什么是Layer 2网络

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我们平时提到的比特币、以太坊、Solana，它们都属于Layer 1网络，而Layer 2(L2) 网络是指基于Layer1网络之上构建的一层网络，它很类似于Layer 1 网络，也是一个独立的区块链。但它的主要目的并不是为了代替 Layer 2 ，而是为了通过扩展 Layer1 层网络从而解决一些在 Layer 1 网络中存在的一些问题，它同时继承了 Layer 1 网络的安全性和去中心化性。

以太坊存在的问题

这里以以太坊为例，在 L1 网络上随着交易量越来越大，交易频率也越来越频繁，导致Gas（网络交易费）越来越高，一笔交易可能在网络繁忙的时候高达十几美元，导致一些交易可能需要花费好久才可以真正成交到区块网络。

这两个问题大大提高了用户使用门槛，那有没有好的解决办法呢？

解决方案

区块链的三个核心特性是 去中心化、安全性和可扩展性，一般简单的区块链架构只能实现其中两个特性（这一点很类似于分布式中的CAP理论）。想要一个安全且去中心化的区块链的话，只能牺牲可扩展性，而这也正是第二层网络发挥作用的地方。

以太坊生态系统坚定认为，第 2 层扩展是解决可扩展性三难问题的唯一途径，同时保持去中心化和安全性。

Layer 2网络工作原理

Layer 2 也是一个独立的区块链，它扩展了以太坊。这在很大程度上减轻了第一层的交易负担，使其变得不那么拥堵，从而使整体更具扩展性。

目前存在多种第二层解决方案，每种都有其自身的权衡和安全模型。如 Rollups、State Channels、Sidechains、Validium、混合解决方案 等。

其中Rollups 是一种目前比较流行的 Layer 2（L2）扩展技术方案，它在以太坊生态系统中得到了广泛应用，并被许多主流项目采用。它不仅提高了区块链(以太坊生态)的性能和可扩展性，同时保持 Layer 1（以太坊）的安全性和去中心化特性。

Rollups 的核心思想是将大量交易打包成一个批次（Rollup）在链下处理，仅在 Layer 1 上存储交易数据和验证证明，从而降低交易手续费。

在区块链的中，链下 是指不在 Layer 1（主链）上直接处理交易或计算，而是将这些任务转移到 Layer 2 网络或其他链下环境中执行

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针对 Rollups 分两种类型，乐观汇总 和 零知识证明， ——它们的主要区别在于如何将此交易数据提交到 Layer 1网络。

Optimistic rollups

它假设所有交易都是有效的，但如果怀疑存在无效交易，则提出挑战(质疑)，此时将运行错误证明以查看是否发生这种情况。

  • 原理：

    • 用户将交易发送到 Optimistic rollups 网络，并将这些交易合并成一个批次，并计算新的状态。
    • 将所有交易数据进行压缩，并和新的状态根提交给 layer1 ，并在layer1进行存储
    • 假设此时所有交易都是有效的，而如果有人质疑批次中的交易，则可以提出挑战(在挑战期内)。
    • 如果发现无效交易，挑战者可以提交欺诈证明（Fraud Proof），触发状态回滚，并对提交无效交易人进行惩罚。

  • 优点：

    • 实现简单，兼容性高。

  • 缺点：

    • 提现需要等待挑战期（通常为 7 天）。

  • 使用场景

    • DeFi：Optimistic Rollups 支持复杂的智能合约，适合 DeFi 应用。
    • NFT：提供低成本、高吞吐量的交易环境，适合 NFT 市场。

  • 示例：

    • Optimism：https://optimism.io/ 由 Optimism 团队开发，专注于以太坊 Layer 2 扩展。 被多个主流 DeFi 项目采用，如 Uniswap 和 Synthetix
    • Arbitrum：https://arbitrum.io/ 由 Offchain Labs 开发，支持以太坊兼容的智能合约。 广泛应用于 DeFi 和 NFT 项目。

Zero knowledge rollups

简称 ZK-Rollups（零知识证明 Rollups）。

零知识汇总使用有效性证明，其中交易计算在链下进行，然后将这些 数据 以及其 有效性验证证明 一起提供给以太坊主网进行存储。

  • 原理：

    • 使用零知识证明（ZKP）验证交易的有效性。
    • 每个批次(Rollup 节点将大量交易打包成一个批次)包含一个有效性证明（Validity Proof），确保交易的正确性。

  • 优点：

    • 无需挑战期，提现速度快。
    • 更高的安全性和隐私性。

  • 缺点：

    • 实现复杂，计算成本高。

  • 使用场景

    • 支付：ZK-Rollups 提供快速、低成本的支付解决方案。
    • 隐私保护：零知识证明提供更高的隐私性，适合隐私敏感的应用

  • 示例：

    • zkSync：https://zksync.io/ 由 Matter Labs 开发，支持以太坊兼容的智能合约。
    • StarkWare：https://starkware.co/ 专注于高性能的 ZK-Rollups。

上面提到的两种类型各有优缺点，不同场景需要选择不同的方法，目前使用 Optimistic Rollups 比较多。

总结

Layer 2 网络是指通过一层网络主网共识获得安全性的链下解决方案。

Rollups 一句话描述就是通过 链下计算 和 链上存储 提高区块链的性能和可扩展性。

其它

既然 Layer 2 网络有这些优化，那官方为何不自行实现一个官方 Layer 2网络呢？

以太坊生态系统坚定认为，第 2 层扩展是解决可扩展性三难问题的唯一途径，同时保持去中心化和安全性，通过各种方法设计二层网络，都会对以太坊是有益处的。而其它类似于 layer1 链为了实现更高的每秒交易量和更低的费用，不得不在安全性或去中心化方面做出牺牲。

另外 侧链 和 有效性证明链 是允许从一个区块链桥接资产并在另一个区块链上使用的区块链。侧链和有效性证明链与主链并行运行，并通过桥接与主链交互，但它们的安全性或数据可用性并不依赖于主链。它们与第二层扩展方案类似，但信任假设不同。它们提供更低的交易费用和更高的交易吞吐量。更多关于侧链和有效性证明链的信息。

参考资料