什麼是layer2? 從狀態通道到Roll Up

以太坊區塊鏈日趨廣泛使用，但是協議的負載量卻十分有限，使得鏈上十分擁堵，而且手續費越來越高，許多大規模應用無法在以太坊網絡實現，十分不利於以太坊區塊鏈的生態發展。在這種情況下出現了Layer2方案。

狀態通道

狀態通道

狀態通道

狀態通道是Layer2的入門級方案，狀態通道是交易雙方在鏈下構建一個通道，通過私鑰簽名以後，在鏈下進行交易。狀態通道是一種擴容（scale up）的手段。

如何使用支付通道？

如何使用支付通道？

比如建立價值為100美元的以太坊支付通道，首先進行資金鎖定，一旦鎖定完成，交易者雙方可互相發送形式為[輪次，金額，簽名] 的狀態更新來實現轉賬，無需與主鏈進行交互，只要雙方的餘額都還為正值即可。一旦有一方想要停止使用支付通道，可以執行“退出” 操作：將最後的狀態更新提交至主鏈，結算下來的餘額會退給發起支付通道的兩方。主鏈可以通過核實簽名和最後結餘來驗證狀態更新的有效性，從而防止交易雙方使用無效狀態來退出支付通道,保證退出機制的安全性。

狀態通道的缺點

1. “退出” 模式存在一個問題，即主鏈無法驗證支付通道是否提交了全部交易，也就是說，在提交了狀態更新之後是否不再出現新的狀態更新。

側鏈

側鏈

側鏈

側鏈的核心思路是構建一條完全獨立的區塊鏈，有自己的驗證者和運營者，可以與主鏈互相轉移資產，而且會選擇性地將區塊頭的快照發送至主鏈，從而防止分叉產生。有了這些快照，就可以有效防止分叉，即便側鏈上的驗證者串謀起來發動分叉攻擊也沒用。

從上圖可以看出，側鏈會生成區塊並將它們的快照發送至主鏈。所謂的快照就是存儲於主鏈上的區塊哈希。側鏈上的分叉選擇規則是，合法的鏈必須構建在最近一個進行過快照的區塊之上。在上圖所示情況下，區塊A 的快照已經發送至主鏈，即使側鏈上的驗證者勾結起來，試圖在區塊A 生成之後生成一條更長的A'<-B'<-C ' 鏈來發動雙花攻擊，側鏈上的參與者也會忽略這條更長的鏈。

側鏈的缺點

安全性弱。雖然側鏈可以利用主鏈的安全性來防止分叉，但是驗證者依然可以通過串謀來發動另一種叫做無效狀態轉換的攻擊。這種攻擊背後的思路是，主鏈本來就不可能驗證側鏈上的所有區塊。因此，如果有超過50% 或66%（取決於側鏈的架構）的驗證者串謀的話，他們可以創建一個完全無效的區塊，竊取其他參與者的資產，並將這個區塊的快照發送至主鏈，發起並完成一個“退出”交易，就可以成功偷走這些資產。

等離子體Plasma

Plasma 是一種可以實現“無監管” 側鏈的技術，換言之，即使側鏈（通常被稱為“plasma 鏈”）上所有驗證者串謀起來作惡，plasma 鏈上的資產也是安全的，而且可以退回主鏈。

最簡單的plasma 設計通常被稱為Plasma Cash ，只支持簡單的非同質化代幣，而且每個交易轉移的資產只能是一個特定的常量。 Plasma Cash 的運行方式如下圖所示：

等離子體的結構是通過使用智能合約（smart contracts）和默克爾樹（Merkle trees）建立的，可以創建無限數量的子鏈- 基本上都是父鏈以太坊區塊鏈的較小複製。在每個子鏈的頂部，可以創建更多的鏈，這就是它被稱作樹狀結構的原因。 Plasma 最大的優點是存儲在plasma 鏈上的代幣安全性很高。

等離子體Plasma的缺點

在轉移代幣之時必須提供該代幣的完整歷史，另外就是退出機制非常複雜。而且無法應用到智能合約上，用戶跑節點的負擔重。

Roll Up

Rollups是目前最為主流的擴容方案，其本質是將原本分佈在區塊中的大量交易數據，打包成一筆集合的交易，發佈到鏈上。 Roll Up 實際上是一條側鏈，因此它會生成區塊，並且將這些區塊的快照發送到主鏈上。不過，Roll Up 上的運營者是無需信任的。也就是說，Roll Up 假定運營者可以在任何時候做出停止出塊、生成無效塊、隱瞞數據等惡意行為。

上面說到側鏈有狀態有效性的問題，Roll Up 為了避免這個問題，運營者要對某個區塊進行快照之時，都要提供一個SNARK（簡潔化的非交互式知識證明），證明鏈已經使用相關的一組交易執行了有效的狀態轉換。以下圖為例：

Roll Up 鏈上有三個區塊：A、B 和C 。它們的快照分別對應主鏈上的區塊X、Y 和Z 。每到一個時間點，主鏈只需要存儲Roll Up 鏈上最新狀態的默克爾根。在區塊A 進行快照之時，發送到主鏈上的交易包括：

1. 新狀態S2 的默克爾根h(S2)。

2. S2 的完整狀態數據，或區塊中的所有交易。

3. 一個zk-SNARK，證明在從狀態哈希h(S1) 到狀態哈希h(S2) 之間的所有交易都是有效的，並且這些交易都與（2）中提供的數據相匹配。

Rollups 有兩種類型：ZK Rollups 和Optimistic Rollups。

ZK rollups

ZK rollups是指通過智能合約將數百個鏈下交易打包到一個單獨的交易中，數據提交以後，智能合約可以確認全部的交易，這也被稱為有效性證明。由於區塊包含的數據更少，因此驗證速度更快，驗證成本更低。但ZK rollups無法支持智能合約。

zk Rollup 是一種新型的Layer 2 擴容方案，主要用於去中心化交易所。該技術的核心思想是：

l 將主鏈作為存儲媒介，而非共識引擎；

l 將交易壓縮，並在鏈下達成狀態共識；

l 用零知識證明保證鏈下狀態共識的安全性。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollup 是一種在layer2 上使用OVM （Optimistic Virtual Machine）擴展以太坊通用智能合約的技術。 OVM 的功能很齊全，可以與以太坊虛擬機兼容執行環境，其主要用於第2 層系統。它的外觀，感覺和行為非常類似於以太坊主鏈。 Optimistic Rollup 的構造大量借鑒了Plasma 和ZK Rollup 設計。但某種程度的在擴展性上進行了權衡，以允許在受Layer 1 保護的Layer 2 中運行完全通用的智能合約。

Optimistic Rollup繼承自Plasma 的「欺詐證明」，默認「樂觀地」（Optimistic）相信節點會將最新且準確的數據發佈到主鏈上，所以從安全性來說，會略低於主網。雖然本金喪失風險很低，但可能會付出時間成本（退出期較長）。

該技術的核心思想是：

l 默認交易速度為100 TPS。

l 使用BLS 簽名聚合時，此數字最多可以達到500 TPS。

l 如果EVM 兼容性受到破壞，則吞吐量理論上可能會增長到ZK Rollup 的極限。

l 實際吞吐量上限（令牌傳輸）：500 TPS。