什么是Layer2，为什么它们很重要？

水多多|zkSync

22-07-23 10:00

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原文标题：《zk、zkVM、zkEVM 及什么是 Layer2，为什么它们很重要？》

原文作者：水多多|zkSync

举个简单的例子，一个公司业务量庞大，于是他开了一个子公司，把一些业务交由子公司处理。母公司就是 Layer 1，子公司就是 Layer 2。这样，母公司的负担就减轻了。

首先，我们需要定义第 1 层是什么：第 1 层网络是基础层，或者说是区块链的底层基础设施。也称为主网络或「主网」，它不仅定义了生态系统的核心规则，还可以验证和完成交易，如以太坊、比特币和 Solana 等示例。

第 1 层区块链通常从强调去中心化和安全性开始——这两者都是任何健全网络的核心原则，并且（除了一些例外）由多元化的全球开发人员和参与者（如验证者）网络维护。

另见：什么是区块链技术？

由于缺乏任何中央权威或监督，这些平台要求技术本身具有与生俱来的安全性，以保护用户免受诈骗和攻击。由于设计中的这种优先级，更不用说维持功能齐全的生态系统所需的大量资源，它们通常缺乏可扩展性。

虽然一些开发人员认为无法在安全性、去中心化和可扩展性之间实现平衡是该技术的一个不可阻挡的缺陷（被称为区块链三难困境），但第 2 层解决方案，例如以太坊上的 rollups 和比特币上的闪电网络是用于解决这些问题的一种解决方案。

什么是 Layer2？

Layer2 是指建立在第 1 层之上的一组链下解决方案（独立的区块链），可通过扩展和数据减少瓶颈。把它想象成一个餐厅厨房——如果每个订单都必须由一个人从头到尾在订单确认和交付之前完成，那将是一个非常缓慢的过程，一个小时只能完成几个订单。但是第 2 层就像准备站——有一个用于清洁和切割食物的站、一个用于烹饪的站、一个用于组装菜肴的站——能够集中精力并更有效地完成每项任务。时机成熟时，最终人员可以将每个组装好的菜肴与订单进行匹配，并在将其发送到最终目的地（客户）之前进行确认。

Visa 等支付平台也使用类似的系统。Visa 没有单独管理来自供应商的数千笔日常微交易，这些交易会在几分钟内阻塞网络，支付宝将它们分成批次，定期在银行系统中结算。然后，银行通过其内部相当于结算层的交易来存储和分类交易。在这种情况下，Visa 将成为第 2 层以及 Visa 更广泛的机构和政府网络，它们保存交易记录并将金融行业的规则定义为第 1 层。

以太坊还通过诸如乐观和零知识 (ZK) 汇总等功能使用类似的方法，这些功能可以减轻主网管理交易的负担，从而实现更大的交易包容性和吞吐量（每秒更高的交易量）。所有这些都带来了更加无缝和实用的用户体验。以太坊上第 2 层的示例包括 Arbitrum、Optimism、Loopring 和 zkSync 等解决方案。

为什么第 2 层很重要？

虽然去中心化和安全性是以太坊第 1 层或主网的特性，但多年来随之而来的市场普及已导致该网络达到其目前每天交易量超过 150 万笔的容量。此外，由于主网每秒只能处理大约 15 笔交易，网络活动频繁的时期通常会导致数据拥塞。这反过来又导致 gas（交易费用）上涨并减缓应用程序的性能，虽然这在现在的熊市不明显，但显然我们不可能一直处于熊市。

为了解决这些问题，Layer2 将以太坊扩展为第 1 层网络之上的单独区块链。如前所述，它通过集成并受益于以太坊强大的去中心化安全模型的智能合约进行通信并帮助减轻主网交易的沉重负担。本质上，第 1 层处理安全性、数据可用性和去中心化，而 Layer2 处理与交易相关的扩展。

在大多数情况下，第 1 层区块链具有：

- 用于保护和验证网络的节点网络

- 区块生产者网络

- 主要的区块链和交易数据

- 相关的共识机制

第 2 层的不同之处在于提供：

降低费用：Layer 2s 将多个链下交易捆绑到单个 Layer 1 交易中，这有助于减少数据负载。他们还通过在主网上结算交易来保持安全性和去中心化。

更实用：通过每秒更高的交易量和更低的费用的综合优势，Layer 2 项目可以专注于改善用户体验和扩大应用范围。

大多数可扩展性问题都与去中心化有关。与拥有封闭且更有效的支付监管方法的传统银行不同，区块链的交易和数据管理必须经过一系列系统性步骤，例如在网络（有数千名参与者）上接受、验证和分发，同时保持安全性和透明度。

第 2 层如何工作？

第 2 层协议提供了第二个框架，其中交易可以与第 1 层分开进行。这意味着将由主链执行的相当数量的工作可以转移到第二层。然后，第 2 层应用程序将交易数据发布到第 1 层，并在区块链分类帐和历史记录中得到保护。

与任何其他开放或封闭平台一样，第 2 层的可访问性也有所不同。有些可以被一系列应用程序使用，而另一些只能满足特定项目的突发奇想。也就是说，第 2 层利用的几个关键组件包括汇总和侧链。

第二层汇总（rollups）

汇总是一种特定的第 2 层解决方案，它在第 1 层之外执行数百个事务，将它们汇总为单个压缩数据，然后将数据发布回主网，以便任何人在认为可疑时进行审查和争议。通过这样做，rollup 不仅利用了以太坊的安全性，还可以将 gas 费用降低多达 10–100 倍。

虽然 rollups 都有助于存款、取款和验证证明，但 rollups 的方式存在细微的变化，例如 Optimism 和 ZK rollups，将数据发布回第 1 层。

Optimistic rollups（乐观汇总）

乐观汇总与以太坊主链并行，运行所有交易，然后将数据发布回第 1 层。由于具有竞争力的低费用，用户被激励在这些第 2 层上进行交易。如果怀疑存在欺诈交易，可以通过欺诈证明对其进行质疑和评估。在这种情况下，汇总将使用可用的状态数据运行事务的计算。与 ZK rollups（下文解释）相比，这意味着退出 rollup 并将资金撤回到第 1 层的时间会稍长一些。但是，「内部」汇总用户仍然会收到快速交易确认。

一般来说，Optimistic rollups 与以太坊虚拟机 (EVM) 和 Solidity 兼容，这意味着以太坊第 1 层上的任何可能都可以在第 2 层上复制。

Optimistic rollups 的几个示例包括 Arbitrum、Optimism 和 Boba。

侧链

从 XDai 和 Polygon PoS 等项目可以看出，侧链是一个独立的、与 EVM 兼容的区块链，它并行运行并通过桥与主网交互。由于它们使用单独的共识机制并且不受第 1 层的保护，因此在技术上它们不被视为第 2 层。但是，该链的工作方式与以太坊相同，因为它对 EVM 进行建模。也就是说，侧链运营商的风险更大，因为用户信任他们的是资金，而不是以太坊协议（或适当的第 2 层）。注:(Polygon 已经通过炒能力完成了多笔收购，侧链已经并不准确）

Validiums

Validiums，例如 StarkWare，使用有效性证明（类似于 ZK 汇总），但不将数据存储在第 1 层。多个有效性链可以彼此并行运行，并且每条都能够每秒处理大约 10,000 个事务。但是，由于需要更专业的语言，因此对通用智能合约的支持有限。

侧链和验证都是与以太坊并行运行并通过连接到主网的桥与资产交互的区块链。它们不会从以太坊本身获得安全性或数据，因此不被视为像 Optimistic 或 ZK 汇总那样的适当第 2 层。考虑到潜在的安全和信任影响，情况尤其如此。但是，两者都通过提供较低的交易费用和高吞吐量来扩展类似于第 2 层。

ZK-rollups（ZK 汇总）

与 Optimistic rollups 相比，ZK rollups 生成加密证明来验证交易的真实性。这些证明（发布到第 1 层）称为有效性证明或 SNARK（简洁的非交互式知识论证）或 STARK（可扩展的透明知识论证）

ZK 汇总更有效，因为它们维护第 2 层上所有传输的状态，这些状态仅通过有效性证明进行更新。由于 ZK rollup 不需要整个交易数据，因此更容易验证区块并将以太坊区块链的主要 Token 以太（ETH）转移到第 1 层。有效性证明（由 ZK rollup 合约接受）已经验证交易的真实性。也就是说，它们没有完整的 EVM 支持，并且更密集地为链上活动很少的应用程序运行计算。

zkSync 和 Starkware 都使用 zk-proof 解决方案，但也有区别，：

- 虽然 Starknet 在技术上是一个 ZKRollup（链上数据可用性，它实际上是 Validium：Cairo VM 的当前架构不允许用户通过 L1 强制执行任意交易。

- Validium 的机制与 zkRollup 非常相似，但有一个区别是 zkRollup 中的数据可用性是在链上的，而 Validium 将其保持在链外。这允许 Validium 实现更高的吞吐量——但这些中心化部分需要付出代价：Validium 的运营商可以冻结用户的资金。而 zkSync 是完全去中心化的。

为什么有这么多的第 2 层？

由于我们已经介绍了主要的第 2 层（Optimistic rollups、ZK rollups 和侧链），但生态系统不断变化，一些应用程序最终被放弃，例如 Plasma 和状态通道。