區塊鏈第 1 層與第 2 層：基本要素

加密貨幣和區塊鏈的普及程度呈指數級增長，顯著增加瞭用戶和交易數量。這給區塊鏈網絡運營帶來瞭基礎設施瓶頸。為瞭實現主流應用，業界需要尋找解決方案來解決其可擴展性問題，以迎閤用戶、交易和數據數量不斷增長的需求。

業內采用的兩個主要解決方案包括第 1 層和第 2 層：

• 第 1 層：底層區塊鏈架構

• 第 1 層擴展解決方案：對第 1 層進行瞭基本調整

• 第 2 層：第 1 層網絡之上的第三方集成

• 第 2 層擴容解決方案：無需對其代碼或架構進行任何根本性更改，即可提高 Layer 1 平台的速度

在本文中，我們將探討區塊鏈 Trilemma、Layer 1 和 Layer 2，以及如何幫助區塊鏈實現可擴展性。

區塊鏈 Trilemma

區塊鏈三聯詞是指區塊鏈同時實現以下三個特徵的難題：

1. 去中心化：在整個網絡中分配計算能力/共識

2. 安全：防範惡意行為者和網絡攻擊

3. 可擴展性：區塊鏈支持高交易吞吐量的能力

有人認為，任何系統都隻能實現三個特徵中的兩個，迫使它放棄一個。

區塊鏈 Trilemma 示例

通常情況下，區塊鏈與區塊鏈三聯體相抗衡。下麵我們來看幾個突齣的例子。

以太坊

以太坊是去中心化且高度安全的，擁有約 561，000 名驗證者。幾乎不可能攻擊以太坊的區塊鏈，因為攻擊者需要超過 51% 的驗證者纔能破壞網絡。然而，這在可擴展性方麵得到瞭權衡，這就是為什麼以太坊的網絡費用在高活躍時期會發生爆炸。

幣安智能鏈 （BNB Chain）

與以太坊相比，BNB Chain 最多僅允許 21 名驗證者。因此，很明顯，BNB 鏈並未去中心化。然而，這使其能夠實現高度的安全性和可擴展性。

為什麼區塊鏈可擴展性如此重要？

“可擴展性”一詞的定義因專傢而異。然而，區塊鏈可擴展性的核心是指系統能夠為每個用戶提供豐富的體驗，無論用戶在任何特定時間的總數量如何。

吞吐量是指系統每秒處理的交易次數。盡管 Visa 等公司/支付渠道使用 VisaNet 電子支付網絡處理近 20，000 TPS，但比特幣主鏈隻能實現 3 至 7 TPS。

容量差異可能令人震驚，但背後有一個簡單的解釋。比特幣采用去中心化系統，而 VisaNet 在中心化系統上運行。前者利用更多的處理能力和時間來保護用戶的隱私。每筆數據交易都必須經過多個步驟，包括接受、挖礦、分配和節點網絡驗證。

由於加密貨幣有望成為商業世界的勢在必行的力量，區塊鏈開發者正在努力擴大區塊鏈處理的範圍。透過創建區塊鏈層並優化 Layer 2 擴展，他們希望加快處理速度並增加 TPS 數量。

區塊鏈的可擴展性問題

以太坊為例。在區塊鏈技術中，共識機製是一種容錯系統，允許在分布式節點中達成單一網絡狀態協議。這些協議確保所有節點在交易上達成一緻並同步。這使得以太坊鏈難以覆蓋或攻擊。

由於以太坊的穩定性和安全性，ICO熱潮開始瞭，導致個人在區塊鏈上創建加密貨幣和去中心化應用程序（DApp）。因此，用戶湧入，以太坊的交易數量有所增加。隨著系統堵塞，以太坊網絡上交易處理方的交易費或礦工費也隨之增加。

當區塊鏈網絡堵塞時，待處理交易最終會進入內存池，需要更多時間進行處理。為瞭解決這一問題，礦工開始優先考慮礦價較高的交易，以便進行確認。這進一步提高瞭交易所需的最低成本。

價格上漲的週期將達到礦工費飆升的地步，讓每個人的情況變得更糟。第 2 層擴展旨在為這一問題提供解決方案，降低交易成本。

什麼是 Layer 1？

第 1 層是構建其他區塊鏈和 DApp 的主要區塊鏈網絡。他們能夠支持在區塊鏈上進行的交易和運營。為瞭提高可擴展性，Layer 1 必須直接更改區塊鏈的代碼或架構。例如，提高區塊確認速度或提高區塊的含數據容量。

以太坊、幣安智能鏈和 Solana 是最著名的 Layer 1。

下麵我們來瞭解一下第 1 層擴展解決方案。

第 1 層擴展解決方案

共識機製

不同的區塊鏈采用不同的共識機製。

比特幣等區塊鏈利用工作證明 （PoW）。盡管 PoW 系統安全性很高，但速度可能很慢。這是因為它需要強大的計算能力來解決加密算法問題。以太坊最初采用PoW共識機製，當大量用戶加入以太坊網絡時，導致嚴重的網絡擁堵。

此後，以太坊透過閤並轉嚮使用質押證明 （PoS） 共識機製，現在透過網絡共識處理和驗證新區塊。該切換使以太坊能夠將速度從每秒 10-20 次交易 （TPS） 更改為超過 20，000 TPS。在保持去中心化和安全性的同時，我們實現瞭這一目標。

鏈叉

區塊鏈開發團隊通常會推齣第 1 層擴展解決方案。劃轉鏈意味著升級或調整區塊鏈。分叉分為軟分叉和硬分叉兩種。

軟叉是與現有區塊鏈兼容的架構變化。另一方麵，硬分叉是區塊鏈架構的改變，與現有架構截然不同。 

軟分叉就是比特幣網絡的 SegWit 軟分叉，將網絡性能從每塊約 1，600 筆提升至 3，000 筆。

而對區塊鏈進行更大的修改，例如將比特幣的區塊大小增加到8MB，則需要一個硬分叉。這將創建兩個版本的比特幣，一個更新版本和一個舊網絡。

分片

分片是將大型交易集劃分為稱為“分片”的較小數據集的擴展技術之一。該網絡並行處理這些網絡分片，支持在幾筆交易上進行順序工作，而不是在每個交易上進行網絡流程。這是一種更快、更有效的機製。

此外，每個網絡節點都分配給某個分片，而不是保留區塊鏈的全部副本。單個分片利用跨分片通信協議交換地址、餘額和一般狀態，同時為主鏈提供證明。

集成分片的區塊鏈示例包括 Ziliqa 和 Tezos。

但需要注意的是，分片是實驗性的，尚未有 Layer 1 成功實施。

什麼是 Layer 2？

第 2 層透過運行區塊鏈協議來提高區塊鏈協議的可擴展性和效率。它將使用外部並行網絡實現遠離 Layer 1 的交易。

為瞭完成交易結果，Layer 2 從主鏈中提取交易組閤，代其處理，然後將交易組閤迴 Layer 1。透過將大部分數據處理抽象到輔助架構，Layer 1 區塊鏈變得不那麼擁擠，最終更具可擴展性。

第 2 層的主要示例包括 Polygon、Optimism、Arbitrum、zkSync 和比特幣閃電網絡。

第 2 層擴展解決方案

下麵介紹瞭 Layer 2 擴展解決方案。

嵌套區塊鏈

嵌套是 Layer 2 擴展解決方案之一，區塊鏈協議可存儲內部或頂部的其他區塊鏈。嵌套區塊鏈架構通常涉及主區塊鏈，該主區塊鏈為更廣泛的網絡設置規則和參數，而執行是在輔鏈的互聯網絡上進行的。

嵌套鏈由父鏈和子鏈組成。父鏈將委托給子鏈執行交易。交易將由子鏈執行，子鏈隨後會將結果告知父鏈。交易完成後，父鏈將嚮 Layer 1 提供結果。 

除非需要解決爭議，否則底層基礎區塊鏈不參與嵌套鏈的網絡操作。由於每個人都在共同努力，因此這是最棒的擴展方法之一，而且速度更快。這一範式中的分工減少瞭主鏈上的處理負載，極大地提高瞭可擴展性。

OMG 等離子項目就是一個例子，該項目是以太坊的第 2 層區塊鏈，可確保更便宜、更快捷的交易。

狀態頻道

區塊鏈與鏈外交易渠道之間的雙嚮通信可透過狀態渠道促進。狀態通道本質上是一種與網絡相鄰的資源，它使用多西格碼或智能閤約機製執行活動，而無需由第 1 層的節點進行驗證。

無需將交易數據提交至 Layer 1，即可執行交易。交易完成後，通道的最終狀態將發送至第 1 層進行驗證。該機製可提高交易速度，提高網絡的整體吞吐量。 州頻道擁有無與倫比的速度和隱私。無需透過礦工等第三方進行路由，國傢渠道是現有最佳擴容解決方案之一。

以太坊 Raiden Network 和比特幣 Lightning Network 都是國傢頻道的示例。這兩種通道均使用哈希時鎖閤約 （HTLC） 執行的狀態通道。雖然閃電網絡允許用戶在短時間內完成大量微交易，但Raiden還將允許用戶透過其渠道運行智能閤約。

像閃電網絡這樣的國傢頻道也完全安全，因為隻有參與者知道交易。另一方麵，以太坊 Layer 1 區塊鏈將所有交易記錄在可公開審計的分類賬中。

側鏈

大型批量交易通常使用側鏈，側鏈是獨特的區塊鏈網絡，具有自己的驗證器（和共識機製），與 Layer 1 共存，以提高其速度和可擴展性。

采用側鏈設計，Layer 1 的主要職責是維護整體安全性、驗證批量交易記錄並解決衝突。側鏈完成主鏈交易處理後，資産將被鎖定。此外，大多數側鏈都有聯閤會或其他獨立的第三方，他們會仔細檢查主網與側鏈之間的活動是否存在任何違規行為。智能閤約或一群人類可以組成聯閤會。

側鏈和狀態通道之間有兩個主要區彆：

1. 在側鏈上進行的交易並非參與者之間的私人交易，而是在賬本上公開交易。 

2. 主鏈和其他側鏈不受側鏈安全漏洞影響。

纍計

在區塊鏈環境中越來越受歡迎的一種擴展方法是捲積。在匯總中，來自 Layer 1 的交易組被捆綁起來，在鏈下處理，然後加載迴主鏈。

因此，第 1 層無需獨立處理所有事務。Rollup 使以太坊等 Layer 1 網絡更具可擴展性。匯總的功能也有所不同。其他人則采用樂觀的態度，而有些人則采用零知識程序。

捲積有兩種類型：

• 樂觀匯總：這些假設交易默認有效。因此，隻有在遇到挑戰時，他們纔會進行計算來檢測欺詐行為。

• 零知識匯總：這些匯總在鏈下運行計算。隨後，他們將有效性證明提交至基層或主鏈。

匯總有助於提高交易吞吐量、開放參與，並降低用戶的礦工費。

第 1 層和第 2 層的局限性

區塊鏈分層具有諸多優勢。例如，Layer 1 解決方案的主要優勢在於，由於基層發生變化，開發人員無需為現有架構添加任何內容。

同時，Layer 2 擴展解決方案不會篡改基層協議。此外，這些解決方案支持多種微交易，無需用戶支付高額手續費，也無需浪費時間進行礦工認證。

然而，這兩個區塊鏈層都有需要考慮的局限性。

新增現有協議

區塊鏈層的主要問題是將其添加到現有協議中。比特幣和以太坊都有數十億的市值。用戶每天交易數百萬美元。因此，透過不必要的編碼和實驗使這一過程復雜化是沒有意義的，因為這需要大量資金。

第 1 層和第 2 層的未來是什麼？ 

可擴展性是目前區塊鏈行業無法大規模采用加密貨幣的原因之一。隨著加密貨幣需求的增加，區塊鏈協議的擴展壓力也將增加。由於兩個區塊鏈層都有一定的局限性，因此未來的解決方案將是構建一個能夠解決可擴展性問題的協議。 

結語

關於上述瓶頸，有兩種選擇可供選擇：1） 減少結垢問題，或 2） 尋找可行的替代方案。區塊鏈開發者正在選擇前者，轉嚮以太坊的 Layer 2 擴展。

在發布時，區塊鏈系統仍在開發中。未來最迫切的問題是區塊鏈層和 Layer2 擴展是暫時的還是永久的。