以太坊 2.0 與 Layer2 解決方案...

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專家專欄
以太坊 2.0 與 Layer2 解決方案如何互利共生

以太坊 2.0 與 Layer2 解決方案如何互利共生

發表於 2022-09-03 15:02 作者： ForesightNews

它們的核心都致力於解決同一個問題——可擴展性。

如果在過去一年左右一直關注區塊鏈行業，就一定聽過以太坊「合並」或第 2 層解決方案。然而，這些都是相當技術性的概念，導致很多人可能對它們視而不見。在本文中，作者試圖提供一個更容易理解的概述，即這些東西到底是什么，以及它們之間的相互關系如何向前發展。

以太坊當前的結構

作爲背景，了解一下以太坊當前的結構及其現有的擴展性問題將會很有幫助。以太坊區塊鏈是一個分布式的公共分類帳。可以把它想象成一個大型的开源操作系統 ( 或全球計算機 )，在那裏人們可以公开構建和交易，而不需要一個中心化的機構。

解釋以太坊區塊 ( 和擁塞 )

在以太坊網絡上發生的任何交易都通過「區塊」記錄下來。例如，如果我想通過以太坊網絡向交易對手發送一個代幣，該交易將被包含在一個區塊中，以便在發送之前獲得批准。每個區塊通常由許多交易組成，而且這些交易都來自不同的人。一旦一個區塊被網絡接受，它就會鏈接到先前接受的區塊 ( 在一個數據鏈中 ) 上，該區塊內的所有交易都能通過。區塊確認了交易的確切時間和順序，並被安全地鏈接在一起，以防止任何區塊被更改或在兩個現有區塊之間插入一個區塊，因此'區塊鏈'具有防篡改和不可變的特性。

當我們开始探索區塊的審批過程時，事情變得更復雜。每個區塊由以太坊網絡上的「礦工」組裝 ( 或开採 )，交易的人向他們支付一定數量的「gas」。可以把 gas 看作是交易費用或計算交易的成本。

每個區塊的大小最終決定網絡上一次可以發生多少交易，它由網絡的區塊 gas 限制決定。截至撰寫本文時，以太坊的平均區塊大小爲 3000 萬單位的 gas。換句話說，一個區塊只有在其所有交易消耗的 gas 總量小於 3000 萬單位的情況下才有效。這意味着，如果網絡繁忙，並不是所有待處理的交易都可以在一個區塊中結束 ( 因爲每個交易都需要 gas，並且會超過限制 )，網絡就會變得擁塞。

以太坊平均 gas 限制圖表顯示了以太坊網絡的歷史每日平均 gas 限制（2016 年至今）。與最大區塊大小爲 1 MB 的比特幣不同，以太坊在技術上沒有最大區塊大小（礦工可以集體增加或減少以太坊的區塊 gas 限制）。然而，限制每個區塊消耗的 gas 有助於管理以太坊區塊鏈的增長以及運營礦工或節點的成本。圖片來源：Etherscan

簡而言之，這種擁塞是當前以太坊網絡難以擴展的一個例子。「合並」是以太坊 2.0 的一部分，旨在提高網絡的速度、效率和可擴展性，從而避开瓶頸，同時處理更多的交易。目前的網絡每秒可以處理 30 筆交易，而以太坊 2.0 承諾每秒可處理 10 萬筆交易。

合並 / 以太坊 2.0

以太坊 2.0 升級是對以太坊區塊鏈的一個多階段升級，旨在通過對網絡基礎設施的一些更改來提高網絡的可擴展性和安全性——最顯著的是，通過從工作證明 (PoW) 共識機制到權益證明 (PoS) 模型的轉換。關於模型之間區別的更多細節將很快公布。

首先，合並並不是推動以太坊 2.0 升級的唯一事件。升級是由不同的部分組成的，合並是其中的一部分 ( 盡管是重要的一部分 )。三個主要組成部分爲：(i) 信標鏈升級，(ii) 合並，(iii) 分片。從技術上講，這涉及到更多的升級，但這些相對較小的升級旨在確保網絡的平穩運行，並將與其他升級並行實施。

推動以太坊 2.0 升級的三個主要組成部分。

每一個部分都是以太坊網絡向 PoS 模型過渡過程中的一個獨特部分。信標鏈於 2020 年 12 月 1 日首次推出，並將權益證明引入到以太坊生態系統。該鏈作爲一個獨立的區塊鏈存在，目前不處理以太坊主網 (「主網絡」的簡稱 ) 上的交易。然而，信標鏈很快將與主網合並，成爲所有以太坊網絡數據的共識引擎，包括執行層交易。這種使用信標鏈 ( 權益證明 ) 作爲以太坊上區塊生產引擎的官方轉變就是合並所代表的。

讓我們打個比方。想象以太坊是一艘還沒有准備好進行星際航行的飛船。有了信標鏈，社區就相當於建造了一個新的引擎和一個堅固的船體。經過重要的測試後，爲飛行中的把舊引擎換成新引擎。這將把新的、更高效的引擎與現有的飛船融合在一起，准備投入一些光年的時間，並佔領整個宇宙。- Ethereum.org 對合並的類比，新引擎是信標鏈 ( 權益證明 )，舊引擎是工作證明，宇宙飛船是以太坊。

以太坊 2.0 升級的第三個主要組成部分是分片鏈，它將在擴展以太坊網絡中發揮關鍵作用。許多人普遍存在的一個誤解是，以太坊網絡將在合並後立即擴展並變得更加高效。然而，直到分片的引入 ( 預計將在 2023 年某個時候實現 )，這些擴展效應才會开始發揮作用。

分片實質上是將以太坊的整個網絡分割成更小的片，稱爲「分片」，以努力提高網絡的可擴展性。與將所有操作集中在單個區塊鏈上不同，分片鏈將這些操作橫向分布在 64 個新的 / 迷你區塊鏈上。通過劃分負載，每個驗證者將不再需要處理整個網絡上的所有交易。與現有的工作證明模型相比，這既可以減少網絡擁塞，又可以增加網絡上每秒的交易量。

工作證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)

到目前爲止，以太坊網絡通過工作證明得到保護。這個模型在前面介紹過，除了其他特性外，還包括用於驗證區塊的礦工。然而，在合並之後，挖礦 ( 工作證明 ) 將不再是在以太坊網絡上產生有效區塊的手段。相反，信標鏈的權益證明驗證者將承擔這個角色，並將負責處理所有交易的有效性。

PoS 模式與 PoW 模式有何不同？簡而言之，就是不用讓礦工驗證區塊，而是讓以太坊的所有者在以太坊的智能合約中質押。正是這些涉衆 ( 也稱爲驗證者 ) 負責檢查通過網絡傳播的新區塊是否有效。

爲什么要轉向 PoS 模式？原因有幾個。其中最主要的是該模型對分片來說更安全，如上所述，分片將在擴展以太坊網絡中發揮關鍵作用。

分片將網絡分解爲多個部分，盡管這種結構可能會增加可擴展性，但它也會使網絡中的任何特定分片更容易受到攻擊。攻擊網絡中任何特定的分片 ( 類似於迷你區塊鏈 ) 只需要積累一小部分哈希率，否則就需要控制沒有實現分片的整個區塊鏈。此外，通過 PoW，礦工可以具體選擇攻擊哪些分片 ( 更嚴格地說，他們可以選擇在哪些分片貢獻其哈希能力 )。因此，PoW 礦工可能會相互勾結，集中精力在一個分片上，試圖獲得控制權。如果礦工接管了一個分片中的大多數區塊生產者，他們就可以冒着破壞網絡的風險操縱它。PoS，通過不允許驗證者選擇他們想要處理的分片來減輕這種風險。相反，驗證者被隨機分配給單個分片，這降低了質押者之間相互勾結的機會。

「很重要的一點是，驗證者在分片之間的重組非常頻繁 ( 甚至可能是每個區塊一次 )，所以實際上很難針對一個特定的分片進行攻擊。這是分片在打破三難困境方面取得至少理論上的成功的很大一部分原因。」——Vitalik Buterin 在 2018 年發表了關於權益證明如何幫助緩解分片帶來的安全漏洞的演講。

與工作證明共識機制相比，權益證明模型的能耗更低、更去中心化、更安全。

能源消耗——PoS 有效地替代了計算能力。不再需要在工作證明計算上使用大量能量來進行挖礦。
去中心化——PoS 模型通常需要網絡上更多的計算機和參與者 ( 即節點 ) 來審查和批准交易，這使得它比 PoW 模型更加去中心化。
安全性——除了 PoS 通過分片更好地抵御 51% 攻擊外，該模型還對驗證者攻擊有很大的抑制作用。這在很大程度上是因爲確保 PoS 網絡安全的驗證者必須在協議中投入大量 ETH( 截至撰寫時爲 32 個 ETH)。如果這些驗證者試圖攻擊網絡或行爲不誠實，協議可以自動銷毀他們的關聯 ETH。

在可擴展性方面，以太坊 2.0 有很高的目標。然而，我們距離這些升級完全生效還有一段時間。在此期間，是否有辦法讓以太坊網絡實現可擴展的目標呢?接下來將討論第 2 層解決方案。

第 2 層解決方案

擴展區塊鏈的主要目標是在不犧牲去中心化或安全性的情況下提高交易速度 ( 更快的最終性 ) 和交易吞吐量 ( 每秒高交易數 )。從兩種角度考慮擴展是有幫助的——鏈上擴展和鏈下擴展。

鏈上擴展（第 1 層；L1）

鏈上擴展涉及對第 1 層網絡的更改或升級。就以太坊的情況，這將涉及到以太坊主網的更改，這是在網絡上處理和敲定交易的地方。還有很多其他的第 1 層，包括 Solana， Cardano 和 Avalanche，每個都有自己獨特的特徵和目的。

對第 1 層進行更改可能是一個極其復雜的過程，通常需要進行大量的工作。由於技術的限制，某些變化或升級甚至接近不可能。以以太坊升級到權益證明 (proof-of-stake) 爲例，以太坊的升級經歷了多年的發展，目前還尚未完成。

鑑於這些復雜性，鏈下擴展已成爲擴展網絡的另一種方式。

鏈下擴展（第 2 層）

與鏈上擴展不同，鏈下擴展不需要對第 1 層網絡進行任何更改。這些解決方案是建立在現有的第 1 層 ( 如以太坊 ) 之上或旁邊，並作爲一個可以獨立於主網進行交易和處理事務的地方。通過將第 1 層的大部分處理負擔轉移到這些鏈下網絡，主網就可以在不犧牲可擴展性的情況下專注於安全性等其他問題。爲了簡單起見，術語「第 2 層」將用於指代本文中所有的鏈下擴展解決方案。

因爲存在各種類型的第 2 層，使得理解每個解決方案的細微差別成爲了一個挑战。

例如，在以太坊環境中，第 2 層的一個特性是這些解決方案如何獲得其安全性。一些第 2 層， Optimistic rollup，zk-rollup，和 state channel 直接從以太坊主網 ( 即第 1 層 ) 獲得其安全性。在這一類中，rollup 成爲主導的擴展解決方案，目前 Arbitrum 和 Optimism 大概獲得了近 20 億美元 ( 兩者都是 Optimistic rollup)。

還有側鏈、validium 和 plasma 鏈。這些第 2 層解決方案涉及創建新的鏈，這些鏈的安全性獨立於以太坊主網。Polygon 是一個在這個類別中很受歡迎的第 2 層的例子。到目前爲止，Polygon 已經鎖定了將近 20 億美元的總價值，並支持流行的 Web3 遊戲和應用程序，如 Zed Run 和 Quickswap。雖然不盡相同，但第 2 層可以將以太坊的 gas 費用降低 10-100 倍，每秒處理數千筆交易 ( 與以太坊基礎層當前每秒處理 15-45 筆交易形成對比 )。

盡管復雜，但擁有各種各樣的第 2 層解決方案有助於減少以太坊網絡任何一部分上的整體擁塞，還可以防止單點故障。第 2 層也可以針對不同的用例進行優化 (DeFi，NFT，遊戲等 )，因此生態系統作爲一個整體可以從多樣化的設計中受益。

以太坊 2.0 和第 2 層解決方案能共存嗎?

讓我們花點時間來思考一下以太坊 2.0 升級的目的以及構建在以太坊網絡上的現有第 2 層解決方案。它們的核心都致力於解決同一個問題——可擴展性。

構建第 2 層解決方案主要是爲了解決以太坊基礎層上出現的瓶頸。然而，一旦以太坊 2.0 啓動，如果構建成規模的基礎層本身的效率呈指數級提高，那么第 2 層的目的是什么？第 2 層會因此被淘汰嗎？

要回答這個問題，有助於我們反思以太坊的愿景，那就是讓以太坊成爲主流，服務全人類。這是一個宏大的愿景，需要擴大未來規模，考慮到超過 4% 的總人口擁有加密貨幣。即使以太坊 2.0 升級能夠顯著擴大網絡的吞吐量，它是否能夠支持未來世界的數十億潛在的每日加密用戶而不變得擁塞仍然是一個疑問。

因此，以太坊 2.0 與其現有的第 2 層解決方案之間的關系可能是共生的。這意味着不同的可擴展性解決方案可以和諧地工作，從而對未來的交易速度和吞吐量產生指數級的影響。以太坊爲實現其愿景而計劃的正是這些綜合效應，而不是其中之一。

「這不是『rollup 不是 sharding』，而是『rollup 在 sharding 之上』。也就是說，rollup 已經出現或即將出現，甚至會在分片之前，沒有分片的 rollup 仍然可以提供 100 倍的吞吐量提升。」—摘自 Vitalik Buterin 關於以太坊規模的 Twitter 帖子

因此，除了分片之外，從每秒 15-45 個交易 (TPS) 大幅增加到 100,000 TPS 也考慮到了第 2 層解決方案，因爲這些都是乘法效應。例如，如果第 2 層增加了大約 100 倍的吞吐量，而分片增加了大約 64 倍的吞吐量，那么在分片之上的第 2 層提供了約 6400 倍的吞吐量增加。這些綜合效應可能會使網絡擴大規模，並滿足未來更高的需求。