區塊鏈 Layer 1 與 Layer 2 擴展方案解析

區塊鏈技術提升信任、加強安全性、改善透明度，並增加商業網絡中共享數據的可追溯性，同時降低成本和簡化流程。

 

由於這些優勢，區塊鏈網絡的發展無法避免。使用創新技術，例如尖端的擴展技術、分片技術、改進的安全協議和去中心化計劃，保持競爭力至關重要。本文旨在探討這些發展中的變化，並展示區塊鏈如何隨著時間的推移擴展及提升價值。

 

區塊鏈的擴展性是加密貨幣的重要組成部分，通常被稱為「區塊鏈三難困境」。Ethereum 開發者 Vitalik Buterin 首次提出這一概念，指出同時實現去中心化、擴展性和安全性是不可能的。加密項目必須犧牲三個特性之一才能解決這一困境。

 

尋找平衡這三方面的解決方案對於區塊鏈的長期採用至關重要。因此，需要各種創新技術和解決問題的舉措來應對這一挑戰。

 

 

 

我們可以將區塊鏈網絡擴展解決方案分為區塊鏈 Layer 1 和 Layer 2。需要注意的是，它們使用的機制不同以達到各自的目標。

 

簡而言之，我們可以將 Layer 1 解決方案分類為

• 分片技術 是一種受分佈式數據庫啟發的系統，它將整個區塊鏈網絡的狀態進行分割。

• 更改共識機制 從 PoW 轉為 PoS，使區塊鏈網絡更具擴展性、能源效率，同時實現更高的吞吐量和去中心化。

• SegWit 是一種將簽名從交易數據中分離的方法。

 

我們可以將 Layer 2 解決方案分類為

• 狀態通道 旨在幫助擴展性，允許交易在主區塊鏈之外進行。

• 側鏈 通過允許區塊鏈之間的資產轉移來提高互操作性。

• Roll-ups 收集交易數據並將其移離主鏈，這樣可以在鏈外執行交易，同時將資產保存在鏈上智能合約中。

 

Layer 1 是網絡運作的基礎，也被稱為基礎區塊鏈。這些區塊鏈 Layer 1 擴展解決方案也被稱為鏈上擴展。它們通過使網絡能夠自行處理交易來運作。

 

Bitcoin 和 Ethereum 是兩個最著名的 Layer 1 網絡示例。這些網絡使用去中心化共識模型來保障交易安全。此外，在確認交易之前，許多節點會驗證交易。

 

然而，隨著這些網絡的普及，對更快的確認時間和更低交易費的需求也在增長。

 

Layer 1 解決方案提供了各種方法直接提升區塊鏈網絡的擴展性。修改協議規則、更大的區塊大小和更快的區塊生成是 Layer 1 擴展中使用的一些方法。為了實現這些解決方案，網絡的社群可能需要對網絡進行硬分叉或軟分叉，例如 Bitcoin 的 SegWit 更新。

 

增加網絡吞吐量的另一種方法是分片技術。它將區塊鏈的操作分為較小的部分，這些部分可以並行而非順序地處理數據。

 

Layer 1 解決方案示例

Layer 1 解決方案是對主要區塊鏈網絡架構的升級，無需添加覆蓋層。這些解決方案通過改變底層架構或基礎協議來提高網絡效率。

 

許多技術有助於實現 Layer 1 擴展。一些方法包括增加每個區塊中的數據量或加快區塊確認過程。

 

其他區塊鏈更新包括改進共識協議或實施分片技術。

 

Ethereum 2.0、 Cardano 的 Ouroboros PoS 共識機制、Bitcoin 的 SegWit、 Algorand 的純 PoS 共識，以及 Fantom 的 aBFT（異步拜占庭容錯）共識機制都是 Layer 1 擴展解決方案的示例。

 

Layer 1 區塊鏈如何擴展？

有許多方法可以提升各種區塊鏈的效率。

 

分片技術 

分片技術是一種受分佈式數據庫啟發的方法。它是一種突出的 Layer 1 擴展方法，將整個區塊鏈網絡的狀態分割為較小的數據量。我們稱這些部分為 shard。

 

每個節點分配到一個特定的 shard。每個 shard 允許同時處理多筆交易並提升網絡性能。shard 之間通過跨分片通信協議共享地址、餘額和狀態。 Zilliqa 使用「基於交易的分片」，將交易分成小組並由不同的 shard 並行處理。

 

權益證明 (Proof-of-Stake, PoS)

權益證明是共識機制中最具效能的一種。與比特幣等主要區塊鏈網絡目前使用的工作量證明相比，權益證明消耗更少的能源。以太坊向以太坊2.0轉換的過程中採用了 PoS 共識機制，提升了可擴展性、安全性以及能源效率。

 

這項特性對於當今追求更環保運行方案的各行業尤為關鍵。權益證明機制不需要礦工解決加密運算，而是透過參與者在網絡中抵押資產來確認新的區塊。

 

隔離見證 (Segregating Witness, SegWit)

隔離見證，簡稱 SegWit，是一種將簽名從交易數據中分離並移除部分交易內容的技術。這能為區塊騰出更多空間以處理更多的交易。

 

SegWit 解決了比特幣網絡的區塊大小限制問題。先前，區塊的大小被限制為最大 1 MB，導致每個區塊僅能容納有限量的交易，在網絡流量高峰時造成處理時間過長的問題。

 

透過移除簽名並將其獨立存放於另一結構中，交易的權重得以降低，使數據處理與驗證負載更為迅速。由於數字簽名曾占據單筆交易 65% 的空間，見證結構如今僅保留原大小的四分之一。

 

需要注意的是，SegWit 具備向後相容性，這意味著已經新增該協議的節點可以與尚未升級的節點進行互動。這使現有協議能平穩過渡到新協議，同時將網絡中斷降至最低。

 

Layer 1 擴展解決方案的優勢

以下是 Layer 1 擴展解決方案提供的一些優勢：

 

無需獨立鏈

Layer 1 解決方案相比 Layer 2 解決方案擁有多項優勢，因為它們不需要獨立鏈或者相關的改進，這些改進可能會干擾底層結構。相反，這些解決方案通過修改協議規則來提升交易容量和速度，從而服務更多的用戶和數據。

 

修改網絡底層協議以提升擴展性

Layer 1 區塊鏈解決方案通過修改網絡的底層協議來改善擴展性。

 

這些技術具有多種優勢，包括更高的交易吞吐量、更高的網絡效率、增強的安全性、更低的交易費用、長期可擴展性以及保持去中心化。

 

Layer 1 解決方案可能降低網絡交易費

這些解決方案可能透過減少網絡擁堵來降低交易費用，因為使用者不再需要爭奪區塊空間。此外，與 Layer 2 解決方案需建立在底層協議之上不同的是，Layer 1 解決方案通過永久性更改來提供長期的可擴展性效果。

 

直接對共識協議實施更改

最後，通過更直接地調整共識協議，Layer 1 解決方案保證網絡保持去中心化並由使用者控制，而非由少數實體掌控。Layer 1 解決方案的開放環境使新工具和開發的簡單整合成為可能，從而成為區塊鏈生態系統中多功能且可適應的選擇。

 

Layer 1 擴容解決方案的局限性

然而，Layer 1 擴容解決方案也存在一些缺點或局限性，包括：

 

礦工潛在收入損失

一個眾所周知的例子是從工作量證明（Proof of Work）轉換到權益證明（Proof of Stake）可能導致驗證者無法獲得預期的收益。由於這種更高效的方法可能限制礦工提升擴展性的能力，因此可能造成收入損失。

 

單個節點儲存與頻寬的限制 

儘管針對區塊鏈第一層（Layer-1）解決方案已經進行了大量研究，擴展性解決方案仍需要進一步探討。單個節點儲存與頻寬的限制對區塊鏈系統的性能構成顯著挑戰。

 

潛在的網絡擁塞問題 

隨著每秒交易數量（TPS）的增加，更多的區塊數據在網絡中傳播，可能引發網絡擁塞問題。

 

跨分片交易的挑戰

分片技術將區塊鏈劃分為不同的分片，並隨著節點數量的增加而擴展，是一個可行的解決方案。然而，提高跨分片交易的效率仍然是一項正在進行中的工作。

 

此外，跨分片交易需要更多的頻寬，並且導致確認時間更長。需要一種更有效的方法來減少確認延遲，而在這方面仍有很大的發展潛力。

 

任何運行於區塊鏈（也稱為 Layer 1）之上的網絡、系統或技術，並提供額外功能和改進的，都是 Layer 2。Layer 2 網絡必須透過基層網絡確認其交易，以確保底層區塊鏈的安全性。

 

這與側鏈等系統形成對比，側鏈通常具有不同的共識機制和安全保證。Layer 2 網絡為面臨擴展性挑戰的區塊鏈提供了解決方案，能夠在保持去中心化和安全性的同時實現更快速和更高效的交易。

 

Layer 2 擴展解決方案是確保區塊鏈採用所需效果的複雜方法，並在解決三難困境方面更進一步。

 

第二層擴展方案的類型

Rollups 

Rollups 通過在鏈下執行交易和智能合約並在鏈上驗證它們來提升區塊鏈的擴展能力。與傳統的鏈上交易相比，這能夠提高交易吞吐量並降低成本。Rollups 提供三種不同的擴展方案：鏈下處理、批量交易以及至少需要一個誠實的驗證者。

鏈下執行是 Rollups 的主要元素。第二層網絡代表基礎區塊鏈執行交易，無論是與其他用戶還是智能合約進行交易。

基礎區塊鏈的工作量得以減少，因為它僅需運行驗證以及存儲原始交易數據，這使交易成本更低。批量交易涉及將多個原始交易數據集合併為更大的批量，並上傳至區塊鏈。

 

最後，Rollups 只需要一個誠實的驗證者來確認基層區塊鏈的交易。這能夠減少所需的驗證者數量，同時提高硬件要求且不影響安全性。

 

狀態通道

狀態通道是一種第二層方案，允許多方在鏈下進行多次交易，而無需將每筆交易廣播至整個網絡。此鏈下交易通道通過減少網絡處理的交易數量以及相關費用來改善區塊鏈的擴展性。

 

閃電網絡運行於 Bitcoin 區塊鏈之上，是一個狀態通道的實際應用例子。閃電網絡允許用戶進行多筆鏈下交易，從而實現更快的結算時間和更低的交易成本，同時提升 Bitcoin 區塊鏈的擴展性。

 

側鏈

側鏈是透過雙向掛鉤系統或橋接技術連接的獨立區塊鏈網絡。側鏈擁有自己的共識方法，適用於特定交易，使其更加高效且成本低廉。但側鏈並不繼承主鏈的安全性功能，使用者需要完全依賴側鏈的安全性，包括參與其共識程序的節點。

 

側鏈為主鏈擁堵提供了解決方案，減低所有用戶的成本，同時提升整個生態系統的擴展性和實用性。開發者也可以利用側鏈來測試主鏈上無法實現的新功能和應用場景。

 

Polygon PoS、Skale和Rootstock是一些受歡迎的側鏈。Ethereum 2.0 包含與最近發布的 Beacon Chain 連接的分片鏈形式，並希望在未來成為主 PoS 基礎的 Ethereum 主鏈。

 

Layer 2 解決方案的例子

Arbitrum、閃電網絡、Optimism 和 Polygon 是受歡迎的 Layer 2 區塊鏈。

1. Arbitrum 是一個基於 Ethereum 的 Layer 2 解決方案，透過 Optimistic Rollups 提升效率。它的吞吐量更高，費用更低，同時受益於 Ethereum 主鏈的安全性和互操作性。Arbitrum 的原生代幣 ARB 用於治理，而該平台已轉型為去中心化自治組織（DAO）。

2. Lightning Network 是一個 Bitcoin 的 Layer 2 解決方案，旨在加快交易速度並降低成本。通過將部分交易請求轉移至 Lightning Network，比特幣主網可以更快速運行。Lightning Network 致力於讓比特幣更接近點對點電子現金，擁有比主鏈更低的費用和能源消耗。

3. 基於 Ethereum，Optimism 是一個 Layer 2 區塊鏈。它透過使用 Optimistic Rollups 推動 Ethereum 生態系統擴展，同時受益於 Ethereum 主網的安全性。Optimism 擁有 97 個協議，包括 Synthetix, Uniswap, 和 Velodrome，並且總鎖倉價值超過 5 億美元。
   您可以透過將該鏈新增至您的 MetaMask 錢包並將 ETH 等幣種橋接至 Layer 2 平台來訪問 Optimism。

4. 最後，Polygon 網絡旨在解決 Ethereum 的挑戰，例如高費用和低交易吞吐量，通過打造一個「區塊鏈互聯網」，讓開發者能快速推出自己的 Ethereum 兼容區塊鏈。此項目願景是一個區塊鏈之間自由便捷地交換價值和知識的社會，跨越技術和理念的界限。Polygon 網絡從 Matic Network 重新品牌，以反映其擴展後作為大規模擴展、協同區塊鏈網絡骨幹的目標。

 

Layer 2 擴容解決方案的優勢

我們可以通過我們提供的區塊鏈示例來探討 L2 擴容解決方案的優勢。

1. Arbitrum 利用樂觀卷軸技術提升效率，達到更高的吞吐量並降低與 Ethereum 相比的費用。它還使用其原生貨幣 ARB 進行治理，並已切換至 DAO 框架。

2. 交易也變得更快速——以一個明確的例子來說，Lightning Network 致力於使 Bitcoin 交易更快且更經濟，讓加密貨幣更像點對點的數字金錢。此外，Lightning Network 的另一個目標是降低能耗，比起主鏈消耗更少的電力。

3. Optimism 通過樂觀卷軸助力 Ethereum 生態系統的擴展，解決了可擴展性提升的需求。要使用 Optimism，只需將鏈添加到 Metamask 錢包並將代幣橋接至 Layer 2 平台，從而提高可訪問性。

4. Polygon 的目標是創建一個「區塊鏈的互聯網」，使區塊鏈能夠自由交換價值和信息，從而跨越技術和理念的障礙。

 

Layer 2 擴容解決方案的限制

Layer 2 解決方案包括受限的交易、減少的互聯性、基礎區塊鏈的流動性下降，以及增加了使用過程中的摩擦。

 

當交易被限制在特定的 Layer 2 協議時，互聯性可能受到限制甚至完全喪失，因為一個 Layer 2 dApp 可能無法與另一個使用不同協議的 Layer 2 dApp 或主 Layer 1 區塊鏈上的 dApp 進行連接。

 

此外，創建獨立的 Layer 2 空間可能導致流動性分布更為稀疏，例如 Ethereum 的情況，其依賴於其平台上所有金融商品和代幣的強大且流動的市場。

 

同時，在主 Layer 1 區塊鏈協議之上添加多個 Layer 2 解決方案可能會增加使用過程中的摩擦與耗時，因為數據和信息的傳輸可能需要更多的帳戶和橋接。此外，消費者可能更難以管理他們的資金並跨不同的 Layer 2 協議確保安全。

 

區塊鏈第一層和第二層擴展解決方案之間的主要問題是它們的行為和功能如何。通過它們對生態系統的益處來進行比較是沒有意義的，因為它們各自具有獨特的特性。

 

第一層區塊鏈是自成一體的網絡，包含所有必要層，例如數據可用性、共識和執行。它們以安全性為重點，為特定的第二層解決方案提供堅實的基礎。第二層擴展解決方案依賴於第一層區塊鏈並存在以支援它們。

 

第一層區塊鏈通過修改共識算法和分片等方法來實現擴展性。第二層擴展解決方案則使用狀態通道、嵌套區塊鏈、Rollups 和側鏈等技術來改善網絡性能、可編程性、交易請求以及費用。

 

第一層網絡作為真相的來源，負責結算交易。它們還擁有原生代幣，用於訪問網絡資源，並且經常處於共識機制創新的前沿。第二層解決方案提供與第一層解決方案相同的功能，但額外增加了性能提升和成本降低等好處。每個第二層解決方案都有自己將交易映射回基礎第一層網絡的方法。

 

以太坊 2.0 對第一層和第二層網絡的影響 

即將到來的 以太坊 2.0 升級 標誌著一個可能改變第一層和第二層網絡的重要時刻。自 合併 以來，即以太坊從工作量證明轉向股權證明共識機制，其開發者一直致力於改進網絡的效率、可擴展性和安全性。 

 

Ethereum 2.0 代表了以太坊在擴展性和吞吐量上的重大進步，旨在每秒處理高達 100,000 筆交易，遠超目前每秒約 30 筆交易的處理能力。此升級解決了困擾以太坊網絡的擁堵問題，為用戶帶來更流暢且高效的使用體驗。 

 

然而，以太坊 2.0 並不會讓 Layer 2 解決方案失去價值；相反，它強化了 Layer 2 在提升以太坊擴展性中的重要作用。Layer 2 解決方案繼續提供獨特的優勢，例如支持複雜的 DeFi 操作以及促進不同區塊鏈協議之間的互操作性。 

 

儘管以太坊 2.0 帶來顯著改善，但僅依靠 Layer 1 的擴展性仍存在一些局限性，突顯了 Layer 2 解決方案的相關性。其中一個顯著的局限性是可組合性，這是一項能讓不同協議無縫互動的 DeFi 關鍵功能。Layer 2 解決方案在鏈間可組合性方面存在限制，導致分散的用戶體驗。然而，像 Polygon 這樣的項目正致力於通過提供可互操作的 Layer 2 結構來填補這一缺口，但全面實施可能需要一些時間。

 

Layer 2 擴展解決方案在多個行業中有著廣泛的實際應用。以太坊作為最突出的 Layer 1 區塊鏈之一，提供了多樣化的應用，其中包括像 MakerDAO 這樣的 DeFi 項目，其利用複雜的以太坊智能合約創造由以太坊支持且固定在 $1 的穩定幣 (DAI)。

 

金融

以太坊還提供支持智能合約的貸款及其他金融應用、商業及支付交互，以及數據存儲。此外，其區塊鏈技術可在全球數百萬台伺服器之間安全傳輸數據，具有徹底改變我們存儲和傳輸數據方式的潛力。

 

另一個知名的 Layer 2 選擇是 Lightning Network，能夠改變數字交易和金融應用的多個領域。它提供更快、更便宜且更具擴展性的交易，使 Layer 1 區塊鏈無法實現的用例成為可能。Lightning Network 可用於多種用途，包括微支付、匯款、遊戲、快速結算等。例如，在微支付領域，Nostr（一個去中心化社交網絡）使用 Lightning Network 讓用戶能在平台內發送和接收微支付。

 

Strike 是一款智能手機應用程式，利用 Lightning Network 提供快速且低成本的跨境資金交易。THNDR Games 將 Lightning 的熱情融入其手機遊戲內，提供刺激且沉浸式的遊戲體驗。OpenNode 是一款支付處理技術，允許零售商透過 Lightning Network 接受比特幣付款，降低交易費用並提供近乎即時的結算。

 

NFTs

此外，Ethereum 是NFT 市場的基礎，通過非同質化代幣實現藝術品、音樂和其他媒體的貨幣化。

 

Polygon 是另一個對DeFi市場影響深遠的 Layer 2 解決方案。截至 2023 年 6 月，Polygon 在 DeFi 領域的總鎖定價值約為 13 億美元，並被Compound和Aave等最大型 DeFi 平台使用。Polygon 也支持 NFT 交易，並提供低廉的交易費用來進行 NFT 購買和銷售。

 

遊戲

Polygon於2021年7月成立了Polygon Studios部門，旨在將遊戲從Web 2.0過渡到Web 3.0。該部門通過提供市場推廣支持、社群支援以及投資，協助有意在Polygon上建立遊戲的創作者。Ethereum網絡的強大功能與Polygon的Commit Chain擴容技術相結合，可以緩解區塊鏈遊戲中網絡延遲及交易速度緩慢的擔憂。

 

Polygon還可以提升遊戲內NFT交易的效率，這已被多個使用Polygon來改善用戶體驗的GameFi和NFT dApp所證明。

 

區塊鏈協議的擴容解決方案正被積極研究和開發以面向未來。開發者正在探索分片技術、鏈外交易以及Layer 2解決方案，以提升系統的吞吐率及區塊鏈網絡的擴展性。這些解決方案旨在解決區塊鏈網絡的不足，例如交易速度緩慢及費用過高，使其更適合主流應用。

 

混合區塊鏈版本可以結合兩者的優勢，實現最佳效果。許多擴容策略可以使區塊鏈更易用、更快速並更符合新用戶的需求。

 

區塊鏈擴容解決方案的未來將對加密貨幣的主流採用產生深遠影響。隨著區塊鏈網絡變得更加可擴展，它將更適合日常區塊鏈交易及其他主流應用。

 

這將提升加密貨幣的吸引力和採用率，使其對更廣泛的受眾更加易於接觸。此外，隨着區塊鏈網絡變得更加可擴展，它們將更好地滿足去中心化金融（DeFi）和其他基於區塊鏈的應用日益增長的需求。由於區塊鏈服務為現實世界的問題提供了許多解決方案，其發展和擴展在當前時代是不可避免的。

 

總而言之，區塊鏈擴展解決方案的未來看起來充滿希望，目前正進行中的研究與開發致力於改進這些新區塊鏈網絡的可擴展性，例如 LayerZero。結合多種解決方案以獲得最佳結果的混合方法，為未來帶來了更多吸引人的可能性。

 

這些舉措對主流加密貨幣採用的影響不容忽視，因為更具可擴展性的區塊鏈網絡將更好地應對對去中心化金融和其他基於區塊鏈應用日益增長的需求。

 

由於這些改進，我們正邁向一個更實用、更易於接觸、更安全的數字環境。對於身處區塊鏈行業的人來說，這是一個充滿無限可能的激動人心時刻。