Layer2 的定位與崛起

Layer2 的定位

Layer 2（L2）是區塊鏈技術的關鍵擴展層，構建於主鏈（Layer 1）之上，通過在鏈下處理大部分交易活動，減輕主鏈的負擔。其主要目標是提高區塊鏈的可擴展性和效率，同時保持主鏈的安全性和去中心化特性。通過L2解決方案，用戶可以享受更低的交易成本、更高的交易速度，從而使區塊鏈在日常應用中更具競爭力。

Layer 2 技術可以分為多種方案，每種方案的實現方式和適用場景各有不同。狀態通道（State Channels）允許用戶在鏈下頻繁交互，僅在最終狀態時與主鏈交互，從而降低鏈上負擔。側鏈是一種獨立運行的區塊鏈，與主鏈通過雙向錨定機制交互。Plasma 技術通過設計子鏈處理海量交易，同時利用主鏈來確保安全性。Rollup 技術（包括 Optimistic Rollup 和 ZK-Rollup）通過將大量交易打包後提交到主鏈，並分別利用欺詐證明或零知識證明來確保交易的安全性和有效性。這些技術共同構成了L2生態的技術基礎，滿足了不同場景下的擴展需求。

儘管 Layer 2 技術為區塊鏈擴展性問題提供瞭解決方案，但仍存在諸多挑戰。狀態通道要求參與者持續在線，增加了用戶使用的複雜性；側鏈需要獨立的安全機制，可能導致資產風險；Plasma 子鏈的設計複雜性較高，限制了開發者的適配能力；Rollup 方案雖然提升了交易效率，但其數據可用性和依賴主鏈的安全性仍有待優化。此外，不同的 Layer 2 方案之間缺乏統一的標準，導致生態碎片化，增加了集成和互操作的難度。這些問題限制了 Layer 2 在更大規模應用中的潛力。

Layer 2 的發展對於區塊鏈的廣泛應用至關重要，特別是在金融、遊戲、社交網絡等需要高頻交互的場景中。未來，隨著數據可用性優化技術（如有效性證明）和跨鏈互操作性的推進，Layer 2 有望進一步降低用戶的進入門檻，增強區塊鏈的普適性。此外，Layer 2 的改進將為 Web3 應用帶來更多可能性，支持更多複雜應用場景的實現。從長遠來看，Layer 2 是推動區塊鏈技術從實驗性到規模化應用的關鍵催化劑。

Layer2 的崛起

Layer 2（L2）技術的崛起源於區塊鏈，特別是以太坊主網（Layer 1），在處理大量交易時面臨的性能瓶頸。隨著去中心化金融（DeFi）和非同質化代幣（NFT）等應用的興起，主網的交易費用和確認時間顯著增加，限制了用戶體驗和網絡擴展性。為應對這些挑戰，L2 解決方案應運而生，旨在通過將部分交易移至鏈下處理，減輕主網負擔，提高交易速度並降低費用。

近年來，L2 技術取得了顯著進展，湧現出多種方案，如狀態通道（State Channels）、側鏈、Plasma、Optimistic Rollup 和 ZK-Rollup 等。其中，Rollup 技術備受關注，通過將大量交易打包後提交至主網，並利用欺詐證明或零知識證明確保交易的有效性和安全性。這類方案在提升交易吞吐量的同時，保持了與主網的安全性和去中心化特性。

而在上一輪牛市中，Layer2迅速崛起，並在公鏈賽道中扮演著重要的角色，下面是一些代表性例子：

1. Arbitrum
   Arbitrum 是由 Offchain Labs 開發的基於 Optimistic Rollup 的 Layer 2 解決方案，旨在提高以太坊網絡的交易速度並降低成本。其核心是通過將大部分交易數據移至鏈下處理，減少鏈上操作，從而大幅提升吞吐量和降低交易費用。
   根據 DeFiLlama 數據，截至 2024 年，Arbitrum 的總鎖倉量（TVL）約為 20 億美元，佔 Layer 2 市場的 60.62%，在同類解決方案中遙遙領先。單日交易量在 2024 年 3 月的空投期間達到了 300 萬次，顯示了其強大的網絡效應和用戶參與度。此外，Arbitrum 還推出了 Arbitrum Orbit 項目，支持開發者在其上構建定製化的 Layer 3 解決方案，進一步拓展了其生態系統的深度和廣度。

2. Optimism
   Optimism 是基於 Optimistic Rollup 的另一重要 Layer 2 解決方案，旨在降低以太坊的交易費用並增強吞吐量。Optimism 通過將交易數據批量提交到主鏈，並使用延遲的欺詐證明機制來確保數據的有效性。
   根據報道，Optimism Collective 的收入在 2024 年 10 月達到了 15,700 ETH（約合 4,082 萬美元），其中 OP Mainnet 主網貢獻了大約 81.5%。其 Superchain 生態系統的交易量在 Layer 2 市場中佔比約 37%，顯示出其在區塊鏈擴展性和用戶應用方面的強大競爭力。通過推動去中心化治理，Optimism 還促進了生態中的開發者和社區參與，進一步推動了其在市場中的發展。

3. zkSync
   zkSync 是由 Matter Labs 開發的基於 ZK-Rollup 的 Layer 2 解決方案，利用零知識證明技術實現高效且安全的交易處理。與 Optimistic Rollup 不同，zkSync 通過零知識證明直接驗證交易的有效性，避免了欺詐證明的延遲等待，從而實現了更快速的交易確認。
   根據報道，zkSync Era 主網在 2024 年 3 月正式向公眾開放，並在兩個月內總鎖倉量（TVL）達到 4.8 億美元，每週增速接近 20%。zkSync 的獨立地址數也迅速攀升，截至同年 5 月已超過 92 萬，超過了 Arbitrum 和 Optimism，顯示出其在用戶增長方面的強勁勢頭。zkSync 的高效架構和低費用特性使其成為 DeFi 領域開發者和用戶的首選平臺之一。

當前 Layer2 技術方案的對比

Layer2 技術方案的對比（來源：登鏈社區）

當前，Layer 2 技術方案主要有四種類型：Optimistic Rollups、ZK-Rollups、狀態通道和側鏈。每種方案都有其獨特的特點、優缺點及適用場景。以下是對這四種主要技術方案的詳細對比。

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups 技術方案（來源：Chainlink教育文檔）

Optimistic Rollups 是一種基於以太坊的 Layer 2 擴展方案，旨在提高以太坊的交易吞吐量，並降低交易成本。Optimistic Rollups 的核心機制是將大量交易批量處理並將其結果提交到主鏈上，而不是在主鏈上逐一驗證每個交易。這種方法極大地減輕了主鏈的負擔，使得處理交易的效率和吞吐量得到顯著提升。由於其“樂觀”的性質，系統假設所有提交到主鏈的交易都是有效的，除非有人提出挑戰。這種機制大大降低了計算和存儲成本，使得 Optimistic Rollups 成為一種高效的擴展解決方案。

在 Optimistic Rollups 中，交易數據和狀態更新會在鏈下進行處理，但最終的交易結果會通過“欺詐證明”提交到以太坊主鏈。欺詐證明的機制允許參與者在指定時間內對可疑交易提出挑戰，如果挑戰成功，提交的交易將被撤銷，並會對惡意行為者進行懲罰。這種方式雖然引入了延遲，但提供了安全性和去中心化的保證，同時減少了對主鏈的依賴。相比傳統的以太坊交易，每筆交易的費用也大大降低，因為數據不需要完全提交到主鏈上。

Optimistic Rollups 的優勢之一是其與現有以太坊智能合約的兼容性。由於 Optimistic Rollups 僅改變了交易驗證的機制，並未改變交易的執行方式，因此開發者可以無需修改現有的智能合約代碼，將其遷移至 Optimistic Rollups 平臺。這種兼容性使得開發者能夠快速適應，並利用 Layer 2 的高效性來提供更具競爭力的服務。

然而，Optimistic Rollups 也存在一些挑戰。最大的缺點是交易的確認時間較長，因為在“欺詐證明”期內，交易需要等待驗證。這個驗證過程通常需要幾天的時間，因此 Optimistic Rollups 不適合用於需要快速交易確認的應用。此外，由於“欺詐證明”機制要求網絡參與者主動發現並挑戰無效交易，這在某些情況下可能導致效率低下。

典型的 Optimistic Rollups 公鏈包括 Optimism 和 Arbitrum，它們是目前 Layer 2 擴展解決方案中的佼佼者。Optimism 通過優化以太坊的交易處理，將交易數據批量提交到主鏈，並利用“欺詐證明”機制確保交易的正確性。Optimism 的目標是通過降低交易成本和提高吞吐量，支持更加高效的去中心化應用（dApps）運行。目前，多個 DeFi 項目如 Uniswap、Synthetix 等都在 Optimism 上運行，從而減少了交易費用並提高了處理速度。

Arbitrum 是另一種基於 Optimistic Rollup 的解決方案，其採用類似的設計來實現高效的擴展。與 Optimism 相比，Arbitrum 在性能和優化上做了一些改進，能夠更高效地處理交易，同時保持與以太坊智能合約的高度兼容。Arbitrum 目前在 DeFi 領域的應用非常廣泛，成為許多去中心化金融協議的首選 Layer 2 平臺，且其生態系統正迅速擴展。兩者通過提供較低的交易費用和更高的交易速度，推動了以太坊生態系統的發展。

這些 Optimistic Rollups 公鏈不僅能夠支持大規模的交易處理，還與主鏈上的應用高度兼容，使得現有的以太坊項目能夠迅速遷移並享受到 Layer 2 的擴展優勢。

ZK-Rollups

ZK-Rollups 技術方案（來源：Chainlink教育文檔）

ZK-Rollups 是一種基於以太坊的 Layer 2 擴展解決方案，旨在通過零知識證明（ZKPs）技術提高以太坊網絡的吞吐量並降低交易成本。與 Optimistic Rollups 不同，ZK-Rollups 在交易處理時直接生成數學證明，確保數據的有效性。ZK-Rollups 將多個交易打包成一個批次，並通過零知識證明將其結果提交到主鏈，而無需對每個交易進行單獨驗證。這使得 ZK-Rollups 能夠在大幅提高交易吞吐量的同時，提供更高的安全性和更低的確認時間。

在 ZK-Rollups 中，交易數據和狀態更新會在鏈下處理，但交易的正確性通過零知識證明技術在鏈上得到確認。這些證明是計算密集型的，但它們允許以太坊主鏈快速驗證交易的有效性，無需長時間等待“欺詐證明”期。由於零知識證明的高效性，ZK-Rollups 能夠以幾乎實時的速度處理大量交易，從而大幅減少交易確認的延遲。這使得 ZK-Rollups 成為更適合處理需要低延遲的應用場景的 Layer 2 解決方案，如實時支付、遊戲和高頻交易。

ZK-Rollups 的優勢之一是其出色的安全性和擴展性。與 Optimistic Rollups 相比，ZK-Rollups 不依賴於欺詐證明，而是使用零知識證明直接驗證交易的正確性。這不僅使得交易驗證過程更加高效，還提升了系統的安全性。此外，ZK-Rollups 通過在鏈下處理大量數據，能夠有效減輕以太坊主鏈的負擔，同時大幅降低交易成本。因此，它在高吞吐量、高頻率交易的場景中表現尤為突出。

然而，ZK-Rollups 也面臨一些挑戰。首先，零知識證明技術相對複雜，開發者需要更高的技術門檻來構建和部署基於 ZK-Rollups 的應用。其次，儘管 ZK-Rollups 提供了更高的安全性和擴展性，但在智能合約的兼容性方面仍然存在一定的限制。現有的以太坊智能合約在 ZK-Rollups 上的執行可能需要額外的適配和修改，這增加了開發和遷移的複雜性。

典型的 ZK-Rollups 公鏈包括 zkSync 和 StarkWare，它們是目前市場上最具代表性的 ZK-Rollups 平臺。zkSync 通過優化零知識證明的計算過程，提供了快速且低成本的交易確認，並被多個 DeFi 協議採用，如 Curve、Aave 等。StarkWare 通過其基於 STARK 技術的 ZK-Rollups 平臺，推動了高效的鏈上數據驗證，並在去中心化交易所（DEX）和其他 DeFi 應用中得到廣泛應用。兩者都通過提供低延遲、高安全性的交易平臺，加速了以太坊生態系統的擴展，推動了 Layer 2 解決方案的應用。

這些 ZK-Rollups 公鏈不僅能有效提高交易吞吐量，還能夠提供更高的安全性和更低的交易成本，使得它們成為區塊鏈擴展領域的重要創新者。隨著 ZK-Rollups 技術的不斷髮展，未來更多的 DeFi 應用和去中心化平臺將選擇 ZK-Rollups 來提高其擴展性和性能。

狀態通道（State Channels）

Celer 的技術方案是狀態通道方案的一種實踐（來源：tokeninsight）

狀態通道（State Channels）是另一種基於 Layer 2 的擴展解決方案，旨在通過在鏈下進行交易處理來提升區塊鏈的吞吐量和降低交易成本。狀態通道的核心思想是將參與者之間的交互從主鏈轉移到鏈下進行，而只在交易完成後將最終狀態提交到區塊鏈。這樣，參與者可以在鏈下進行大量的即時交互，避免了每次交易都需要提交到主鏈，從而減少了交易的延遲和成本。

在狀態通道中，參與者首先在主鏈上鎖定一定的資金並創建一個通道。此後，交易可以在鏈下頻繁進行，所有的狀態更新和數據交換都在鏈下完成。當交易完成後，最終的狀態才會被提交到主鏈上進行結算。由於交易在鏈下進行，狀態通道能夠大幅提高交易的速度和降低費用，這對於需要頻繁交易和低延遲的應用場景（如在線支付、遊戲和閃電支付）尤為適用。

狀態通道的優勢之一是其極高的效率和低交易成本。由於參與者之間的交易不需要每次都提交到主鏈，網絡的負載大大降低，這不僅減少了每筆交易的費用，也提高了交易的吞吐量。與此同時，狀態通道提供了與主鏈的高安全性保證，因為最終的狀態更新會通過加密簽名提交到主鏈進行驗證。它為用戶提供了一種低成本、高效的方式進行交互，同時保障了去中心化和安全性。

然而，狀態通道也存在一些挑戰。首先，它要求參與者之間必須是實時在線的，因為狀態通道的交易是鏈下進行的，必須在雙方都在線的情況下進行。其次，狀態通道適用於頻繁交互且參與者較少的場景，規模較大的應用可能不適合使用狀態通道。另一個挑戰是，狀態通道的設計要求參與者鎖定資金，這可能對某些用戶造成不便，特別是資金的流動性要求較高的情況下。

典型的狀態通道實現包括 Raiden Network 和 Connext。Raiden Network 是以太坊上基於狀態通道的支付網絡，旨在提供高吞吐量的支付處理。它允許用戶在鏈下進行即時支付交易，只有在結算時將最終狀態提交到以太坊主鏈，從而實現低成本的微支付。Connext 則通過狀態通道擴展 DeFi 和支付應用，提供了一種高效、低成本的支付方案。兩者都在降低交易費用和提升交易速度方面做出了重要貢獻，推動了 Layer 2 解決方案的應用。

這些狀態通道解決方案通過在鏈下進行交易，大大提高了吞吐量，並減少了主鏈的負擔，尤其適合快速、低成本的支付應用。隨著技術的不斷成熟，狀態通道將為更多需要快速和頻繁交易的應用提供解決方案，成為 Layer 2 擴展領域的重要組成部分。

側鏈（Sidechains）

Polygon技術原理圖（來源：CSDN）

側鏈（Sidechains）是另一種 Layer 2 擴展方案，它通過構建獨立於主鏈的區塊鏈來擴展主鏈的功能，提供更高的交易吞吐量和靈活性。與其他 Layer 2 方案不同，側鏈擁有自己獨立的共識機制和區塊鏈結構，允許用戶將資產從主鏈轉移到側鏈上進行交易和處理。資產在主鏈與側鏈之間的轉移通常通過跨鏈橋（Cross-chain Bridges）實現，用戶可以隨時將資產從側鏈轉回主鏈。

側鏈的優勢之一是其高度的靈活性。由於側鏈擁有獨立的共識機制，開發者可以根據實際需求定製側鏈的參數，如區塊時間、交易費用等。這種靈活性使得側鏈非常適合需要高吞吐量、低延遲或者特定功能的應用場景。例如，某些側鏈可能專門針對遊戲、NFT 或者其他特定行業優化，以滿足不同的需求。

另一個優勢是側鏈的高擴展性。由於側鏈獨立於主鏈運行，它不直接佔用主鏈的資源，因此可以處理大量的交易或計算任務。這使得側鏈成為大型去中心化應用（dApps）和高頻交易平臺的理想選擇，能夠在不影響主鏈的情況下提供更高的性能。相比其他 Layer 2 方案，側鏈通常提供更大的靈活性和擴展性，因為它們的設計不受主鏈限制。

然而，側鏈也有一些挑戰。首先，側鏈與主鏈的安全性有所不同，側鏈的安全性依賴於其自身的共識機制和網絡參與者，因此可能比主鏈更容易受到攻擊或出現問題。為了確保資產的安全性，側鏈必須具有強大的跨鏈橋和驗證機制。其次，儘管側鏈能夠提供更高的吞吐量和靈活性，但在某些情況下，跨鏈操作可能會引入延遲和複雜性，尤其是在多個側鏈之間進行資產轉移時。

典型的側鏈例子包括 Polygon（前身為 Matic Network）和 Liquid Network。Polygon 是一個以太坊兼容的側鏈網絡，通過為以太坊提供更高的交易吞吐量和更低的交易費用，推動了 DeFi、NFT 和其他去中心化應用的發展。Polygon 通過其 PoS（Proof of Stake）共識機制和 Plasma 框架，提供了一個可擴展且高效的解決方案，支持大量的交易和數據處理。Liquid Network 是一個由 Blockstream 開發的側鏈，旨在為比特幣提供更快的交易確認和更高的隱私保護。Liquid 通過獨立的側鏈網絡和其共識機制支持比特幣交易的即時確認，且為用戶提供了更好的隱私保護，適合用於企業級應用和高頻交易。

這些側鏈解決方案通過將交易和數據處理分擔到主鏈之外，不僅提高了性能和擴展性，還能夠為開發者和用戶提供更多的靈活性。隨著側鏈技術的不斷髮展，它們將在區塊鏈生態中發揮越來越重要的作用，特別是在需要高吞吐量和靈活性的行業應用中。

Layer2 的核心侷限性

儘管 Layer 2 技術在擴展區塊鏈性能和降低交易成本方面提供了顯著的優勢，但它們也存在一些核心侷限性。以下是 Layer 2 項目的幾個主要限制：

安全性問題

Layer 2 解決方案通常依賴於主鏈來保障基礎安全，但它們在自身的安全性設計上可能存在差異。例如，Optimistic Rollups 和狀態通道都依賴於交易提交到主鏈後，網絡中的參與者通過欺詐證明機制對可疑交易提出挑戰，然而，這種機制並不總是能有效防止惡意攻擊。攻擊者有時可能利用系統的漏洞，進行“惡意交易”並迅速撤回，而欺詐證明的提出通常需要一定的時間，這使得系統在應對實時攻擊時存在延遲風險。此外，Layer 2 方案的安全性通常依賴於較小的驗證節點網絡，這意味著如果這些節點遭遇攻擊，可能會威脅到整個網絡的安全性。因此，儘管 Layer 2 技術提供了較為高效的擴展解決方案，但其安全性在某些情況下仍然不如主鏈。

跨鏈兼容性和互操作性問題

當前的 Layer 2 解決方案通常是圍繞單一主鏈構建的，尤其是以太坊的 Layer 2 解決方案，如 Optimism 和 Arbitrum，主要優化以太坊網絡的性能。但當涉及到跨鏈操作時，Layer 2 網絡面臨著嚴重的互操作性問題。不同的區塊鏈採用不同的共識機制和協議，這導致它們之間的資產轉移和信息交換變得複雜。當前，跨鏈橋的技術仍處於不斷髮展之中，雖然像 Cosmos 和 Polkadot 這樣的項目嘗試提供跨鏈支持，但它們和大部分 Layer 2 技術並沒有直接互通。這使得用戶在跨鏈操作時必須依賴第三方橋接協議，而這些協議可能存在潛在的安全隱患。此外，不同 Layer 2 之間的兼容性差異可能導致資產和信息在不同鏈間流動時出現延遲和複雜性，從而增加了用戶的操作難度。

用戶體驗和技術門檻

Layer 2 技術的複雜性是它應用普及的一大障礙。雖然這些方案能夠提供更高的交易吞吐量和更低的費用，但對於普通用戶來說，從主鏈轉移資產到 Layer 2 可能涉及多個步驟，例如用戶必須首先通過橋接將資產從主鏈轉移到 Layer 2，之後才能在 Layer 2 網絡中進行交易或操作。此外，Layer 2 網絡的接口和使用方式通常與主鏈存在差異，可能要求用戶通過特定的錢包或平臺進行操作，這對非技術型用戶來說是一個挑戰。對於開發者而言，遷移現有應用到 Layer 2 還需要在代碼上做一定的修改，以保證應用能夠兼容並在新環境下高效運行。為了適應 Layer 2 的優勢，開發者還需要深入理解每種 Layer 2 技術的底層架構，這無疑提高了開發的技術門檻。

資金和資源鎖定問題

一些 Layer 2 方案，如狀態通道，要求用戶鎖定一定數量的資金作為保證金。雖然這種機制可以確保交易雙方在交易過程中的誠信，但也帶來了一些問題。首先，用戶在資金鎖定期間無法自由支配這些資金，限制了其流動性。對於一些用戶來說，資金鎖定的機會成本較高，特別是在他們希望靈活使用這些資產進行其他投資或交易時。此外，狀態通道的運作可能受到參與方數量的限制，過多的參與者可能會導致資金流動的緩慢和管理上的困難。儘管通過智能合約和自動化工具可以提高資金的管理效率，但在某些 Layer 2 方案中，資金鎖定仍然是一項不可忽視的負擔。

去中心化與擴展性之間的權衡

在 Layer 2 方案的設計中，去中心化與擴展性之間的權衡是一個關鍵問題。為了提高擴展性，一些方案（如 Optimistic Rollups）採取了更為集中化的設計，尤其是在欺詐證明和挑戰機制的執行過程中，往往需要依賴一部分核心節點來驗證交易的有效性，這可能影響到去中心化的程度。而其他方案（如 ZK-Rollups）則通過引入零知識證明技術，保持較高的去中心化水平，但其計算複雜度較高，要求更多的計算資源。這意味著，儘管 ZK-Rollups 在理論上能夠提供更好的安全性和去中心化，但其擴展性受到零知識證明本身的計算瓶頸限制。因此，如何在去中心化、安全性和擴展性之間取得平衡，仍然是 Layer 2 技術面臨的重要挑戰。需要進一步的創新和優化，以便能在保持網絡安全和去中心化的基礎上實現更高的擴展性。

結語

Layer 2 技術雖然為區塊鏈擴展性提供了有效解決方案，但仍面臨諸多侷限性。儘管它們能提高交易吞吐量和降低成本，Layer 2 網絡的複雜性和依賴性仍然是不可忽視的問題，尤其是在跨鏈互操作性和數據安全性方面。

此外，交易確認時間和驗證機制也限制了某些應用的實時性需求。儘管技術如 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 旨在提高效率，但延遲和欺詐證明機制仍會對系統的性能產生影響，這使得 Layer 2 解決方案在高頻交易或需要即時確認的場景中難以完全替代 Layer 1。

未來，隨著技術的不斷髮展和改進，Layer 2 解決方案的侷限性有望得到緩解。更高效的跨鏈協議、提升用戶體驗的設計以及改進的安全性措施將推動 Layer 2 技術的進一步應用，並可能在區塊鏈生態中發揮更加重要的角色。