（1）ZK rollups

优势：可以支持支付以及DEX

缺点：耗内存和CPU/无法支持智能合约

ZK rollups是指通过智能合约将数百个链下交易打包到一个单独的交易中，数据提交以后，智能合约可以确认全部的交易，这也被称为有效性证明。由于区块包含的数据更少，因此验证速度更快，验证成本更低。

使用 ZK rollups 的侧链同样可以降低交易大小，例如，一个账户使用的是指数而不是一串地址，这可以将交易大小从32字节减少至4个字节。

zk Rollup 是一种新型的 Layer 2 扩容方案，该技术的核心思想是：

将主链作为存储媒介，而非共识引擎 ；

将交易压缩，并在链下达成状态共识 ；

用零知识证明保证链下状态共识的安全性。

目前，zk Rollup 最典型的应用场景是去中心化的交易所。

简单来说， ZK Rollup 就是数据放在链上的 Layer 2 解决方案，采用这一技术的典型项目有路印协议、Matter Labs等。

宣布采用 ZK Rollup 方案的项目目前并不多，但是路印去中心化交易所是当前 Rollup 项目中开发进度最快的一个，早在 2 月底就已经上线以太坊主网，开始了公开测试。

到底可以减少多少链上的交易成本呢？路印给出了重要的实际数据，在他们采用的方案中，批量处理 4096 笔交易时，只需要 375 Gas。也就是在正常的 Gas 费用下，每次交易成本为 0.09 分人民币（注意单位），换句话说，100 万笔交易的成本大约为 900 元。

（2）Optimistic Rollup

优势：可以支持通用的智能合约

缺点：需一到两周时间去跑证明

Optimistic Rollup 是一种在 Layer2 上使用 OVM （Optimistic Virtual Machine）扩展以太坊通用智能合约的技术。OVM 的功能很齐全，可以与以太坊虚拟机兼容执行环境，其主要用于第 2 层系统。它的外观，感觉和行为非常类似于以太坊主链。Optimistic Rollup 的构造大量借鉴了 Plasma 和 ZK Rollup 设计。但某种程度的在扩展性上进行了权衡，以允许在受 Layer 1 保护的 Layer 2 中运行完全通用的智能合约。

注：1.以太坊虚拟机：EVM （Ethereum Virtual Machine）

Optimistic Rollup继承自 Plasma 的「欺诈证明」，默认「乐观地」（Optimistic）相信节点会将最新且准确的数据发布到主链上，所以从安全性来说，会略低于主网。虽然本金丧失风险很低，但可能会付出时间成本（退出期较长）。

这一技术的特性概括如下:

默认交易速度为 100 TPS。

使用 BLS 签名聚合时，此数字最多可以达到 500 TPS。

如果 EVM 兼容性受到破坏，则吞吐量理论上可能会增长到 ZK Rollup 的极限。

实际吞吐量上限（令牌传输）：500 TPS。

这一领域的代表项目是Optimism、Fuel Network等。