以太坊2层扩容解决方案：破茧成蝶的魔法

区块链通过利用以下概念真正改变了加密货币和传统金融世界：

去中心化服务（Defi、DEX、DApp)

通过智能合约规则进行安全和无权限/无信任交易。

比特币、以太坊、Cardano、Solana、PolkaDot、ChainLink、Polygon(Matic)等等，加密技术在投资者、零售商和交易商群体中看到了巨大的增长。但目前，加密日趋流行也导致了许多技术层面的挑战，需要由开发者社区来解决，特别是当涉及到以太坊时，它是主要的底层区块链技术，为数百个在它上面搭建的去中心化应用程序服务。

而Defi生态系统的成功和崛起正是 ETH 2.0 诞生的真正催化剂。

为什么以太坊需要扩容？

传统的加密项目，在速度和可扩展性方面面临很多问题。比特币网络目前的处理量大约 3-7 个 TPS ，而以太坊 1.0 则为 10-15 个TPS，而 Visa 则有着处理量大约在 20000 TPS的电子支付网络。

比特币区块链网络选择了牺牲速度，来保证安全性以及去中心化，以确保每笔交易都由一个庞大的采矿节点网络进行开采、分发和验证。这个过程需要很长时间，且难以扩展。区块链技术的「不可能三角」已经困扰了人们许久，但好消息是，现在区块链系统中有多个2层扩容解决方案，其旨在克服底层网络在速度和扩展性上的限制。

现在有哪些流行的2层扩容解决方案？

2层扩容解决方案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（加快处理速度）和交易吞吐量（高TPS）。

这些解决方案通常被称为建立在主链之上的2层协议，这些2层扩容解决方案在增加吞吐量的同时，不会篡改任何原始的去中心化或安全特性，这些都是原始区块链的组成部分。

目前有多种二层扩容解决方案可用，其中包括：

State Channel

Rollup

侧链

平行链

分片

让我们逐一简单地讨论一下。

State Channel：

当涉及到管理支付交易时，State Channel(状态通道)有助于提高网络效率。它通过允许多个相关用户账户使用直接通信渠道进行加密货币交易来完成这一点。

比特币的闪电网络是使用State Channel的主要例子之一。

这些通道处理多个交易，但只有初始化和结束交易状态被记录在给定区块链网络的主链上。

Trinity 是支持以太坊、比特币和 Neo 区块链网络的 State Channels 实现的另一个例子。

Rollup：

这是另一种扩容方案，它在主链（第1层）之外执行交易，但一旦交易通过，交易数据就会记录在第1层。由于交易数据位于第1层，这使得 rollup 可以利用第1层的不可篡改性作为安全屏障。

Rollup的三个关键属性：

交易执行发生在第1层之外

交易的数据或证明位于第1层

一个 Rollup 的智能合约（位于第1层）可以通过使用位于第 1 层的交易数据在第 2 层强制执行正确的交易。

这些 Rollup 有助于区块链实现：

低交易费用

高度开放性

快速的交易吞吐量

Rollup 的类型：（基于安全模型）

零知识 Rollup（即 Zk-Rollup） ：在链外运行计算，并向链上提交一个有效性证明。

Optimistic rollup ：假设交易在默认情况下是有效的，只在出现问题的情况下通过欺诈证明运行计算。

侧链：

侧链是一个独立的区块链，它与主链（以太坊、比特币等的主网）平行运行，可以作为一个解耦实体自由运行，有自己的行为和属性。

侧链具有自己的共识算法，如委托权益证明、拜占庭式容错等。它们通常会使用双向桥或 2-way peg(TWP) 连接到给定区块链网络的主链( mainnet )。

侧链的 TWP 协议允许加密货币资产从主链转移到需要一定程度的第三方信任才能运行的二层链上。

目前主要的侧链用例：

Plasma 侧链：用于以太坊网络

Liquid 侧链：用于比特币网络

Plasma链：

Plasma链是一个解耦的区块链，它与主链绑定并使欺诈证明（如 Optimistic rollup） 来仲裁争议。

Liquid 侧链：

它附属于比特币的主链，其主要目的是通过将一些验证和交易处理过程加载到另一个子区块链上来解决可扩展性问题。

这使得主链能够处理更多数量的交易，并扩大主网络的规模。

平行链:

Parachain 的名字来自于与中继链平行运行的平行链的概念。Parachain 主要用于 Polkadot 网络，并在该系统中得到推广。

由于它们的并行性质，它们能够将多个交易处理并行化，并实现所需的可扩展性。由于分布式工作负载，它能以更高的效率处理交易。

Parachain 共享整个网络的安全性，并可以与其他 parachains 进行交互，通过跨链消息传递（XCMP）。

跨链交易使用基于 Merkle 树的简单排队机制来解决，以确保安全性（信任）。但者平行链依旧可以独立行动，以解决他们的具体应用案例，这也是 Polkadot 系统背后的核心理念。

分片：

分片是一种常见一层的扩容解决方案，它涉及到将网络分割成不同的分区，称为分片。这些分片被赋予不同的工作负载集来执行，这最终会有助于扩展网络的能力，以大规模地执行交易。

分片有助于在 P2P 网络上分散工作负载，从更多的区块链节点带来更多的计算能力，这有助于加快区块生产过程。

这种1层扩容解决方案可以帮助减少网络的延迟，因为它将区块链网络分割成独立的分片。然而，分片也有一些安全漏洞，分片相对于整个网络而言更容易受到攻击，这一点需要考虑进去。

时下热门的扩容解决方案：

以太坊2.0

Polygon (前身 Matic Network, Ethereum 2层扩容协议)

Loopring (一个使用 zkRollup 的去中心化交易协议)

Harmony ( 可互操作的以太坊第二层扩容解决方案 )

OMG网络 (二层扩容解决方案)

PolkaDot (分片&平行链）

为什么需要多种扩容方案？

多种扩容解决方案使网络在处理高流量需求情况下有更高的可靠性。它们能确保速度和最大的可用性。

不同的解决方案可以共存，功能和谐，允许对未来的交易速度和网络吞吐量产生指数级的影响。

以太坊 2.0 正在使用一套这样的扩容解决方案，没有一个解决方案足以满足其更宏大的 2.0 愿景。

另外，多种扩容解决方案确实支持多种共识机制，可以根据具体的使用情况来使用最合适的方案。