區塊鏈邁向普及應用的挑戰，詳解 Layer 1 、側鏈及 Layer 2 擴展方案的發展與挑戰

原文標題：《Scaling Ethereum & crypto for a billion users》
作者：Justin Mart & Connor Dempsey

截至 2021 年底，以太坊（Ethereum）已經發展到支持成千上萬個應用，包括去中心化金融（DeFi）、NFT、遊戲……等，整個網路每年結算數兆美元的交易，平台上鎖定的資金超過 1700 億美元。
但俗話說，錢越多，問題越多，以太坊的去中心化設計最終限制了它能處理的交易量，每秒大約只能處理 15 筆交易，由於以太坊的受歡迎程度遠遠超過了每秒 15 筆交易的負荷量，產生漫長的等待時間和每筆高達 200 美元交易費用，最終，該價格讓許多用戶放棄使用以太坊，並限制了該網路目前可以處理的應用類型。
如果基於智能合約的區塊鏈要發展到支持數十億用戶的金融和 Web 3 應用，就需要有擴展的解決方案，值得慶幸的是，最近有許多提議的解決方案正陸續上線當中。

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競爭還是互補？

這些解決方案的目標是幫助開放的智能合約平台增加可處理的交易數量，同時保留充分的去中心化。記住，通過一個由單一實體管理的中心化解決方案來擴大智能合約平台的規模是容易達成的（Visa 可以每秒處理 45,000 筆交易），但那樣就會讓我們回到一開始的部分：一個由少數強大的中心化參與者擁有的世界。
為解決這個問題而採取的方法有兩個部分：建立能處理更多活動的全新網路與以太坊競爭，或建立可以處理以太坊過量產能的補充網路，大致上它們分為幾類：

第 1 層區塊鏈（Layer 1 blockchains）：與以太坊競爭
側鏈（Sidechains）：對以太坊有一定的互補性
第二層網路（Layer 2 networks）：對以太坊的補足

雖然每一種在架構和方法上有所不同，但目標都是讓用戶實際使用網路的時候，例如：與 DeFi、NFT 互動，無需支付高昂的費用或經歷漫長的等待時間。

第一層區塊鏈（Layer 1）

以太坊被認為是第一層區塊鏈，一個獨立的網路，確保用戶資金安全，並在一個地方執行交易，想要使用 Uniswap（UNI）這樣的 DeFi 應用程式將 1000 顆 USDC 換成另一種穩定幣 DAI 嗎？以太坊是可以達到這一切的地方。
其他競爭的第一層區塊鏈以一個全新的網路做到了以太坊可達成的一切，與以太坊區別在於新的系統設計，能夠實現更高的吞吐量，從而降低交易費用，但通常代價會是中心化程度的提高。
在過去的 10 個月裡，新的 Layer 1 紛紛上線，這些網路的總價值在同一時期內從 0 美元飆升至約 750 億美元，這個領域目前由 Solana（SOL）、Avalanche（AVAX）、Terra（LUNA）和 Binance Smart Chain（幣安智能鏈）領先，每個生態系統都在不斷增長，其價值已經達到 100 億美元以上。

領先的非以太坊 Layer 1 項目之總鎖倉價值（TVL）

所有的 Layer 1 都在競爭，如果沒有任何以太坊的工具和基礎架構讓開發者和用戶輕鬆地建立和使用應用程式，發展上是很困難的，為了彌補這個差距，許多第一層區塊鏈採用了一種稱為「EVM 兼容」的策略。
EVM 是以太坊虛擬機（Ethereum Virtual Machine）的縮寫，它基本上是一種執行計算以達成交易的大腦，透過使他們的網路與 EVM 兼容，以太坊開發者基本上可以透過複製並貼上他們代碼的方式，輕鬆地將他們現有的以太坊應用程式部署到新的第一層網路，用戶也可以用他們現有的錢包輕鬆訪問 EVM 兼容的第一層網路，使他們的遷移變得簡單。
以幣安智能鏈（BSC）為例，透過推出 EVM 兼容網路和調整共識設計，以實現更高的吞吐量和更便宜的交易，去年夏天，BSC 因為幾十個 DeFi 應用下使用量產生了爆炸性成長，這些應用都類似於 Uniswap 和 Curve（CRV）等流行的以太坊應用，Avalanche、Fantom（FTM）、Tron（TRX）和 Celo（CELO）也採取了同樣的方法，相反的，Terra 和 Solana 目前不支持 EVM 兼容性。

EVM 兼容 Layer1 區塊鏈與非 EVM 兼容 Layer1 區塊鏈之 TVL 比較

互操作性的區塊鏈

在稍微不同的 Layer 1 當中，有像 Cosmos（ATOM）和 Polkadot（DOT）這樣的區塊鏈生態系統，這些項目沒有建立新的獨立區塊鏈，而是建立了標準，讓開發者能創建互相通訊的特定應用區塊鏈，例如：允許一個遊戲區塊鏈的代幣在另一個獨立的社交網路區塊鏈上的應用中使用。
目前，使用 Cosmos 標準構建的區塊鏈已有超過 1000 億美元的資金，這些資金最終可以交互操作，同時，Polkadot 最近達到了一個里程碑，將類似地集結其區塊鏈的生態系統。
簡而言之，現在有各式各樣的以太坊直接競爭者，未來會有更多。

側鏈

側鏈和新的 Layer 1 之間的區別被公認是模糊的，側鏈與 EVM 兼容的 Layer 1 非常相似，只是側鏈是為了處理以太坊的過量產能而建立的，而不是與整個以太坊競爭，這些生態系統與以太坊社群緊密結合，以互補的方式承載以太坊應用程式。
Axie Infinity（AXS）的 Ronin 側鏈就是一個典型的例子，Axie Infinity 是一個最初建立在以太坊上的 NFT 遊戲，由於以太坊的費用讓玩家望而卻步，Ronin 側鏈的建立是為了讓用戶將他們的 NFT 和代幣從以太坊轉移到一個低費用的環境，讓更多的用戶能夠負擔得起這個遊戲，並讓該遊戲大受歡迎。

在截稿前，用戶已經從以太坊轉移了超過 75 億美元到 Ronin 側鏈遊玩 Axie Infinity。

Polygon POS 側鏈

像 Ronin 這樣的側鏈是特定的應用，而其他側鏈則適用於更多的通用應用。目前，Polygon（MATIC）的權益證明（POS）側鏈是行業的領導者，在 100 多個 DeFi 和遊戲應用中部署了近 50 億美元的價值，包括 Aave（AAVE）和 Sushiswap（SUSHI）等熟悉的名字，以及一個與 Uniswap 類似的 Quickswap（QUICK）。
同樣地，Polygon POS 看起來與 EVM 兼容的 Layer 1 沒有什麼不同，然而，它是作為以太坊擴展框架的一部分，而不是與以太坊競爭。Polygon 團隊認為，以太坊在未來仍會是高價值交易和價值存儲的主導區塊鏈，而日常交易則轉移到 Polygon 的低成本區塊鏈上。（Polygon POS 還透過一個被稱為「檢查點（Checkpointing）」的過程與以太坊維持特別的關聯）。
由於交易費用低於 1 分錢，Polygon 對未來的願景看起來是可行的，在激勵計劃的幫助下，用戶已經湧向 Polygon POS，每日交易量超過了以太坊（儘管一些無意義的交易膨脹了這個數字）。

第二層網路（Layer 2）

Layer 1 和側鏈都有一個明顯的挑戰：確保其區塊鏈的安全。為了做到這一點，他們必須支付新一批礦工或權益證明驗證人，以驗證和保護交易，通常是以基礎代幣（如 Polygon 的 MATIC 和 Avalanche 的 AVAX）通貨膨脹的形式。
然而，這帶來了明顯的缺點：

擁有一個基礎代幣自然會使你的生態系統更具競爭力，而不是僅作為對以太坊的補充。
驗證和保障交易是一項複雜而具有挑戰性的任務，你的網路要無限期地負責這項任務。

如果我們可以借助以太坊的安全性創建可擴展的生態系統，那不是很好嗎？加入第二層網路，特別是「Rollup」。簡而言之，Layer 2 是一種在以太坊上構建的獨立生態系統，依靠以太坊網路確保安全性。
而關鍵點在於，這意味著 Layer 2 擴展方案不需要有原生代幣，所以它們不僅是對以太坊的補充，本質上是以太坊的一部分，以太坊路線圖甚至表示以太坊 2.0 將會「以 Rollup 為中心」，表達對這個方案的致敬。

Rollup 如何運作

Layer 2 通常被稱為 Rollup，因為它們將交易「滾動」或捆綁在一起，並在新的環境中執行，然後將最新的交易數據發回以太坊，與其讓以太坊網路單獨處理 1,000 筆 Uniswap 交易（昂貴！），不如在提交結果回以太坊之前先在第 2 層 Rollup 上卸載計算（便宜！）。
然而，當結果被發布回以太坊時，以太坊如何知道數據是正確和有效的？以及以太坊如何防止任何人發布不正確的訊息？這些都是區分兩種 Rollup 的關鍵問題：Optimistic rollups 和 Zero Knowledge rollups（ZK rollups）。

Optimistic rollups

當提交結果回以太坊時，Optimistic rollups「樂觀地（optimistically）」假設結果是有效的，換句話說，他們讓 Rollup 的操作者發布他們想要的任何數據（包括潛在的不正確 / 詐欺性數據），並假設它是正確的 — 毫無疑問，這是一個 Optimistic 的前景！但是，有一些方法可以打擊詐欺，作為一種檢查和制衡，在任何提款後都有一個時間窗口，任何觀察者都可以在此查看詐欺行為（記住，區塊鏈是透明的，任何人都可以觀察正在發生的事情）。如果其中一位觀察者能夠以數學方法證明發生了詐欺行為（透過提交詐欺證明），那麼 Rollup 就會恢復任何詐欺性交易，懲罰不良行為者並獎勵觀察者（一個聰明的激勵系統！）。
缺點是當你在 Rollup 和以太坊之間移動資金時，會有一個短暫的延遲，等待查看是否有觀察者發現任何詐欺行為。在某些情況下，這可能長達一個星期，但我們預期這些延遲會隨著時間的推移而減少。
關鍵的一點是，Optimistic rollups 與以太坊有內在的聯繫，現今已準備幫助以太坊進行擴展，因此，我們已經看到了強勁的新生增長，許多領先的 DeFi 項目都已轉移到了領先的 Optimistic rollups 項目 — Arbitrum 和 Optimistic Ethereum。

Arbitrum 和 Optimistic Ethereum

由 Off-chain Labs 負責的 Arbitrum 和由 Optimism 負責的 Optimistic Ethereum 是目前實施 Optimistic rollups 的兩個主要項目，值得注意的是，這兩個項目仍處於早期階段，兩家公司都保持著中心化控制的水平，但都計劃隨著時間的推移進行去中心化。
根據估計，一旦項目成熟，Optimistic rollups 可以提供 10 到 100 倍的可擴展性改進，即使在早期，Arbitrum 和 Optimism 上的 DeFi 應用就已經積累了數十億的網路價值。
Optimism 的採用曲線較早，在 7 個 DeFi 應用中部署了超過 3 億美元的TVL（總鎖倉價值），其中最引人注目的是 Uniswap、Synthetix（SNX）和 1inch（1INCH）。

Arbitrum 則更進一步，在 60 多個應用中擁有大約 25 億美元的 TVL，包括熟悉的 DeFi 協議，如 Curve、Sushiswap 和 Balancer（BAL）。

Arbitrum 也被選為社交媒體平台 Reddit 的擴展解決方案，用於他們期待已久的代幣化社區積分的行動，該平台的月活躍用戶有 5 億個。

ZK Rollups

Optimistic rollups 假設交易是有效的，並為其他人留下詐欺證明的空間，而 ZK Rollups 則實際向以太坊網路證明交易是有效的。
隨著捆綁交易的結果，他們向以太坊智能合約提交所謂的有效性證明（validity proof），顧名思義，有效性證明讓以太坊網路驗證交易是有效的，使中繼者無法欺騙系統，這消除了對詐欺證明窗口的需求，因此在以太坊和 ZK-rollups 之間移動資金是有效的即時操作。
雖然即時結算和沒有提款時間聽起來很好，但 ZK Rollups 也不是沒有代價的。首先，生成有效性證明需要密集的計算，所以你需要高效能的機制來使其運行，其次，圍繞有效性證明的複雜性使得支援 EVM 兼容性更加困難，限制了可以部署到 ZK-rollups 的智能合約類型。因此，Optimistic rollups 已經率先進入市場，並且更有能力解決以太坊今天的擴展問題，但從長遠來看，ZK Rollups 可能成為一個更好的技術解決方案。

ZK Rollup 的採用

ZK rollup 的應用範圍很廣，有多個團隊和實施方案正在進行和開發當中，一些著名的參與者包括 Starkware、Matter Labs、Hermez 和 Aztec。今天，ZK-rollup 主要支持相對簡單的應用，如支付或交易（由於 ZK-rollup 現今能支援的應用類型限制），例如：衍生品交易所 dYdX採用了 Starkware（StarkEx）的 ZK Rollup 解決方案，支持每週近 500 萬筆交易和 10 多億美元的 TVL。

然而，真正值得爭取的是與 EVM 完全兼容的 ZK Rollup 解決方案，這種方案能夠支持熱門的通用應用程式（如 DeFi 的全套應用），而沒有 Optimistic rollups 的提款延遲，這一領域的主要參與者是 MatterLab 的 zkSync 2.0、Starkware 的 Starknet、Polygon Hermez 的 zkEVM 和 Polygon Miden，它們目前都在努力實現主網的啟動。（同時，Aztec 專注於將零知識證明應用於隱私）。
業內許多人都把 ZK rollups 與 Ethereum 2.0 結合起來作為擴展以太坊的長期解決方案，包括 Vitalik，主要是由於它們能夠在不影響安全或去中心化的情況下從根本上處理每秒數十萬筆的交易。隨著尋求以太坊擴展方案的進展，即將推出完全兼容 EVM 的 ZK Rollup 項目將是值得關注的關鍵事項之一。

一個分裂的世界

從長遠來看，如果智能合約平台要擴展到數十億用戶，這些擴展解決方案是必要的。然而，從近期來看，這些解決方案可能會給用戶和加密貨幣運營商帶來重大挑戰，從以太坊航向這些網路需要使用跨鏈橋，這對用戶來說很複雜，而且有潛在的風險。例如：幾個跨鏈橋已經成為價值 1 億多美元漏洞的目標。
更重要的是，多鏈的世界分割了可組合性和流動性，考量 Sushiswap 目前在以太坊、幣安智能鏈、Avalanche、Polygon 和 Arbitrum 上實施，Sushiswap 的流動性曾經集中在一個網路上（以太坊），現在卻分散在五個不同的網路上。
以太坊應用長期以來一直受益於可組合性，即以太坊上的 Sushiswap 與其他以太坊應用隨插即用，像是 Aave 或 Compound（COMP）。隨著應用程式擴展到新的網路，在 Layer 1、側鏈和 Layer 2 上實現的應用程式不再與另一層網路上實現的應用程式兼容，限制了可用性並為用戶和開發人員帶來挑戰。

一個不確定的未來

像 Avalanche 或 Solana 這樣與以太坊競爭的新 Layer 1 區塊鏈會不會繼續發展？像 Cosmos 或 Polkadot 這樣的區塊鏈生態系統會不會激增？側鏈是否會繼續與以太坊和諧地運行，承擔其多餘的產能？還是與以太坊 2.0 結合的 Rollup 會勝出？沒有人可以肯定地說。
雖然未來是不確定的，但每個人都可以感到欣慰，因為有這麼多聰明的團隊致力於解決開放、無須許可的網路所面臨最具挑戰性的問題，正如寬頻（Broadband）最終幫助網際網路支持了 YouTube 和 Uber 等一系列突破性應用一樣，我們相信，我們最終會以同樣的眼光來看待獲勝的擴展解決方案。