Ethereum：以太坊2.0与第2层解决方案的互利共生

如果在过去一年左右一直关注区块链行业，就一定听过以太坊“合并”或第2层解决方案。然而，这些都是相当技术性的概念，导致很多人可能对它们视而不见。在本文中，作者试图提供一个更容易理解的概述，即这些东西到底是什么，以及它们之间的相互关系如何向前发展。

以太坊当前的结构

作为背景，了解一下以太坊当前的结构及其现有的扩展性问题将会很有帮助。以太坊区块链是一个分布式的公共分类帐。可以把它想象成一个大型的开源操作系统(或全球计算机)，在那里人们可以公开构建和交易，而不需要一个中心化的机构。

解释以太坊区块(和拥塞)

在以太坊网络上发生的任何交易都通过“区块”记录下来。例如，如果我想通过以太坊网络向交易对手发送一个代币，该交易将被包含在一个区块中，以便在发送之前获得批准。每个区块通常由许多交易组成，而且这些交易都来自不同的人。一旦一个区块被网络接受，它就会链接到先前接受的区块(在一个数据链中)上，该区块内的所有交易都能通过。区块确认了交易的确切时间和顺序，并被安全地链接在一起，以防止任何区块被更改或在两个现有区块之间插入一个区块，因此'区块链'具有防篡改和不可变的特性。

当我们开始探索区块的审批过程时，事情变得更复杂。每个区块由以太坊网络上的“矿工”组装(或开采)，交易的人向他们支付一定数量的“gas”。可以把gas看作是交易费用或计算交易的成本。

每个区块的大小最终决定网络上一次可以发生多少交易，它由网络的区块gas限制决定。截至撰写本文时，以太坊的平均区块大小为3000万单位的gas。换句话说，一个区块只有在其所有交易消耗的gas总量小于3000万单位的情况下才有效。这意味着，如果网络繁忙，并不是所有待处理的交易都可以在一个区块中结束(因为每个交易都需要gas，并且会超过限制)，网络就会变得拥塞。

以太坊平均gas限制图表显示了以太坊网络的历史每日平均gas限制（2016年至今）。与最大区块大小为 1 MB 的比特币不同，以太坊在技术上没有最大区块大小（矿工可以集体增加或减少以太坊的区块gas限制）。然而，限制每个区块消耗的gas有助于管理以太坊区块链的增长以及运营矿工或节点的成本。

图片来源：Etherscan

简而言之，这种拥塞是当前以太坊网络难以扩展的一个例子。“合并”是以太坊2.0的一部分，旨在提高网络的速度、效率和可扩展性，从而避开瓶颈，同时处理更多的交易。目前的网络每秒可以处理30笔交易，而以太坊2.0承诺每秒可处理10万笔交易。

合并/以太坊2.0

以太坊2.0升级是对以太坊区块链的一个多阶段升级，旨在通过对网络基础设施的一些更改来提高网络的可扩展性和安全性——最显著的是，通过从工作证明(PoW)共识机制到权益证明(PoS)模型的转换。关于模型之间区别的更多细节将很快公布。

首先，合并并不是推动以太坊2.0升级的唯一事件。升级是由不同的部分组成的，合并是其中的一部分(尽管是重要的一部分)。三个主要组成部分为：(i)信标链升级，(ii)合并，(iii)分片。从技术上讲，这涉及到更多的升级，但这些相对较小的升级旨在确保网络的平稳运行，并将与其他升级并行实施。

推动以太坊 2.0 升级的三个主要组成部分。

每一个部分都是以太坊网络向PoS模型过渡过程中的一个独特部分。信标链于2020年12月1日首次推出，并将权益证明引入到以太坊生态系统。该链作为一个独立的区块链存在，目前不处理以太坊主网(“主网络”的简称)上的交易。然而，信标链很快将与主网合并，成为所有以太坊网络数据的共识引擎，包括执行层交易。这种使用信标链(权益证明)作为以太坊上区块生产引擎的官方转变就是合并所代表的。

让我们打个比方。想象以太坊是一艘还没有准备好进行星际航行的飞船。有了信标链，社区就相当于建造了一个新的引擎和一个坚固的船体。经过重要的测试后，为飞行中的把旧引擎换成新引擎。这将把新的、更高效的引擎与现有的飞船融合在一起，准备投入一些光年的时间，并占领整个宇宙。- Ethereum.org对合并的类比，新引擎是信标链(权益证明)，旧引擎是工作证明，宇宙飞船是以太坊。

以太坊2.0升级的第三个主要组成部分是分片链，它将在扩展以太坊网络中发挥关键作用。许多人普遍存在的一个误解是，以太坊网络将在合并后立即扩展并变得更加高效。然而，直到分片的引入(预计将在2023年某个时候实现)，这些扩展效应才会开始发挥作用。

分片实质上是将以太坊的整个网络分割成更小的片，称为“分片”，以努力提高网络的可扩展性。与将所有操作集中在单个区块链上不同，分片链将这些操作横向分布在64个新的/迷你区块链上。通过划分负载，每个验证者将不再需要处理整个网络上的所有交易。与现有的工作证明模型相比，这既可以减少网络拥塞，又可以增加网络上每秒的交易量。

工作证明(PoW)与权益证明(PoS)

到目前为止，以太坊网络通过工作证明得到保护。这个模型在前面介绍过，除了其他特性外，还包括用于验证区块的矿工。然而，在合并之后，挖矿(工作证明)将不再是在以太坊网络上产生有效区块的手段。相反，信标链的权益证明验证者将承担这个角色，并将负责处理所有交易的有效性。

PoS模式与PoW模式有何不同？简而言之，就是不用让矿工验证区块，而是让以太坊的所有者在以太坊的智能合约中质押。正是这些涉众(也称为验证者)负责检查通过网络传播的新区块是否有效。

为什么要转向PoS模式？原因有几个。其中最主要的是该模型对分片来说更安全，如上所述，分片将在扩展以太坊网络中发挥关键作用。

分片将网络分解为多个部分，尽管这种结构可能会增加可扩展性，但它也会使网络中的任何特定分片更容易受到攻击。攻击网络中任何特定的分片(类似于迷你区块链)只需要积累一小部分哈希率，否则就需要控制没有实现分片的整个区块链。此外，通过PoW，矿工可以具体选择攻击哪些分片(更严格地说，他们可以选择在哪些分片贡献其哈希能力)。因此，PoW矿工可能会相互勾结，集中精力在一个分片上，试图获得控制权。如果矿工接管了一个分片中的大多数区块生产者，他们就可以冒着破坏网络的风险操纵它。PoS，通过不允许验证者选择他们想要处理的分片来减轻这种风险。相反，验证者被随机分配给单个分片，这降低了质押者之间相互勾结的机会。

“很重要的一点是，验证者在分片之间的重组非常频繁(甚至可能是每个区块一次)，所以实际上很难针对一个特定的分片进行攻击。这是分片在打破三难困境方面取得至少理论上的成功的很大一部分原因。——Vitalik Buterin在2018年发表了关于权益证明如何帮助缓解分片带来的安全漏洞的演讲。

与工作证明共识机制相比，权益证明模型的能耗更低、更去中心化、更安全。

能源消耗——PoS有效地替代了计算能力。不再需要在工作证明计算上使用大量能量来进行挖矿。

去中心化——PoS模型通常需要网络上更多的计算机和参与者(即节点)来审查和批准交易，这使得它比PoW模型更加去中心化。

安全性——除了PoS通过分片更好地抵御51%攻击外，该模型还对验证者攻击有很大的抑制作用。这在很大程度上是因为确保PoS网络安全的验证者必须在协议中投入大量ETH(截至撰写时为32个ETH)。如果这些验证者试图攻击网络或行为不诚实，协议可以自动销毁他们的关联ETH。

在可扩展性方面，以太坊2.0有很高的目标。然而，我们距离这些升级完全生效还有一段时间。在此期间，是否有办法让以太坊网络实现可扩展的目标呢?接下来将讨论第2层解决方案。

第2层解决方案

扩展区块链的主要目标是在不牺牲去中心化或安全性的情况下提高交易速度(更快的最终性)和交易吞吐量(每秒高交易数)。从两种角度考虑扩展是有帮助的——链上扩展和链下扩展。

链上扩展（第1层；L1）

链上扩展涉及对第1层网络的更改或升级。就以太坊的情况，这将涉及到以太坊主网的更改，这是在网络上处理和敲定交易的地方。还有很多其他的第1层，包括Solana， Cardano和Avalanche，每个都有自己独特的特征和目的。

对第1层进行更改可能是一个极其复杂的过程，通常需要进行大量的工作。由于技术的限制，某些变化或升级甚至接近不可能。以以太坊升级到权益证明(proof-of-stake)为例，以太坊的升级经历了多年的发展，目前还尚未完成。

鉴于这些复杂性，链下扩展已成为扩展网络的另一种方式。

链下扩展（第2层）

与链上扩展不同，链下扩展不需要对第1层网络进行任何更改。这些解决方案是建立在现有的第1层(如以太坊)之上或旁边，并作为一个可以独立于主网进行交易和处理事务的地方。通过将第1层的大部分处理负担转移到这些链下网络，主网就可以在不牺牲可扩展性的情况下专注于安全性等其他问题。为了简单起见，术语“第2层”将用于指代本文中所有的链下扩展解决方案。

因为存在各种类型的第2层，使得理解每个解决方案的细微差别成为了一个挑战。

例如，在以太坊环境中，第2层的一个特性是这些解决方案如何获得其安全性。一些第2层， Optimistic rollup，zk-rollup，和state channel直接从以太坊主网(即第1层)获得其安全性。在这一类中，rollup成为主导的扩展解决方案，目前Arbitrum和Optimism大概获得了近20亿美元(两者都是 Optimistic rollup)。

还有侧链、validium和plasma链。这些第2层解决方案涉及创建新的链，这些链的安全性独立于以太坊主网。Polygon是一个在这个类别中很受欢迎的第2层的例子。到目前为止，Polygon已经锁定了将近20亿美元的总价值，并支持流行的Web3游戏和应用程序，如Zed Run和Quickswap。虽然不尽相同，但第2层可以将以太坊的gas费用降低10-100倍，每秒处理数千笔交易(与以太坊基础层当前每秒处理15-45笔交易形成对比)。

尽管复杂，但拥有各种各样的第2层解决方案有助于减少以太坊网络任何一部分上的整体拥塞，还可以防止单点故障。第2层也可以针对不同的用例进行优化(DeFi，NFT，游戏等)，因此生态系统作为一个整体可以从多样化的设计中受益。

以太坊2.0和第2层解决方案能共存吗?

让我们花点时间来思考一下以太坊2.0升级的目的以及构建在以太坊网络上的现有第2层解决方案。它们的核心都致力于解决同一个问题——可扩展性。

构建第2层解决方案主要是为了解决以太坊基础层上出现的瓶颈。然而，一旦以太坊2.0启动，如果构建成规模的基础层本身的效率呈指数级提高，那么第2层的目的是什么？第2层会因此被淘汰吗？

要回答这个问题，有助于我们反思以太坊的愿景，那就是让以太坊成为主流，服务全人类。这是一个宏大的愿景，需要扩大未来规模，考虑到超过4%的总人口拥有加密货币。即使以太坊2.0升级能够显著扩大网络的吞吐量，它是否能够支持未来世界的数十亿潜在的每日加密用户而不变得拥塞仍然是一个疑问。

因此，以太坊2.0与其现有的第2层解决方案之间的关系可能是共生的。这意味着不同的可扩展性解决方案可以和谐地工作，从而对未来的交易速度和吞吐量产生指数级的影响。以太坊为实现其愿景而计划的正是这些综合效应，而不是其中之一。

“这不是‘rollup不是sharding’，而是‘rollup在sharding之上’。也就是说，rollup已经出现或即将出现，甚至会在分片之前，没有分片的rollup仍然可以提供100倍的吞吐量提升。—摘自Vitalik Buterin关于以太坊规模的Twitter帖子

因此，除了分片之外，从每秒15-45个交易(TPS)大幅增加到100,000 TPS也考虑到了第2层解决方案，因为这些都是乘法效应。例如，如果第2层增加了大约100倍的吞吐量，而分片增加了大约64倍的吞吐量，那么在分片之上的第2层提供了约 6400 倍的吞吐量增加。这些综合效应可能会使网络扩大规模，并满足未来更高的需求。

以太坊社区中的其他人也表达了关于以太坊2.0和现有第2层解决方案之间未来关系的类似想法。

“随着以太坊L1变得更高效，L2也将变得更高效，同时保持当前的附加优势。——Alan Chiu，Boba Network的CEO/创始人

“即使在合并之后，为了真正被主流采用，我们将需要尽可能多的扩展解决方案。——Ahmed Al-Balaghi, Biconomy联合创始人

最后，以太坊2.0的升级无疑会对第2层解决方案的感知和整体效用产生影响。然而，以太坊正在考虑和扩展一个比现在有更多需求的未来。如果这一愿景得以实现，那么第2层扩展解决方案将继续在生态系统中长期发挥重要作用。