以太坊Layer生态全景图，从Layer 1到Layer 2的演进与拓展

以太坊作为全球领先的智能合约平台和去中心化应用（Dapp）的底层基础设施，其强大的可编程性和安全性吸引了无数开发者和用户，随着用户数量的激增和应用场景的复杂化，以太坊主网（Layer 1，简称L1）也逐渐暴露出一些局限性，其中最常被提及的就是交易速度（TPS较低）和高昂的Gas费用，为了解决这些痛点，以太坊Layer 2（简称L2）解决方案应运而生，并迅速发展壮大，形成了丰富多元的Layer生态，本文将带您深入了解以太坊Layer的架构、各层特点及其在以太坊生态系统中的重要作用。

以太坊Layer 1：坚实的基石

以太坊Layer 1，即以太坊主网，是以太坊生态的底层区块链网络，它负责处理和确认所有交易，执行智能合约,并维护整个网络的安全性和去中心化。

核心特点：

1. 安全性：L1拥有由全球成千上万个节点组成的庞大验证者网络，通过工作量证明（PoW，即将转向权益证明PoS）机制确保网络的安全性和数据的不可篡改性,这是以太坊最宝贵的资产。
2. 去中心化：节点分布广泛，无需信任单一实体,保证了网络的抗审查性和公平性。
3. 可扩展性瓶颈：由于每个区块的Gas上限和出块时间限制，L1的交易处理能力（TPS）相对有限（通常为15-30 TPS）,在拥堵时期会导致Gas费用飙升。

尽管L1在安全性上无可匹敌，但其可扩展性不足的问题催生了Layer 2的发展。

以太坊Layer 2：扩容的利器

Layer 2是构建在以太坊主网之上的扩展解决方案，旨在通过将大部分计算和交易处理移至链下或通过更高效的方式在链上处理，从而大幅提升以太坊的交易速度并降低交易成本,同时继承L1的安全保障。

Layer 2的核心价值：

• 高吞吐量：显著提高TPS,支持更多用户和交易。
• 低Gas费用：将交易压力从L1转移,大幅降低用户支付的手续费。
• 安全性保障：最终所有L2交易都会在L1上进行结算或证明,确保资产和数据的安全性。

主流Layer 2解决方案类型：

1. 状态通道 (State Channels)

   • 原理：参与方在链下进行多次交易，只有在通道开启和关闭时才与L1交互,通道内的交易即时且低成本。
   • 特点：适用于高频、小金额的交互，如游戏、微支付。
   • 例子：Lightning Network（主要用于比特币，但原理类似）、Raiden Network。
   • 局限性：参与者数量有限，需要预先锁定资金,退出通道需L1交互。

2. 侧链 (Sidechains)

   • 原理：与以太坊主网并行运行的独立区块链，拥有自己的共识机制，通过双向锚定（peg）与L1进行资产转移。
   • 特点：较高的自主性和灵活性,可以定制共识机制以提高性能。
   • 例子：POA Network、xDai Chain（现称Gnosis Chain）。
   • 局限性：安全性相对L1独立，需要自己的验证者集，若安全性不足，可能存在风险；与L1的资产转移存在延迟和成本。

3. Rollups (Rollups，聚合交易)

   • 原理：当前最受关注的L2技术，将大量交易数据计算处理后（“Rollup”）打包成一个单一的数据提交到L1，L1负责存储和验证，智能合约逻辑在L2执行,但数据可用性和正确性由L1保障。
   • 优势：既保留了以太坊主网的安全性,又能大幅提升性能和降低成本。
   • 主要子类：
     • Optimistic Rollups (乐观Rollups)：
       • 原理：假设所有交易都是有效的，如果在挑战期内没有提出有效的欺诈证明,则交易被最终确认。
       • 优势：目前实现相对简单，兼容EVM,开发成本低。
       • 挑战：挑战期（通常为7天）意味着资金提取有一定延迟；如果存在欺诈行为,需要通过复杂的欺诈证明机制来解决。
       • 例子：Optimism (OP)、Arbitrum (ARB)、zkSync (旧版为Optimistic Rollup)。
     • ZK-Rollups (零知识Rollups)：
       • 原理：使用零知识证明（ZK-SNARKs或ZK-STARKs）生成一个加密证明，证明一批交易的有效性，并将这个证明提交到L1，L1验证证明即可,无需等待挑战期。
       • 优势：更高的安全性，无挑战期，资金提取即时；理论上能提供更高的压缩率和隐私性。
       • 挑战：ZK证明的生成和验证计算复杂，对技术要求高,目前EVM兼容性仍在发展中。
       • 例子：StarkNet (STARK)、zkSync (新版)、Polygon Zero (formerly Hermez)、Scroll。

Layer 2的生态与发展

以太坊Layer 2生态系统呈现出百花齐放的态势，各大项目纷纷推出或采用不同的L2解决方案,旨在为用户提供更优质的体验。

• Optimism 和 Arbitrum：作为Optimistic Rollups的代表，它们在EVM兼容性和开发者友好性方面表现出色,吸引了大量DApp迁移和部署。
• StarkNet 和 zkSync：作为ZK-Rollups的代表，它们凭借更高的理论性能和安全性，被视为未来L2的重要发展方向,尤其在需要高吞吐和隐私的场景。
• Polygon：除了作为多链生态，也积极布局L2解决方案，如Polygon zkEVM (ZK-Rollup)、Polygon Hermez (ZK-Rollup) 等。

还有一些专注于特定领域的Layer 2解决方案，如专注于DeFi的dYdX（现采用Celestia作为数据可用性层，结合Rollup思想）、专注于隐私的Aztec等。

Layer 1与Layer 2的协同与未来

Layer 2并非要取代Layer 1，而是对Layer 1的有益补充和扩展,它们之间的关系是协同共生的：

• L1：提供最终的安全性、去中心化保障和数据可用性层，是整个生态的“信任根”。
• L2：在L1的安全基础上，提供高性能、低成本的交易执行环境，是面向用户的“应用层”。

以太坊本身也在积极进行升级，如“合并”（The Merge，转向PoS）、“The Surge”（引入分片，进一步提升数据可用性和L2容量）、“The Verge”（引入更强的密码学证明，提升效率）、“The Purge”（简化历史数据状态）、“The Splurge”（最终完善和优化），这些升级将与Layer 2解决方案共同构建一个更强大、更高效、更易用的以太坊网络。

以太坊Layer生态的快速发展，正在逐步解决主网的可扩展性难题，为大规模应用落地扫清障碍，从Layer 1的坚实根基，到Layer 2的百花齐放，以太坊正通过分层架构，逐步实现“世界计算机”的愿景，对于用户而言，这意味着更低成本、更流畅的体验；对于开发者而言，这意味着更广阔的创新空间，随着技术的不断成熟和生态的持续完善，以太坊Layer生态必将在Web3.0时代扮演更加重要的角色。