扩容解决方案：什么是 Layer-1 和 Layer-2 协议

在过去几年里，crypto 和 blockchain 行业经历了真正的繁荣，用户数量和交易数量也显著增长。尽管没有人能否认这项技术的革命性，它也开始面临可扩展性问题——即系统随需求增长而扩展的能力。

扩容方案是为了什么？

去中心化意味着计算能力和共识分布在整个网络中，而安全性则体现了 blockchain 对恶意行为者和黑客攻击的防御能力。这两个特性都被认为是 blockchain 网络的核心要素。 

高度安全的去中心化系统往往会在交易吞吐量方面遇到问题，这就引出了一个被称为 Blockchain Trilemma 的难题。它指出，同时实现高水平的安全性、去中心化和可扩展性几乎是不可能的，现实中 blockchain 网络最多只能在三者中实现两项。 

不过，许多开发者正在努力解决这个问题，并且已经取得了一些重要成果。Blockchain 网络可扩展性的提升方案可分为 Layer-1 和 Layer-2 解决方案。它们各自拥有不同的机制、优势和复杂性。 

扩容方案的重要性

虽然 blockchain 是一种更公平、更安全的持有和管理资金的方式，但中心化金融机构在吞吐量方面要高效得多。例如，Visa 号称每秒可处理 6.5 万笔交易，而 Bitcoin 只有 7 笔，Ethereum 也只有 15 笔。 

为了与中心化支付处理系统竞争，blockchain 网络需要更高的可扩展性，以便容纳不断增长的用户、交易和数据。如果什么都不做，blockchain 会被一笔接一笔卡住的交易堵塞。系统将无法一次性处理所有交易，这会造成用户体验上的不平衡。 

什么是 Layer-1 Blockchain？

Layer-1 扩容方案侧重于链上改进。它们修改基础协议和网络架构，以提供更高的吞吐量。例如，Bitcoin、Ethereum、Binance Smart Chain 和 Litecoin 都是 Layer-1 blockchain 网络。Layer-1 扩容方案增强的是基础层，也就是协议本身。

Sharding

Sharding 借鉴自分布式数据库，并成为最受欢迎的 Layer-1 扩容方案。通过 sharding，整个 blockchain 网络会被拆分成称为 shards 的片段或数据集，这样节点维护 shards 就比维护整个网络更容易。所有 shards 会同时处理，从而允许对大量交易进行并行处理。 

每个节点也会被分配到不同的 shards。各个 shard 会向主链提供证明，并通过跨 shard 通信协议彼此交互，以共享地址、整体状态和余额。 

Ethereum 2.0，即 Ethereum blockchain 的新版本，采用了 sharding 作为扩容方案。

另一个使用 sharding 的 Layer-1 blockchain 是 Elrond。它通过 Adaptive State Sharding 和安全的 Proof-of-Stake 共识机制，实现了 100 000 TPS（每秒交易数）的吞吐量。 

Harmony blockchain 网络是另一个通过应用 shards 来实现更高可扩展性的项目示例。它侧重于使用 zero-knowledge proof 和 Decentralized Autonomous Organisations。 

共识机制改进

某些共识机制比其他机制更高效。例如，Bitcoin、Ethereum、Litecoin、Doge 等使用的 Proof-of-Work 提供了较高水平的去中心化和安全性。但与此同时，它速度相当慢，因此许多开发者在开发网络时会选择 Proof-of-Stake。 

即使是现有的 blockchain 也可以更改共识机制，而最好的例子就是 Ethereum：它计划迁移到 Proof-of-Stake 共识机制，以提高 blockchain 的容量和去中心化程度，同时仍保持高水平的安全性。 

总体来说，如今大多数升级后的 Layer-1 和 Layer-2 blockchain 都采用 Proof-of-Stake 共识机制或其变体。由于它消除了计算机为验证而竞争的需要，PoS 本身就更具扩展空间。

Kava blockchain 可以很好地说明 Layer-1 网络如何通过使用 Tendermint Proof-of-Stake 共识算法来提升可扩展性，从而改善 EVM co-chain 上的交易。 

Solana 被认为是新一代的 Layer-1 blockchain 协议，它采用了一种新颖且颇具前景的 Proof-of-History 共识机制，并成功将吞吐量提升到每秒 3000 多笔交易。 

其他一些不那么流行的 crypto Layer-1 方案还包括 reparameterization 和创建替代 Data Structures。这些方法的主要优势在于，它们能提供最有效的大规模改进。

Layer-1 方案的问题 

Layer-1 方案的主要问题之一是，网络验证者必须通过 hard fork 就变更达成一致。而这并不总是那么容易，因为在某些情况下，他们的利润会受损。例如，当 blockchain 从 Proof-of-Work 转向 Proof-of-Stake 时，矿工会失去收入，因此可能会否认对可扩展性的需求。 

什么是 Layer-2 Blockchain？

Layer-2 方案侧重于通过运行一条平行 blockchain，或在原链之上构建第三方网络，来创建链下解决方案。换句话说，这第二层也称为计算层，用于缓解主网络或父网络的拥堵。这是提升 blockchain 可扩展性最简单、最快速的方法。

协议中的一部分交易会转移到相邻的 blockchain 架构中，由其处理交易，最后只将结果回传给父链进行最终确认。Layer-2 方案通常会与 Layer-1 方案结合使用。 

最佳的 layer-2 方案包括连接传统链与去中心化应用的可扩展桥梁，这也促生了 PoS 的新变体，例如 Liquid Proof-of-Stake、delegated Proof-of-Stake、Hybrid PoS 等。 

应用 Layer-2 方案的主要方式包括 Nestchains、Rollups、State Channels 和 Sidechains。 

嵌套区块链 

嵌套 blockchain 通常是位于另一条 blockchain 之上的附加网络。它通常需要一条基础 blockchain 来设定更大网络的参数，而交易和 smart contracts 执行则发生在相互连接的次级链上。多个网络可以作为子链构建在主链之上。主链将操作委派给子链，子链独立于主链处理后，再将结果返回给父链。只有在需要解决争议时，才需要主链参与。  

Sidechains 

Sidechain 是附加在主链上的一条辅助链。它通常用于大批量交易。Sidechain 使用独立的共识算法，与主链不同，并从零开始独立构建。这种机制可针对速度和可扩展性进行优化。这里的主链负责维护安全性、确认交易批次并解决冲突。 

Sidechain 与 state channel 的区别在于完整路径的数量。所有交易都记录在公共账本上，且对所有参与者可见。重要的是，sidechain 中的漏洞不会影响主链。 

Plasma network 是 Ethereum 的一种 sidechain Layer-2 方案示例。它由以树状结构连接的小型 blockchain 组成。 

State Channels

State channels 用于提升 blockchain 的整体性能。它们还改善了 blockchain 与链下交易通道之间的双向通信。State channel 不需要 Layer-1 节点验证，而是使用多重签名或 smart contract 机制。已完成的交易会记录到基础网络中。 

State Channels 的例子包括 Celer、Bitcoin Lightning 和 Ethereum 的 Lightning Network。此类方式的主要问题在于，state channel 会牺牲一定程度的去中心化，以换取更高的可扩展性。 

Roll-Ups 

Roll-ups 在主 blockchain 之外执行交易操作，但会将相关数据提交到 layer-1，从而在基础层保障交易安全。得益于在链下执行，费用会降低。smart contracts 在 layer-1 上运行，但使用主 blockchain 的数据在 layer 2 上执行交易。Optimistic roll-ups 默认假设交易是正确的，只有在通过 fraud-proof 发起挑战时才会进行计算。Zero-knowledge roll-ups 在链下执行计算，并向主链提交有效性证明。 

Cartesi、Fuel Network、Optimism 和 Boba 是使用 optimistic roll-ups 的 Layer-2 blockchain。Loopring、Immutable X、Starkware 和 Polygon Hermez 则是使用 zero-knowledge roll-ups 的 Layer-2 方案。 

Layer-2 方案的问题

Layer-2 crypto 的主要问题在于，这里丧失安全性的风险要高得多，因此用户会更容易信任像 Bitcoin 或 Ethereum 这样有良好安全记录、韧性更强的项目。不过，由于交易速度和成本的优势，如今他们会越来越多地转向 Layer-2 网络。因此，专家认为 Layer-2 的未来在于特定应用领域，而更大的 blockchain 仍将占据主导地位，并把重点放在安全性上。 

结论 

可扩展性是全球 crypto 普及道路上的主要障碍。解决方案是构建能够应对可扩展性三难困境的 blockchain，同时改进现有网络以避免瓶颈。目前，所有可行方案都可分为 Layer-1 和 Layer-2。虽然 Layer-1 与 Layer-2 方案各有优缺点，难以直接比较，但未来很可能是两者结合。