第一层（Layer 1）vs. 第二层（Layer 2）扩容解决方案：区块链观点

重点整理区块链三难困境解释了为什么多数网路难以在同一时间同时达成安全性、去中心化与可扩展性。
第一层扩容解决方案会直接改变基础区块链，例如升级共识机制或加入分片（sharding）。
第二层解决方案建立在第一层之上，在主链之外处理更多交易，以减少拥塞并降低费用。
多数区块链生态正朝向「第一层改进以确保长期安全」与「第二层网路用于日常速度与可负担性」的组合前进。
简介区块链网路正变得更受欢迎，而随著更多使用者加入，也带来更多交易。虽然这项技术确实具备实际效用，但要处理大规模需求仍是一项重大挑战。优先考量去中心化与安全性的公有区块链，常常难以在快速且低成本的情况下完成交易处理。
这种拉扯被称为区块链三难困境：要让去中心化网路同时安全、去中心化且具备可扩展性并不容易。多数网路会优先考虑其中两项特性，从而限制第三项。
为了解决这个问题，开发者提出了两大类做法：有些方案修改核心区块链（第一层），另一些则在其上额外建置网路（第二层）。两种方法都有取舍，而许多生态系统如今会同时采用两者的组合。
第一层（Layer 1） vs. 第二层（Layer 2）「第一层区块链」（Layer 1 blockchain）指的是完成交易的基础区块链。例子包括比特币（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）、BNB Chain 与 Solana。它们是其他协议可以建立其上的基础网路。
第二层（Layer 2）指建立在第一层之上的协议。它们在主链之外处理交易，接著回报结果。例子包括 Lightning Network（用于比特币）以及 Arbitrum、Base 和 zkSync（用于以太坊）。
关键差异在于工作发生的位置。第一层解决方案会直接改变基础网路本身的规则。第二层解决方案则建立一个独立的环境来处理更多活动，接著再回到第一层以确保安全性。
常见的第一层（Layer 1）扩容解决方案共识机制升级有些区块链已从高能耗的系统（如工作量证明 PoW）转换为更有效率的机制（如权益证明 PoS）。以太坊在 2022 年 9 月透过「The Merge」完成了这次转换。PoS 会根据质押资金选择验证者，而不是依赖计算工作量，这可能提升交易吞吐量并降低能源使用。
分片（Sharding）分片会将区块链切分成称为分片（shards）的较小区块。不是每个节点都处理每一笔交易，而是将工作分配到多个群组中。这使得网路可以并行处理更多交易，进而可能提升整体容量。
以太坊的更长期路线图包含透过名为 Danksharding 的功能实现完整分片，但目前仍在开发中。作为前置步骤的 EIP-4844（blob 交易）已在 2024 年 3 月推出，并大幅降低了第二层网路的资料成本。
区块大小增加较简单的做法是提高每个区块的最大大小，让每个区块能包含更多交易。这可以在不进行重大协议变更的情况下提升吞吐量。不过，较大的区块需要更多的储存与处理能力，可能让一般电脑更难以作为网路验证者参与，进而影响去中心化。
常见的第二层（Layer 2）扩容解决方案Rollups（汇总链）Rollups 将许多链下交易打包在一起，并向主链提交一份压缩摘要。这会减少每笔交易对第一层（Layer 1）所新增的资料量，从而降低费用并提高吞吐量。Rollups 已成为以太坊最主要的扩容方式。
主要有两种：乐观汇总（Optimistic Rollups，Arbitrum 和 Base 使用）预设交易是有效的，并提供一段挑战期以处理争议；零知识汇总（ZK Rollups，zkSync 和 Scroll 使用）会生成加密证明，立即验证交易有效性，且不需要等待期。
状态通道（State channels）状态通道让两方可以直接在链下进行交易，次数可以多到不限。只有开启与结束时的余额会被记录在区块链上。这特别适合同一组交易对手之间的重复互动，例如微支付或游戏。
比特币第二层网路（Layer 2）章节介绍了 Lightning Network，它使用状态通道，让参与者之间能进行快速、低手续费的比特币付款。
侧链（Sidechains）侧链是独立的区块链，会与第一层并行运作，且拥有自己的验证者与共识规则。它们透过桥（bridge）连接到主链。Polygon PoS 是一个知名的例子。侧链可能更快且更便宜，但必须自行负责其安全性；而 Rollups 则会继承底层第一层（Layer 1）的安全性。
巢状区块链（Nested blockchains）在巢状区块链的架构中，主链会将工作委派给次级链。这些子链负责处理交易，并将结果回传给父链。Plasma 架构是以太坊较早期采用这种方式的范例，尽管在实务上大多已被 Rollups 所取代。
第一层（Layer 1） vs. 第二层（Layer 2）：关键差异两个层都旨在提升网路效能，但处理问题的方式不同。以下是主要差异的摘要：
目的：第一层是基础且最终的真实来源（source of truth）与结算层。第二层则是为了提高吞吐量、并降低该基础层的手续费而建立。
方法：第一层会直接变更协议规则。第二层将处理工作转移到次级网路或应用程式。
安全性：第一层依赖自身去中心化的共识。第二层网路通常依赖第一层提供最终安全性与资料可用性（data availability）。
复杂度：第一层升级需要全网层级的共识，可能造成干扰。第二层网路往往可以在不改变基础链的前提下部署或更新。
扩容解决方案的限制两种方法都各有取舍。
第一层升级可能很慢，而且在政治面也很复杂。像分片或彻底改造共识这类重大协议变更，需要验证者、开发者与利害关系人达成广泛共识。若社群无法同意，硬分叉可能导致网路分裂。
第二层网路会增加使用者的摩擦。资金在第一层与第二层之间移转需要透过桥接（bridging），可能耗时并引入安全性风险。流动性也常常在不同的 L2 网路之间被切割，而有些方案还会依赖集中式排序器（centralized sequencers）来排序交易，这可能造成单一信任点。
常见问答（FAQ）第一层（Layer 1）与第二层（Layer 2）的差异是什么？第一层是基础区块链，交易会在此完成最终确认（finalize），例如以太坊或比特币。第二层则是在第一层之上建立的次级网路，用来在交易回到主链结算之前先处理更多离链活动。第一层负责安全性与结算；第二层负责速度与成本。
第二层网路的安全性像第一层一样高吗？这取决于第二层的类型。Rollups 会从底层第一层继承多数安全性，因为交易资料会提交到主链。侧链则相反，会维持自己的验证者集合，并不会直接继承第一层的安全性。使用特定的 L2 之前，使用者应了解它是如何处理安全性的。
为什么 Rollups 的费用比以太坊低？Rollups 将许多交易打包在一起，并把一个压缩后的批次提交到以太坊。这表示：一次以太坊交易的成本会分摊到许多 Rollups 交易上，因而能大幅降低每笔交易的手续费。以太坊在 2024 年 3 月推出的 Dencun 升级，透过 blob transactions（blob 交易）进一步降低了这些资料成本。
什么是区块链三难困境（blockchain trilemma）？区块链三难困境指的是：要同时达成安全性（security）、去中心化（decentralization）与可扩展性（scalability）是非常困难的。多数区块链设计会优先考虑其中两项特性，因此会限制第三项。无论是第一层或第二层的扩容解决方案，基本上都是在尝试解决这种限制。
哪些第二层网路使用最广泛？截至今天，Arbitrum、Base 与 zkSync 依据交易数量与锁定总价（total value locked），都属于最活跃的以太坊第二层网路之一。至于比特币，Lightning Network 仍是主要的第二层用于付款。随著更多应用程式与使用者为了更低成本而转向 L2，采用率也持续成长。
结语扩容是区块链开发中最活跃的领域之一。像分片（sharding）这样的第一层改进能提供长期容量成长；而第二层网路则能在今天提供实际的速度与成本优势。多数主要的区块链生态正朝向分层式架构迈进：以安全且去中心化的基础链为底，再叠加更快更便宜的网路。
延伸阅读什么是区块链三难困境（Blockchain Trilemma）？
什么是 ZK-Rollups？第二层（Layer-2）扩容技术
什么是比特币第二层网路（Bitcoin Layer 2 Networks）？
什么是分片（Sharding），它如何运作？
什么是区块链中的第一层（Layer 1）？
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