第1层和第2层区块链扩展解决方案解释

区块链扩展解决方案是为提高区块链网络的性能和可扩展性而创建的策略和策略。它们解决了传统区块链的固有缺点，例如交易处理效率低、费用过高和吞吐量低。在这些技术的帮助下，区块链网络应该能够每秒处理更多交易（TPS），同时减少拥堵。

第 1 层 (L1) 扩展（修改底层区块链协议）和第 2 层 (L2) 扩展（在基础层之上添加额外的框架或协议以卸载事务并提高可扩展性）是常见扩展解决方案的两个示例。这些解决方案致力于维持底层技术的安全性和去中心化，同时提高区块链的性能、可扩展性和用户体验。

分片、切换到更有效的共识机制（如权益证明 (PoS)）或进行其他架构更改都是 L1 解决方案的示例。更高的交易吞吐量和更低的延迟是区块链基础层这些变化的目标。

第 2 层解决方案（例如支付通道和侧链）可以实现更快、更可扩展的交易，同时利用底层区块链的安全性和去中心化性。

此外，L1 和 L2 解决方案的实施是为了克服三难困境，提高可扩展性，并保持安全性和去中心化。区块链三难困境是区块链技术中的一个基本挑战。可扩展性、安全性和去中心化之间固有的权衡定义了三难困境。这些权衡是由开发区块链技术时做出的底层架构和设计决策造成的。

可扩展性权衡

高可扩展性要求能够及时有效地处理大量交易。然而，随着交易数量的增加，区块链变得越来越大，从而产生存储和带宽问题。

此外，大量节点之间达成共识需要更多的时间和资源。必须做出权衡，例如放弃一些安全性或去中心化，以抵消这些问题。

安全权衡

区块链网络使用分布式验证、加密哈希和共识方法等技术来维护安全性。但当可扩展性提高时，维护强大的安全性就变得更加困难。

例如，增加区块大小或加快区块确认时间等可扩展性改进可能会导致出现分叉或双花攻击可能性更高等弱点。因此，实现高水平的安全性常常需要牺牲去中心化或可扩展性。

去中心化权衡

区块链技术的基本原则是去中心化，这确保没有任何一方能够控制网络。它鼓励不信任和抵制攻击或限制。

然而，在实现巨大的可扩展性的同时保持去中心化可能很困难。实施分片或链下处理等技术（将在本文后面的阶段进行解释）来提高可扩展性通常会对去中心化程度产生影响。

然而，如果少数企业控制交易处理或区块验证，去中心化的基本理念可能会受到损害。实现惊人的可扩展性之间的细微差别凸显了区块链社区面临的复杂问题并维护权力下放的基本原则。

比特币的可扩展性挑战和指标

比特币在加密货币领域的主导地位凸显了区块链可扩展性的紧迫问题。吞吐量和延迟显着影响用户体验质量 (QoE)，使其成为关键的性能指标。

交易吞吐量及其限制

交易吞吐量是一个关键问题。据报道，比特币的最高交易吞吐量为 7 TPS，与 Visa 超过 4000 TPS 的能力形成鲜明对比。这种差异凸显了比特币容纳更大交易量的能力有限。

理论上，交易吞吐量取决于区块间隔和大小。虽然较大的区块可以通过容纳更多交易来提高吞吐量，但同时也会延长区块传播时间。

区块大小和平均区块间隔的**配置约为 1 MB，比特币网络分别需要 10 分钟才能确认。比特币的目标是确保在网络上进行足够的区块传播。然而，随着区块大小的增加以提高吞吐量，系统范围的带宽限制成为性能瓶颈，影响区块链效率。

交易确认延迟和用户体验

交易确认延迟代表交易被确认所需的时间，是与用户体验密切相关的另一个关键指标。随着比特币交易的激增，区块大小限制阻碍了所有已提交交易的包含。因此，矿工会优先考虑高费用交易，从而导致出价较低的交易延迟更长。

主要经验教训：比特币数据处理时间

本质上，比特币处理交易的能力取决于交易块的大小和频率。较大的区块具有较高的交易容量，但确认时间较长。为了达到平衡，比特币的目标是大小约为 1 MB 的区块，每 10 分钟就会向区块链添加一个新区块。该策略有助于均匀分配事务处理。

然而，由于比特币试图通过增大区块来一次处理更多交易，因此它对一次可以通过比特币网络发送的数据量产生了限制，从而导致交易确认速度变慢且效率降低。

了解区块链架构的各层以解决可扩展性问题

在解决区块链技术的可扩展性挑战的背景下，现有的解决方案可以分为两个不同的层：第一层和第二层。

第 1 层

Layer-1 主要侧重于提高可扩展性，解决与共识机制、网络基础设施和区块链基本数据结构相关的问题。这些改进直接在主链区块链框架内实施。

第2层

Layer-2 通过采用链外方法采用不同的可扩展性途径。这些方法包括利用链下通道、侧链和跨链协议来使区块链能够更有效地横向扩展。

深入探讨 Layer-1：链上扩容解决方案

链上扩展解决方案，有时称为第一层扩展解决方案，是用于提高底层区块链网络的效率和容量的技术。这些解决方案集中于增强区块链的基础层，包括基础协议和共识机制。

为了鼓励更广泛的采用并处理不断增长的交易量，有必要克服区块链网络的可扩展性限制，例如低交易吞吐量和高延迟。第一层解决方案试图通过加强基础层来提高网络的容量、速度和整体性能。

1.0 隔离见证（SegWit）

隔离见证（SegWit）工作原理

隔离见证 (SegWit) 于 2017 年 8 月作为软分叉推出，通过将交易分为两部分并删除不必要的信息来提高比特币的效率。这些删除的信息是指交易签名，也称为见证数据，是比特币交易的一部分。

隔离见证的好处

• 提高空间效率：交易签名可能非常大，并在每个块中占用大量空间。SegWit 通过将交易签名与交易数据的其余部分分开，并将它们存储在称为见证结构的独特结构中，帮助扩展区块链吞吐量。
• 高效验证：使用SegWit，只有交易的重要部分包含在主区块链中，而见证数据的存储更加高效。这种简化的验证流程可确保防止交易被意外更改。
• 更小的交易记录：通过实施SegWit，比特币交易记录的总体规模得以减小。这使得区块链的交易历史更加紧凑和易于管理。

2.0 增加区块大小案例研究：比特币区块链硬分叉至比特币现金

比特币现金案例研究

2017年，由于可扩展性问题，比特币遭遇硬分叉，导致分裂为两个区块链分支：比特币和比特币现金，其中比特币现金选择将其区块大小增加至8MB，较比特币的1MB版本大幅跃升。

随着比特币现金将区块大小增加到 32MB，尽管进行了这些调整，区块链仍然保留了原来的 10 分钟出块时间。理论上，这增强了交易容量，但是，当试图通过扩大区块大小来解决可扩展性时，就会出现问题。随着块大小（以 MB 为单位）的增加，理论和实践的角度都出现了挑战。

随着区块大小的不断扩展，由于区块链内带宽的限制，传输变得充满挑战。这些较大的区块引发了中心化担忧。由于个人用户难以在设定的时间范围内有效地传播区块并验证大量交易，这种情况最终可能会导致只有中心化实体才能充当全节点的情况。

比特币现金的缺点

比特币现金硬分叉存在几个缺点：

• 区块链内带宽限制：随着区块大小不断膨胀，由于区块链内带宽限制，传输变得具有挑战性。这些较大的区块引发了中心化担忧。
• 中心化问题：区块大小的扩大引起了人们对中心化的担忧，因为个人用户很难有效地传播更大的区块并及时验证大量交易。
• 潜在的全节点中心化：这些挑战的最终结果可能会导致一种情况，即只有中心化实体才能切实发挥全节点的作用，这与区块链技术的去中心化精神相矛盾。

3.0 块压缩：TXID

Txilm工作原理

Txilm 是基于 BIP-152 的协议，采用独特的方法来提高区块链内的交易效率。BIP-152 压缩每个区块中的交易以节省网络带宽。它是通过利用缩短的代码来表示各个交易来实现的。这种技术不仅节省了空间，还提高了块内数据存储的整体效率。

核心思想是减少通过网络传输交易所需的数据量。

Txilm 的好处

• 数据足迹显着减少：数据足迹的减少有助于在区块链网络上更有效地传输数据。
• 优化区块内的数据存储：使用较短的交易代码允许每个区块中容纳更多的交易。
• 巧妙的“SALT”代码：为了防止相同短代码引起的潜在冲突，Txilm 引入了称为“SALT”代码的额外信息，以确保每笔交易保持唯一性和可区分性。
• 经验证据：Txilm 的实施展示了数据使用量减少了高达 80 倍，提高了效率，并凸显了其在数据效率和网络性能方面的现实优势。

4.0 存储方案优化

幼兽

基于共识单元（CUB）引入通过将节点分组为共识单元的创新策略。每个单元负责存储特定的块数据段。为了更好地理解，人们可以将“分组节点”视为人，将“共识单元”视为团队，其中每个单元负责存储区块链数据拼图部分的特定部分。共识单元或团队中的每个节点都有区块链数据难题的特定部分需要处理。

不是每个人都一起处理同一个区块链难题，这会减慢进程，而是将区块链难题分为更小的部分，每个人或节点都被分配要处理的内容。

CUB优化了数据存储和访问的方式，有助于降低存储成本，使区块链系统运行得更快、更有效。

第一层：扩展机制

本节讨论区块链的不同扩展方法以及为提高区块链可扩展性而提出的一些优化：

分片

分片工作原理

分片的主要概念涉及将大型且复杂的网络分解为更小的、可管理的部分，称为“分片”。每个分片作为较大网络的子集独立运行。这项技术最初是为了提高广泛的业务数据库的效率而设计的，它将大型数据库中的数据分割成存储在不同服务器上的片段。

通过这样做，它减轻了中央服务器的负载，从而提高了搜索速度并扩展了整个数据库系统的存储能力。在区块链的背景下，分片涉及将区块链网络划分为多个分片，其中每个分片充当其自己的迷你区块链。

分片的好处

• 改进的可扩展性：分片允许通过并行处理处理更多事务。
• 更快的交易处理：交易可以在单独的分片中同时处理。
• 增强的网络性能：分片可减少拥塞并提高整体速度。
• 水平扩展：分片允许网络通过添加更多分片来增长。
• 高效的资源使用：每个分片都可以处理自己的事务，而不会影响其他分片。

分片的缺点：

• 跨分片通信成本：跨分片交易可能会导致更高的通信成本和更慢的确认时间。
• 交易放置复杂性：正确地将交易分配给分片需要平衡分片分布和跨分片交易量等因素。
• 协议限制：一些分片协议（例如 Elastico）具有具体缺点：
  • 频繁的身份和委员会生成：频繁的操作可能会影响交易效率。
  • 事务执行效率低下：事务处理可能未得到优化。
  • 跨分片交易原子性：确保跨分片交易的一致性可能具有挑战性。

委托权益证明 (DPoS)

与传统的权益证明 (PoS) 不同，在 DPoS 中，一小群当选代表负责创建和验证区块。Tron 和 EOS 等区块链使用这种方法来实现销售目的。

DPoS 的工作原理主要有两个步骤。首先，网络中的代币持有者投票选出他们信任的代表来创建区块。得票最多的前 21 名代表将成为区块生产者。这样，网络就可以让持有代币的人选择可以帮助区块链良好运行的值得信赖的代表。

当委托创建一个块时，其他委托会检查它。如果 21 名最高代表中至少有 15 人同意，则该区块得到确认。这个投票过程持续进行，如果一名代表一天没有完成他们的工作（创建一个区块），他们就会被其他人取代。此外，如果代表过去表现不佳，他们将来被选中的机会就会降低。整个系统有助于保持区​​块链的安全和高效。

DPoS 的好处：

• 速度和可扩展性：与工作量证明 (PoW) 或 PoS 等其他共识机制相比，DPoS 可以更快地处理交易。少数当选代表可以更快地做出决定。
• 能源效率：DPoS 比比特币 PoW 更节能，因为它不需要解决复杂难题所需的大量计算能力。
• 去中心化：虽然 DPoS 涉及的代表人数较少，但它仍然可以保持一定程度的去中心化，因为代币持有者参与选择这些代表。
• 安全性：持续的投票和验证过程有助于确保只选择值得信赖的代表，从而使网络更安全地抵御攻击。
• 治理：DPoS 系统通常允许代币持有者通过投票代表对区块链的发展和方向拥有发言权。这可以导致更多的社区参与和决策。

DPoS 的缺点：

• 中心化问题：虽然 DPoS 比 PoW 等传统系统更加去中心化，但权力仍然集中在相对较少的代表手中。如果少数有权势的代表串通或控制大部分网络，这可能会导致中心化风险。
• 购买选票的漏洞：在某些情况下，代表可能会尝试购买选票或向代币持有者提供奖励以换取他们的选票，这可能会破坏系统的公平性。
• 在某些情况下安全性降低：如果大多数代表变得恶意或受到损害，DPoS 系统可能更容易受到攻击，因为他们控制着共识过程。
• 参与有限：与拥有较多代币的代币持有者相比，拥有少量代币的代币持有者在投票过程中的影响力可能较小，从而导致决策中潜在的不平等。
• 网络可靠性：DPoS 系统严重依赖于当选代表的可用性和诚实性。如果**人离线或行为不诚实，可能会影响整体网络性能。

了解第 2 层扩展解决方案

现在，让我们将第一层想象成一条繁忙的高速公路，偶尔会因过多的交易而陷入困境，类似于路上有太多的汽车。另一方面，第二层类似于在高速公路上方建造一条专属快速车道，专为最快的车辆设计。这些车辆可以畅通无阻地行驶，避开拥堵并促进整体快速旅程。

Layer-2 为交易提供了一条捷径，因为它将一些交易远离主干道（Layer-1）并单独处理。这样，主干道就不会被堵塞，每个人都可以更快地完成交易。

随着比特币预计的 2100 万枚上限逼近，专家们担心潜在的安全漏洞。例如，在达到2100万个限制后，矿工的验证动机将完全从新创建的硬币转向交易费用。这种情况可能会导致交易费用变高或安全性受到严重损害。

在这些担忧中，出现了一套被称为“第二层技术”的创新解决方案。这些技术提供了一种独特的方法来增强区块链功能而不改变核心协议。这些技术将与主要基础设施进行交互，而不是在第一层修改基本的区块链协议。

它们的主要功能涉及利用底层区块链以加密方式验证整个交易组作为单一结算。第 2 层技术的优点是有可能增强可扩展性并保留区块链固有的安全优势。

Layer-2 技术已被提议作为分离交易结算和验证过程的一种手段，这可能为维护安全完整性、同时显着提高区块链可扩展性奠定了一条有希望的道路。

比特币区块链的第 2 层扩容解决方案类型

1.0 支付渠道

付款渠道就像在您最喜欢的冰淇淋店有一个标签。您无需单独为每个勺子付费，而是打开一个选项卡，购买任意数量的勺子，然后再结算账单。

支付渠道的工作原理类似，让人们进行大量交易，而无需将每一笔交易都放在主区块链上。闪电网络是比特币区块链网络的第 2 层扩展解决方案，旨在通过促进链外微交易来实现更快、更具成本效益的交易。

闪电网络

闪电网络旨在通过允许用户直接在彼此之间创建支付通道而无需将每笔交易广播到主区块链来促进快速且低成本的交易。

这些支付通道就像两方之间的私人通道，可以打开、关闭和维护，而无需为每笔交易与主区块链进行交互。这使得小额支付成为可能并增加了网络的交易吞吐量。

闪电网络的好处

• 快速交易：支付渠道内的交易几乎是即时的。
• 费用低：由于交易发生在链下，因此相关费用显着降低。
• 可扩展性：闪电网络通过处理大量链下交易来帮助缓解主区块链的拥塞。
• 小额支付：该网络可以实现以前由于高额链上费用而无法实现的小额交易。

闪电网络的缺点：

• 钱包复杂性：钱包可能比传统的链上钱包更复杂，这给寻找与网络无缝集成的用户友好选项带来了挑战。
• 安全问题：收款人需要签署恢复交易，并且需要热钱包，这可能会在安全漏洞的情况下暴露私钥。
• 渠道管理：渠道需要持续关注，可能需要关闭和重新打开渠道以保持平衡，这可能会给喜欢不干涉方法的用户带来不便。
• 网络覆盖范围有限：依赖于网络规模和渠道可用性。如果接收者缺乏网络访问权限或通道容量有限，用户可能会诉诸链上交易，从而消除预期的好处。

2.0 侧链

侧链作为创新解决方案，可扩展区块链系统的功能和可扩展性。将它们想象为沿着主区块链运行的并行轨道，每个轨道都充当用于进行交易和执行智能合约的独立环境。

这些侧链相互关联但又相互独立，允许用户执行特定的活动，而不会给主区块链带来每个细节的负担。这种隔离可以实现更快、更高效的交易，从而提高整体网络性能。

必要时，侧链可以与主链通信，促进互操作性并确保数据可以在两层之间安全共享。这种第 2 层架构引入了灵活性，使区块链网络能够管理不同的工作负载并优化资源分配。他们维护主区块链的完整性和安全性。

砧木 (RSK)

RSK 是一个侧链项目，旨在将智能合约功能引入比特币区块链。它允许开发人员使用与以太坊兼容的智能合约在 RSK 侧链上构建和部署 dApp。

RSK 使用双向挂钩来使比特币能够移动到 RSK 侧链。比特币被锁定在比特币区块链上，并在 RSK 侧链上创建等量的智能比特币 (RSK-BTC)。RSK-BTC 可在 RSK 生态系统中用于执行智能合约和 dApp。

挂钩（将比特币转移到 RSK）

比特币持有者首先将他们的比特币转移到比特币区块链上的多重签名（multisig）地址，充当比特币的安全金库。一旦存入，就会产生一个加密货币

生成简化支付验证（SPV）证明以验证比特币区块链上的比特币存款。该 SPV 证明被传输到 RSK 侧链上的桥接智能合约，该合约验证并确认存款。作为回应，在 RSK 侧链上铸造等量的 RBTC（RSK 原生货币），代表锚定的比特币并可供用户使用。

挂钩（将 RBTC 移回比特币）

当用户希望将 RBTC 移回比特币区块链时，他们会启动相反的过程。他们将 RBTC 发送到 RSK 侧链上的桥接智能合约。桥智能合约确认交易并为 RBTC 交易生成 SPV 证明。然后，该 SPV 证明被转发到比特币区块链，并在其中进行验证，以授权释放最初挂钩的比特币等值金额。

RootStock (RSK) 的优点：

• 与以太坊智能合约的兼容性：RSK 允许开发人员将其以太坊智能合约发送到其平台上，从而提高两个生态系统之间的互操作性。
• 提高去中心化应用程序 (dApp) 的可扩展性：RSK 的侧链架构增强了可扩展性，与主比特币网络相比，能够更快、更高效地执行 dApp。
• 通过合并挖矿利用比特币的安全性：RSK 利用比特币矿工的计算能力，提供高水平的安全性并防范潜在攻击。
• 支持 DeFi 解决方案和有状态智能合约：RSK 能够创建先进的去中心化金融 (DeFi)应用程序和保留状态的复杂智能合约，从而扩大了可能性范围。
• 在不改变其核心协议的情况下扩展比特币的功能：RSK 与比特币的兼容性允许在不修改底层比特币网络的情况下开发新特性和功能。

RootStock (RSK) 的缺点：

• 由于职能人员联盟而导致的潜在集中化：RSK 在某些任务上依赖职能人员联盟，如果分配或管理不善，可能会带来集中化风险。
• RSK-BTC 缺乏与比特币网络相同的安全级别：虽然 RSK 受益于与比特币的合并挖矿，但由于散列能力和网络规模的差异，其安全性可能无法与原始比特币区块链的稳健性相匹配。

3.0 状态通道

想象一下您和您的朋友正在玩游戏，并且您在一张纸上记录分数。你只写下比赛结束时的最终得分，而不是每一个分数。状态通道的工作原理类似，通过跟踪大量链外交易并仅在主区块链上记录最终结果。

它们允许用户独立进行交易和执行任务，减少主区块链上的拥塞，同时保持在需要时与其交互的能力。闪电网络是比特币网络中状态通道的现实世界例证。

通过在比特币区块链上建立多重签名钱包，两方打开了支付通道，如上所述。然后，他们可以通过在链下执行多个交易来更新通道的状态。由于它们没有在主区块链上发布，因此这些交易具有可扩展性且具有成本效益。

完成后，通道将关闭，通道的最后状态将存储在比特币区块链上。在这种方法中，许多交易都是在链下进行的，只有开盘和结束交易记录在主区块链上。

侧链和状态通道之间的差异总结如下表：

4.0 以太坊区块链的第 2 层扩容解决方案

以太坊和其他基于以太坊虚拟机（EVM）的区块链遇到了可扩展性的挑战。这些网络的处理能力有限，加上去中心化应用程序的需求激增，导致交易费用上涨和交易处理时间缓慢。

然而，已经出现了一套第二层扩展解决方案来解决这些问题。在本文中，我们将深入研究这些技术及其对基于 EVM 的区块链的变革性影响。这些解决方案利用状态通道、侧链和汇总等技术来实现更快、更具成本效益的交易。

等离子体

Plaa 是**的第 2 层扩展解决方案之一，最初由 Vitalik Buterin 于 2017 年提出概念。该框架引入了“子”链的概念，与主以太坊区块链互连。

这些子链有能力处理大量交易，定期将其状态汇总到主链。这种方法有效减少了主链上的数据负载，从而降低了交易费用并提高了网络性能。

采用 Plaa 作为第 2 层扩展解决方案的好处：

• 可扩展性：等离子链通过在保持与以太坊主网的连接的同时允许链下执行交易，显着提高了以太坊的可扩展性。与以太坊主网相比，这允许处理更多数量的交易。
• 降低交易费用：通过将大部分交易转移到 Plaa 链上，用户可以体验到更低的交易费用，因为他们不会与主网上的拥塞竞争。
• 更快的交易处理：由于 Plaa 链可以在链外处理交易，因此与以太坊主网相比，它们可以实现更快的交易确认时间，而以太坊主网的网络拥塞会导致延迟。
• 互操作性：Plaa 链可以设计为专注于特定的用例或行业，实现量身定制的解决方案，同时仍然受益于以太坊主网的安全性。

采用 Plaa 作为第 2 层扩展解决方案的缺点：

• 安全性和复杂性：等离子链的实施更加复杂，需要仔细设计以确保锁定在其中的资产的安全性。
• 有限的用例：虽然它们可以提供更高的吞吐量，但它们可能无法针对执行更复杂的智能合约或交互进行优化。
• 实施中的挑战：开发和部署安全的 Plaa 链可能具有挑战性且需要大量资源。
• 有限的去中心化：根据 Plaa 链的设计和架构，与以太坊主网相比，可能会担心所实现的去中心化水平。

Rollups

Rollups 是另一个值得注意的第 2 层扩展解决方案，它充当智能合约，将多个交易捆绑到单个交易中，然后提交到主链。这种聚合显着减少了主链上的数据量，从而缩短了交易处理时间。

值得注意的是，Rollups 分为两种不同的类型：Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。

Optimistic Rollups

是一种第 2 层区块链扩展解决方案，旨在通过处理链下交易然后将其批量包含在主以太坊区块链中来提高可扩展性。在这种方法中，验证者在链外处理交易，证人在将交易添加到主区块链之前对其进行验证。

ZK Rollups

ZK Rollups 专注于提高可扩展性和隐私性，利用零知识证明进行安全和私密的交易验证。零知识证明是一种密码学方法，允许一方（证明者）向另一方（验证者）证明某个陈述是真实的，而无需透露有关该陈述本身的任何具体信息。

ZK Rollups 不是像 Optimistic Rollups 那样完全处理链下交易，而是捆绑交易，然后使用零知识证明来提供其有效性的加密证据。这种方法在保持安全性的同时提供了增强的隐私性，但与 Optimistic Rollups 相比，它的可扩展性可能会稍低。

下表总结了 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup 之间的差异：

采用 Rollups 作为第 2 层扩展解决方案的好处：

• 可扩展性：提供显着的可扩展性提升，将多个交易聚合成提交到以太坊主网的单个交易。这减少了主网上的拥塞并增加了可以处理的交易数量。
• 降低 Gas 费用：通过将多个交易合并为一笔交易，帮助降低用户的 Gas 费用，使交易更具成本效益且易于访问。
• 与智能合约的兼容性：能够支持智能合约，使其适用于简单代币转移之外的更广泛的用例。
• 速度提高：由于 Rollup 可以在单个批次中处理多个事务，因此事务处理时间得到改善，从而减少了单个事务所需的时间。

采用 Plaa 作为第 2 层扩展解决方案的缺点：

• 数据可用性：Rollups 依赖于数据可用性，并要求用户监控并确保与主网上的智能合约交互所需的数据的可用性。
• 数据可用性延迟：数据可用性验证的需要可能会在事务提交和最终确定之间引入一些延迟。
• 开发复杂性：由于需要强大的数据可用性机制、与现有智能合约的兼容性以及安全考虑，实施和集成 Rollup 解决方案可能很复杂。
• 有限的去中心化：Rollup 解决方案的去中心化程度可能有所不同，并且可能需要进行一些权衡以实现可扩展性和效率。

比较：Layer-1 与 Layer-1 第 2 层扩展解决方案

第一层和第二层扩展解决方案代表了解决区块链网络可扩展性挑战的两种不同方法。

第一层扩展解决方案

第一层扩展解决方案专注于改进区块链网络的基础层。它们涉及对区块链的协议、共识机制或架构进行根本性的改变，以提高其每秒处理更多交易（TPS）的能力。

第一层扩展的优点

• 安全性和去中心化：第一层区块链（如以太坊）由于其强大的共识机制而具有高度安全性和去中心化性。
• 灵活性：开发人员可以直接访问基础层，从而实现创新的特性和功能。
• 自包含：第一层扩展解决方案不需要额外的层或系统来实施。

第一层扩展的缺点

• 升级挑战：在基础层实施更改可能很复杂，并且可能需要社区达成共识。
• 开发缓慢：重大升级可能需要时间来开发、测试和部署，导致解决可扩展性问题的延迟。
• 中心化风险：如果少数实体控制网络的重要部分，快速的协议变化可能会导致中心化。

第 2 层扩展解决方案

第 2 层扩展解决方案在现有区块链（第 1 层）之上工作，旨在通过将部分交易处理移至链下来提高吞吐量。它们包括各种技术，如支付和状态通道、侧链、汇总和等离子。

第 2 层扩展的优点：

• 可扩展性：Layer-2 解决方案显着提高了主区块链的交易吞吐量。
• 快速交易：链下处理允许近乎即时的交易确认和结算。
• 成本效率：主链拥堵的减少导致交易费用降低。

第 2 层扩展的缺点：

• 安全考虑：第 2 层解决方案依赖于底层第 1 层区块链的安全性。
• 互操作性挑战：不同第 2 层解决方案之间或第 2 层与第 1 层之间的交互可能很复杂。
• 中心化风险：某些第 2 层解决方案可能需要可信中介，从而导致潜在的中心化。

总之，第一层扩展解决方案涉及直接更改区块链的协议，而第二层解决方案则构建在现有区块链之上以提高可扩展性。第一层解决方案提供增强的安全性和去中心化，但可能需要更长的开发周期。

第 2 层解决方案专注于提高交易吞吐量和降低费用，但可能会带来安全性和中心化问题。这些方法之间的选择取决于区块链网络的具体要求和目标。

下表列出了 Layer-1 和 Layer-2 扩展解决方案之间的差异：

流行的区块链网络及其扩展解决方案

Solana

Solana 是一个高性能区块链平台，以其可扩展性和快速交易处理而闻名。它利用 Tower BFT 共识和 PoH 等创新技术，以低廉的成本实现每秒数千笔交易。其目标是支持 dApp 并促进充满活力的开发和用户生态系统。

Solana 因其独特的扩展方法而在区块链场景中脱颖而出，该方法利用多项**技术来实现高吞吐量和低延迟。

历史证明（PoH）

PoH 是 Solana 用于建立区块链上所有交易的历史记录的加密时间戳方法。通过允许节点确认交易的时间和顺序而无需反复达成共识，从而节省了时间和资源。

Tower BFT 共识

Solana 使用称为 Tower BFT 的高性能共识技术，可加速交易最终确定并优化区块确认过程。这保证了交易的快速、安全确认。

并行处理

Solana 使用一种称为“Sealevel”的方法来跨不同节点同时处理多个事务。由于其并行处理能力，每秒可以处理数千笔交易（TPS），网络的交易吞吐量大大提高。

分片

Solana 采用一种称为“**证明”分片的技术将网络划分为更小的部分或“分片”。每个分片对单个交易的处理提高了可扩展性并缓解了拥塞。

低交易费用

与某些其他区块链网络相比，Solana 凭借其高吞吐量的特性，可以高效地处理大量交易。

Solana 可扩展性解决方案的优势

Solana 的可扩展性解决方案提供：

• 可扩展性：Solana 非常适合具有严格性能要求的去中心化应用程序 (dApp)，因为它采用新颖的扩展方法，使其能够每秒处理大量交易。
• 低延迟：Solana 凭借其快速的区块确认时间和最终性，提供较低的交易确认时间，从而改善用户体验并允许实时交互。
• 成本效益：Solana 对于用户和开发人员来说是一个经济高效的选择，特别是对于需要频繁交易的应用程序，因为它便宜的交易成本和高吞吐量。
• 生态系统开发：Solana 的可扩展性和效率吸引了开发人员和项目到其平台，从而实现了强大的 dApp 和 DeFi 生态系统的发展。

Cardano

在区块链技术的动态世界中，可扩展性至关重要。随着越来越多的用户和应用程序进入市场，区块链网络处理越来越多交易的能力变得至关重要。

名为 Cardano 的第三代区块链平台采用了一种新颖的可扩展性策略，刻意将自己定位在第 1 层与第 2 层范式之间。Ouroboros 协议是一项突破性的发明，旨在克服当前区块链可扩展性方法的缺点，是卡尔达诺可扩展性解决方案的核心。

Cardano在 Layer-1 与 Layer-2 范式中的定位

是发展区块链协议的基础层还是创建在基础层之上运行的其他层，是第一层和第二层解决方案之间争论的核心。以下概述了卡尔达诺如何在不牺牲安全性和去中心化的情况下进行扩展：

链上解决方案

• 区块大小增加：交易容量增加12.5%（从64KB增加到72KB）；预计根据网络性能进行进一步修改。
• 流水线：为了更快地进行块传播并实现可扩展的更新，流水线通过结合验证和传播来缩短块传播时间。
• 输入背书者：通过将交易分组到预先构建的块中、增强一致性并允许更大的交易率，输入背书者可以提高吞吐量。
• 内存/CPU 效率：优化链对哈希表示、权益分配、实时权益分配和未花费交易输出 (UTXO) 处理的内存使用。
• Plutus 脚本优化：智能合约优化包括无需支出即可进行输入检查的参考输入 (CIP-0031)，以及直接附加到输出以简化使用的 Plutus Datums (CIP-0032)。
• 节点增强功能：改进权益和奖励计算分配、内存使用效率和峰值负载管理，提高可扩展性。
• 磁盘存储：将部分协议状态存储在磁盘上可以减少内存需求，缓解可扩展性瓶颈，从而实现更大的区块链状态增长。

链下解决方案

• 侧链：侧链是独立的区块链，以双向方式链接到主区块链。这允许链之间进行无摩擦的资产转移，提高灵活性并支持广泛的功能。一条主链可以支持多种功能独立、可互操作的侧链。
• Hydra：Hydra 引入了一系列第 2 层协议（例如同构状态通道），以提高吞吐量、减少延迟、降低成本并减少所需的存储量。通过有效地处理链下交易并使用主链账本进行安全结算，Hydra 仍然是一种流行的解决方案。
• 链下计算：异步合约执行（ACE）是一种链下计算，可以提高核心网络的性能。通过信任范式，交易可以快速且廉价，同时仍然在链下进行。
• Mithril：为了提高可扩展性，以对数方式解决与参与者数量相关的操作复杂性至关重要。Mithril 改善了链同步，同时保持信任并带来有效的多重签名聚合，而不会危及安全性。

以太坊

dApp 和智能合约革命是由突破性的区块链平台以太坊引领的。然而，由于其快速增长，其初始设计中的重大可扩展性问题已经暴露出来，主要是第一层协议。

通过创建更具可扩展性和更有效的架构，2022 年 9 月进行的以太坊共识层升级（The Merge）希望能够克服这些问题。以太坊生态系统还采用了许多第2层解决方案来暂时解决扩展困难，同时转向PoS共识机制来解决可扩展性和能源相关问题。

以太坊的 Layer-1 扩容挑战

以太坊的第一层（通常称为基础层）在可扩展性、交易吞吐​​量和网络拥塞方面存在严重问题。

• 网络拥堵：当需求激增时，以太坊处理交易的能力有限，交易费用的增加就凸显出来，这使得该平台对用户和 DApp 的可用性降低。
• 交易确认速度慢：与传统支付系统相比，以太坊的工作量证明（PoW）共识过程导致交易确认时间较慢，从而限制了实时用例。
• 高天然气成本：在网络拥塞期间，用户为执行交易和部署智能合约而支付的天然气成本可能会飙升至荒谬的高水平，从而对用户体验产生负面影响并阻止适度的交易。
• 可扩展性限制：由于吞吐量较低，以太坊无法在不遇到延迟和潜在瓶颈的情况下处理许多并发交易。

以太坊向权益证明共识方法的转变

通过在 2022 年采用 PoS 机制，以太坊进行了重大转型，其被认为提高了安全性、消耗了更少的能源，并且更适合结合新颖的扩展解决方案。

验证者是权益证明范式的核心。验证者负责处理以太坊网络上的交易，其行为类似于工作量证明模型中的矿工，并对网络的安全性做出了重大贡献。

通过在指定合约中质押（存入）至少 32 ETH，任何人都可以加入 PoS 网络并成为验证者。然后，该协议使用随机方法选择参与者提出建议并投票反对向链中添加额外的区块。

执行客户端、共识客户端和验证器软件本身都需要成为以太坊上的验证器。这些广泛的工具集合共同作用，提供有效的交易验证和对 PoS 系统的大力参与。

此外，在以太坊的 PoS 生态系统中，每 32 个时段（即大约 6.4 分钟）就会发生一个纪元。每个时间段都指定了验证人委员会执行重要任务的特定时间段。这些委员会由至少有 128 名验证者的团队组成。

一个纪元包含诸如向区块链添加新块并对它们进行投票以确认其合法性等任务。以太坊交易验证过程的效率、一致性和安全性通过在明确指定的时期内运作的验证者委员会的协调来优化。

以太坊对 PoS 范式的使用与验证者和时代的思想密切相关，突显了其致力于开发网络功能，同时维护安全性、能源效率和可扩展性标准。这一变化凸显了以太坊在不断变化的区块链和加密货币世界中的适应性和耐力。这也代表了技术的进步。

以太坊区块链上的第 2 层扩展解决方案

以太坊区块链可扩展性的限制已通过第 2 层扩展解决方案得到解决，该解决方案已成为一种改变游戏规则的策略。随着以太坊的普及，其处理大量交易的能力变得越来越重要。在保留以太坊闻名的安全性和去中心化的同时，第 2 层解决方案提供了一种减少拥塞和提高效率的创造性方法。

通过添加到现有的以太坊区块链，第 2 层扩展解决方案本质上创建了补充层，可以处理大量链外交易。这种策略加快了交易处理速度，同时减轻了以太坊主网络的负载。Optimi 和 Arbitrum 是两个广为人知且备受关注的 Layer-2 解决方案。

Optimi

Optimi 采用 Optimistic Rollup 方法来提高以太坊的可扩展性。在这种方法中，交易会在链外进行乐观处理，并合并成单个“汇总”交易，并定期发布到以太坊主网。因此，乐观主义大大降低了直接在链上处理的交易量，从而降低了费用并缩短了确认时间。

Optimi 与当前以太坊智能合约的互操作性是其主要特征之一。只需进行一些调整，开发者就可以将他们的合约迁移到 Optimi 网络。该功能促进乐观主义的采用，并加速其在以太坊生态系统中的采用。

Arbitrum

另一个优先考虑完美用户体验和改进可扩展性的第 2 层解决方案是 Arbitrum。Arbitrum 采用乐观汇总流程，与 Optimi 非常相似。链下交易处理完成，并定期将编译后的数据发送到以太坊主网进行验证。此过程可确保维护事务完整性，同时缓解网络拥塞。

通过高度重视可用性和互操作性，Arbitrum 脱颖而出。开发人员可以轻松地将他们的智能合约转移到 Arbitrum 网络并利用其可扩展性，而无需进行重大代码修改。

下表总结了比特币扩容解决方案和以太坊扩容解决方案之间的差异：

比特币可以在没有 Layer-2 的情况下扩展吗？未来展望

从美国基于比特币的交易所交易基金应用的出现，到萨尔瓦多接受比特币作为法定货币，比特币影响力的迅速扩大，放大了对加密货币生态系统内增强可扩展性的需求。

随着主流采用率持续飙升，对能够适应更大交易容量和效率的解决方案的需求变得至关重要。比特币开发社区的杰出人物、**区块链技术公司 Blockstream 的首席执行官 Adam Back 强调了第 2 层网络应对这一挑战的潜力。

第 2 层网络：开创性的可扩展性

正如本文所述，第 2 层网络代表了扩展比特币区块链的突破性方法。如前所述，这些网络作为建立在比特币和以太坊等现有区块链之上的辅助协议，与互联网协议栈的演变类似。这是一个解决计算机网络协议套件或协议族实现的协议。

Adam Back 是倡导第 2 层解决方案的**人物之一。作为深度参与区块链技术和开发的 Blockstream 公司的首席执行官，Back 对 Layer 2 技术的见解具有重要意义。

在视频中YouTube 频道 Forkast News 的采访。消息。Adam Back 概述了第 2 层网络在解决区块链系统面临的可扩展性问题中的作用。他将这些网络与针对特定用例优化的交易容量部分进行了比较。

Back 提到，虽然所有潜在的比特币用户直接在主链上进行交易可能具有挑战性，但第二层网络提供了一种替代方案，支持不同的用例，以不同的方式利用比特币。他强调，这种方法可以吸引更多用户，同时减少主链上的数据负载。Back 承认，第 2 层网络涉及某些权衡，但它们提供了类似于比特币主链的保证，并认识到单一协议不可能对所有场景都普遍**。

第二层：创新蓬勃发展的地方

第二层网络的概念在比特币发展轨迹的背景下变得更加突出。比特币网络的升级步伐是经过深思熟虑的，包括 2017 年的 SegWit 软分叉和 2020 年更新的 Taproot 升级等重大升级。鉴于这些升级的步伐是有节奏的，有时甚至是不均匀的，比特币区块链内的许多创新发展生态系统在第二层解决方案中找到了自己的家。

Back 与互联网的架构进行了比较，他强调，虽然核心 TCP/IP 协议几十年来基本保持不变，但上面各层的创新却蓬勃发展，特别是在应用层。Back 解释说，这种架构通过允许**的技术在最灵活的层中发展来提高稳健性，类似于第 2 层解决方案如何促进创新，同时保持底层区块链的完整性。

见解和观点

Adam Back 的观点超出了技术领域，涵盖了比特币日益普及所带来的社会和经济影响。他设想了一种情况，比特币的广泛采用可能会影响股票、房地产、黄金和艺术品等传统资产的估值。这些资产的货币溢价的潜在减少可能会产生积极和消极的影响。

虽然它可能会带来更实惠的房地产，但它也可能挑战传统的保值方法。他指出，萨尔瓦多采用比特币作为法定货币，在金融包容性方面取得了显着进展，比特币钱包用户数量在短时间内超过了个人银行账户数量。

回顾 2017 年的“区块战争”，Back 认为，市场最终决定了竞争性区块链分叉的命运，强化了决策过程的去中心化性质。

以太坊的未来策略

正如 Vitalin Buterin 在 EthCC 2022 期间所解释的那样，2022 年过渡到权益证明标志着以太坊平台为下一阶段的增强做好​​准备的关键举措，其中涉及四项关键升级，即 Surge、Verge、Purge 和 Splurge。这是一个简洁的概述：

即将到来的 Surge 升级引入了分片的概念，特别是以太坊中的 Danksharding。分片将网络划分为不同的验证器组，同时处理不同的交易。值得注意的是，以太坊确保分片和基础层之间的通信，维护网络的统一真相源。这在工作量证明下是不可行的，工作量证明要求每个节点处理和记录每笔交易，导致效率低下。以太坊当前的容量约为每秒 15-20 笔交易。

分片彻底改变了这种情况，大大减少了节点维护的数据需求——从几 GB 到手机或个人计算机的可管理水平。此外，分片有利于汇总的利用。汇总使交易能够在作为单个条目呈现到网络之前进行捆绑、加密链接和链下处理。

Verkle 树是一种类似于 Merkle 树的承诺方案，但具有紧凑的见证人，将通过 Verge 升级提供。由此可以实现更小的节点大小和优化的存储。通过启用块验证而不保留整个区块链历史的副本，verkle 树为无状态客户端打开了大门。这是朝着改进协议去中心化迈出的重要一步。

状态到期将与 Perge 升级相关。在此阶段之后，以太坊客户端将销毁一年以上的数据。困难在于旧数据被丢弃后如何保留它们。造成这种情况的机制仍然未知。Perge 通过多种方式增强了以太坊：

• 减少节点的硬件需求（减少存储）
• 删除旧的交易特定代码
• 客户端同步较少数据，减少网络带宽使用

Splurge阶段完成了以太坊升级的蓝图。它包含早期版本中未包含的功能。时间安排和实施细节很少。根据 Vitalik Buterin 的说法，如果以太坊能够通过早期版本有效扩展，那么挥霍可能就没有必要了。

结论

区块链可扩展性始终是整个加密领域的持续挑战，并通过第 1 层和第 2 层扩展解决方案来解决。第一层解决方案涉及对区块链协议的直接更改，而第二层解决方案则创建并行网络来卸载交易。在这篇文章中，我们详细探讨：

• 扩展三难困境：区块链面临着在不影响去中心化和安全性的情况下实现可扩展性的挑战。
• 第一层解决方案：改进共识机制和分片是增强协议级别可扩展性的例子。
• 第 2 层解决方案：这些解决方案建立在现有区块链的基础上，用于处理链下交易，从而提高吞吐量。
• 权衡：实施解决方案需要平衡安全性、可扩展性和去中心化之间的权衡。

第一层和第二层扩展解决方案的重要性在于它们通过解决拥塞、提高速度和降低交易成本来推动大规模采用的潜力。这些解决方案有助于可持续的区块链生态系统，实现更广泛的用例。

展望未来，区块链可扩展性的未来涉及对更高效的共识算法、互操作性解决方案和进一步的第 2 层进步的持续研究。随着区块链格局的发展，开发人员、利益相关者和社区之间的合作对于克服挑战和实现可扩展区块链网络的全部潜力至关重要。