第一層（Layer 1）vs. 第二層（Layer 2）擴容解決方案：區塊鏈觀點

重點整理區塊鏈三難困境解釋了為什麼多數網路難以在同一時間同時達成安全性、去中心化與可擴展性。
第一層擴容解決方案會直接改變基礎區塊鏈，例如升級共識機制或加入分片（sharding）。
第二層解決方案建立在第一層之上，在主鏈之外處理更多交易，以減少擁塞並降低費用。
多數區塊鏈生態正朝向「第一層改進以確保長期安全」與「第二層網路用於日常速度與可負擔性」的組合前進。
簡介區塊鏈網路正變得更受歡迎，而隨著更多使用者加入，也帶來更多交易。雖然這項技術確實具備實際效用，但要處理大規模需求仍是一項重大挑戰。優先考量去中心化與安全性的公有區塊鏈，常常難以在快速且低成本的情況下完成交易處理。
這種拉扯被稱為區塊鏈三難困境：要讓去中心化網路同時安全、去中心化且具備可擴展性並不容易。多數網路會優先考慮其中兩項特性，從而限制第三項。
為了解決這個問題，開發者提出了兩大類做法：有些方案修改核心區塊鏈（第一層），另一些則在其上額外建置網路（第二層）。兩種方法都有取捨，而許多生態系統如今會同時採用兩者的組合。
第一層（Layer 1） vs. 第二層（Layer 2）「第一層區塊鏈」（Layer 1 blockchain）指的是完成交易的基礎區塊鏈。例子包括比特幣（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）、BNB Chain 與 Solana。它們是其他協議可以建立其上的基礎網路。
第二層（Layer 2）指建立在第一層之上的協議。它們在主鏈之外處理交易，接著回報結果。例子包括 Lightning Network（用於比特幣）以及 Arbitrum、Base 和 zkSync（用於以太坊）。
關鍵差異在於工作發生的位置。第一層解決方案會直接改變基礎網路本身的規則。第二層解決方案則建立一個獨立的環境來處理更多活動，接著再回到第一層以確保安全性。
常見的第一層（Layer 1）擴容解決方案共識機制升級有些區塊鏈已從高能耗的系統（如工作量證明 PoW）轉換為更有效率的機制（如權益證明 PoS）。以太坊在 2022 年 9 月透過「The Merge」完成了這次轉換。PoS 會根據質押資金選擇驗證者，而不是依賴計算工作量，這可能提升交易吞吐量並降低能源使用。
分片（Sharding）分片會將區塊鏈切分成稱為分片（shards）的較小區塊。不是每個節點都處理每一筆交易，而是將工作分配到多個群組中。這使得網路可以並行處理更多交易，進而可能提升整體容量。
以太坊的更長期路線圖包含透過名為 Danksharding 的功能實現完整分片，但目前仍在開發中。作為前置步驟的 EIP-4844（blob 交易）已在 2024 年 3 月推出，並大幅降低了第二層網路的資料成本。
區塊大小增加較簡單的做法是提高每個區塊的最大大小，讓每個區塊能包含更多交易。這可以在不進行重大協議變更的情況下提升吞吐量。不過，較大的區塊需要更多的儲存與處理能力，可能讓一般電腦更難以作為網路驗證者參與，進而影響去中心化。
常見的第二層（Layer 2）擴容解決方案Rollups（彙總鏈）Rollups 將許多鏈下交易打包在一起，並向主鏈提交一份壓縮摘要。這會減少每筆交易對第一層（Layer 1）所新增的資料量，從而降低費用並提高吞吐量。Rollups 已成為以太坊最主要的擴容方式。
主要有兩種：樂觀彙總（Optimistic Rollups，Arbitrum 和 Base 使用）預設交易是有效的，並提供一段挑戰期以處理爭議；零知識彙總（ZK Rollups，zkSync 和 Scroll 使用）會生成加密證明，立即驗證交易有效性，且不需要等待期。
狀態通道（State channels）狀態通道讓兩方可以直接在鏈下進行交易，次數可以多到不限。只有開啟與結束時的餘額會被記錄在區塊鏈上。這特別適合同一組交易對手之間的重複互動，例如微支付或遊戲。
比特幣第二層網路（Layer 2）章節介紹了 Lightning Network，它使用狀態通道，讓參與者之間能進行快速、低手續費的比特幣付款。
側鏈（Sidechains）側鏈是獨立的區塊鏈，會與第一層並行運作，且擁有自己的驗證者與共識規則。它們透過橋（bridge）連接到主鏈。Polygon PoS 是一個知名的例子。側鏈可能更快且更便宜，但必須自行負責其安全性；而 Rollups 則會繼承底層第一層（Layer 1）的安全性。
巢狀區塊鏈（Nested blockchains）在巢狀區塊鏈的架構中，主鏈會將工作委派給次級鏈。這些子鏈負責處理交易，並將結果回傳給父鏈。Plasma 架構是以太坊較早期採用這種方式的範例，儘管在實務上大多已被 Rollups 所取代。
第一層（Layer 1） vs. 第二層（Layer 2）：關鍵差異兩個層都旨在提升網路效能，但處理問題的方式不同。以下是主要差異的摘要：
目的：第一層是基礎且最終的真實來源（source of truth）與結算層。第二層則是為了提高吞吐量、並降低該基礎層的手續費而建立。
方法：第一層會直接變更協議規則。第二層將處理工作轉移到次級網路或應用程式。
安全性：第一層依賴自身去中心化的共識。第二層網路通常依賴第一層提供最終安全性與資料可用性（data availability）。
複雜度：第一層升級需要全網層級的共識，可能造成干擾。第二層網路往往可以在不改變基礎鏈的前提下部署或更新。
擴容解決方案的限制兩種方法都各有取捨。
第一層升級可能很慢，而且在政治面也很複雜。像分片或徹底改造共識這類重大協議變更，需要驗證者、開發者與利害關係人達成廣泛共識。若社群無法同意，硬分叉可能導致網路分裂。
第二層網路會增加使用者的摩擦。資金在第一層與第二層之間移轉需要透過橋接（bridging），可能耗時並引入安全性風險。流動性也常常在不同的 L2 網路之間被切割，而有些方案還會依賴集中式排序器（centralized sequencers）來排序交易，這可能造成單一信任點。
常見問答（FAQ）第一層（Layer 1）與第二層（Layer 2）的差異是什麼？第一層是基礎區塊鏈，交易會在此完成最終確認（finalize），例如以太坊或比特幣。第二層則是在第一層之上建立的次級網路，用來在交易回到主鏈結算之前先處理更多離鏈活動。第一層負責安全性與結算；第二層負責速度與成本。
第二層網路的安全性像第一層一樣高嗎？這取決於第二層的類型。Rollups 會從底層第一層繼承多數安全性，因為交易資料會提交到主鏈。側鏈則相反，會維持自己的驗證者集合，並不會直接繼承第一層的安全性。使用特定的 L2 之前，使用者應了解它是如何處理安全性的。
為什麼 Rollups 的費用比以太坊低？Rollups 將許多交易打包在一起，並把一個壓縮後的批次提交到以太坊。這表示：一次以太坊交易的成本會分攤到許多 Rollups 交易上，因而能大幅降低每筆交易的手續費。以太坊在 2024 年 3 月推出的 Dencun 升級，透過 blob transactions（blob 交易）進一步降低了這些資料成本。
什麼是區塊鏈三難困境（blockchain trilemma）？區塊鏈三難困境指的是：要同時達成安全性（security）、去中心化（decentralization）與可擴展性（scalability）是非常困難的。多數區塊鏈設計會優先考慮其中兩項特性，因此會限制第三項。無論是第一層或第二層的擴容解決方案，基本上都是在嘗試解決這種限制。
哪些第二層網路使用最廣泛？截至今天，Arbitrum、Base 與 zkSync 依據交易數量與鎖定總價（total value locked），都屬於最活躍的以太坊第二層網路之一。至於比特幣，Lightning Network 仍是主要的第二層用於付款。隨著更多應用程式與使用者為了更低成本而轉向 L2，採用率也持續成長。
結語擴容是區塊鏈開發中最活躍的領域之一。像分片（sharding）這樣的第一層改進能提供長期容量成長；而第二層網路則能在今天提供實際的速度與成本優勢。多數主要的區塊鏈生態正朝向分層式架構邁進：以安全且去中心化的基礎鏈為底，再疊加更快更便宜的網路。
延伸閱讀什麼是區塊鏈三難困境（Blockchain Trilemma）？
什麼是 ZK-Rollups？第二層（Layer-2）擴容技術
什麼是比特幣第二層網路（Bitcoin Layer 2 Networks）？
什麼是分片（Sharding），它如何運作？
什麼是區塊鏈中的第一層（Layer 1）？
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