什么是layer2? 从状态通道到Roll Up

以太坊区块链日趋广泛使用，但是协议的负载量却十分有限，使得链上十分拥堵，而且手续费越来越高，许多大规模应用无法在以太坊网络实现，十分不利于以太坊区块链的生态发展。在这种情况下出现了Layer2方案。

Layer2 是一个为提升以太坊网络（layer1）性能的整体解决方案。Layer1来保证安全和去中心化，做到全球共识，通过智能合约设计的规则进行仲裁，以经济激励的形式将信任传递到Layer2。 Layer 2 解决方案的核心思路是让多个参与方通过某种方式实现安全交易，无需将交易发布在主链（即 Layer 1）上，不过在某种程度上还是要依赖于主链作为仲裁方来确保其安全性。

Layer2方案中讨论的最多的就是状态通道（State Channels)，侧链(Sidechains)，等离子体（Plasma） 和 Roll Up。

状态通道

状态通道是Layer2的入门级方案，状态通道是交易双方在链下构建一个通道，通过私钥签名以后，在链下进行交易。状态通道是一种扩容（scale up）的手段。

状态通道也称为支付通道，支付通道是如今最广泛采用的 Layer 2 方案。例如，闪电网络就是建立在支付通道技术上的。

如何使用支付通道？

比如建立价值为100美元的以太坊支付通道，首先进行资金锁定，一旦锁定完成，交易者双方可互相发送形式为 [轮次，金额，签名] 的状态更新来实现转账，无需与主链进行交互，只要双方的余额都还为正值即可。一旦有一方想要停止使用支付通道，可以执行 “退出” 操作：将最后的状态更新提交至主链，结算下来的余额会退给发起支付通道的两方。主链可以通过核实签名和最后结余来验证状态更新的有效性，从而防止交易双方使用无效状态来退出支付通道,保证退出机制的安全性。

状态通道的缺点

1. “退出” 模式存在一个问题，即主链无法验证支付通道是否提交了全部交易，也就是说，在提交了状态更新之后是否不再出现新的状态更新。

目前这个问题的解决方案是为交易双方提供了一个“挑战期”。这个挑战期就导致一个缺点：交易双方可能得等待比较长的一段时间，通常是 24 小时，才能退出，而且需要频繁（至少每段退出期一次）监控主链以确保他们的交易对手方没有使用过去的某个状态退出。

2.状态通道的第二个缺点就是低资金利用率。由于资金流动性无法扩容，当众多资金锁在一个状态通道里，只能用状态通道转发的话，这个效率是非常低下。

侧链

侧链的核心思路是构建一条完全独立的区块链，有自己的验证者和运营者，可以与主链互相转移资产，而且会选择性地将区块头的快照发送至主链，从而防止分叉产生。有了这些快照，就可以有效防止分叉，即便侧链上的验证者串谋起来发动分叉攻击也没用。

从上图可以看出，侧链会生成区块并将它们的快照发送至主链。所谓的快照就是存储于主链上的区块哈希。侧链上的分叉选择规则是，合法的链必须构建在最近一个进行过快照的区块之上。在上图所示情况下，区块 A 的快照已经发送至主链，即使侧链上的验证者勾结起来，试图在区块 A 生成之后生成一条更长的 A’<-B’<-C’ 链来发动双花攻击，侧链上的参与者也会忽略这条更长的链。

侧链的缺点

安全性弱。虽然侧链可以利用主链的安全性来防止分叉，但是验证者依然可以通过串谋来发动另一种叫做 无效状态转换 的攻击。这种攻击背后的思路是，主链本来就不可能验证侧链上的所有区块。因此，如果有超过 50% 或 66%（取决于侧链的架构）的验证者串谋的话，他们可以创建一个完全无效的区块，窃取其他参与者的资产，并将这个区块的快照发送至主链，发起并完成一个“退出”交易，就可以成功偷走这些资产。

等离子体 Plasma

Plasma 是一种可以实现 “无监管” 侧链的技术，换言之，即使侧链（通常被称为 “plasma 链”）上所有验证者串谋起来作恶，plasma 链上的资产也是安全的，而且可以退回主链。最简单的 plasma 设计通常被称为 Plasma Cash ，只支持简单的非同质化代币，而且每个交易转移的资产只能是一个特定的常量。Plasma Cash 的运行方式如下图所示：

等离子体的结构是通过使用智能合约（smart contracts）和默克尔树（Merkle trees）建立的，可以创建无限数量的子链 - 基本上都是父链以太坊区块链的较小复制。在每个子链的顶部，可以创建更多的链，这就是它被称作树状结构的原因。Plasma 最大的优点是存储在 plasma 链上的代币安全性很高。

等离子体 Plasma的缺点

在转移代币之时必须提供该代币的完整历史，另外就是退出机制非常复杂。而且无法应用到智能合约上，用户跑节点的负担重。

Roll Up

Rollups是目前最为主流的扩容方案，其本质是将原本分布在区块中的大量交易数据，打包成一笔集合的交易，发布到链上。Roll Up 实际上是一条侧链，因此它会生成区块，并且将这些区块的快照发送到主链上。不过，Roll Up 上的运营者是无需信任的。也就是说，Roll Up 假定运营者可以在任何时候做出停止出块、生成无效块、隐瞒数据等恶意行为。

上面说到侧链有状态有效性的问题，Roll Up 为了避免这个问题，运营者要对某个区块进行快照之时，都要提供一个 SNARK（简洁化的非交互式知识证明），证明链已经使用相关的一组交易执行了有效的状态转换。以下图为例：

Roll Up 链上有三个区块：A、B 和 C 。它们的快照分别对应主链上的区块 X、Y 和 Z 。每到一个时间点，主链只需要存储 Roll Up 链上最新状态的默克尔根。在区块 A 进行快照之时，发送到主链上的交易包括：

• 新状态 S2 的默克尔根 h(S2)。
• S2 的完整状态数据，或区块中的所有交易。
• 一个 zk-SNARK，证明在从状态哈希 h(S1) 到状态哈希 h(S2) 之间的所有交易都是有效的，并且这些交易都与 （2）中提供的数据相匹配 。

Rollups 有两种类型：ZK Rollups 和 Optimistic Rollups。

ZK rollups

ZK rollups是指通过智能合约将数百个链下交易打包到一个单独的交易中，数据提交以后，智能合约可以确认全部的交易，这也被称为有效性证明。由于区块包含的数据更少，因此验证速度更快，验证成本更低。但ZK rollups无法支持智能合约。

zk Rollup 是一种新型的 Layer 2 扩容方案，主要用于去中心化交易所。该技术的核心思想是：

• 将主链作为存储媒介，而非共识引擎 ；
• 将交易压缩，并在链下达成状态共识 ；
• 用零知识证明保证链下状态共识的安全性。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollup 是一种在 layer2 上使用 OVM （Optimistic Virtual Machine）扩展以太坊通用智能合约的技术。OVM 的功能很齐全，可以与以太坊虚拟机兼容执行环境，其主要用于第 2 层系统。它的外观，感觉和行为非常类似于以太坊主链。Optimistic Rollup 的构造大量借鉴了 Plasma 和 ZK Rollup 设计。但某种程度的在扩展性上进行了权衡，以允许在受 Layer 1 保护的 Layer 2 中运行完全通用的智能合约。

Optimistic Rollup继承自 Plasma 的「欺诈证明」，默认「乐观地」（Optimistic）相信节点会将最新且准确的数据发布到主链上，所以从安全性来说，会略低于主网。虽然本金丧失风险很低，但可能会付出时间成本（退出期较长）。

该技术的核心思想是：

• 默认交易速度为 100 TPS。
• 使用 BLS 签名聚合时，此数字最多可以达到 500 TPS。
• 如果 EVM 兼容性受到破坏，则吞吐量理论上可能会增长到 ZK Rollup 的极限。
• 实际吞吐量上限（令牌传输）：500 TPS。