拨开迷雾，走进区块链世界：Layer2扩容方案解析

长久以来，我们沉浸在区块链的内容海洋中，但如同水中捞月、镜中摘花，阅读过后仍旧困惑不解。我们不禁反思，难道区块链技术仅限技术人员理解吗？答案当然是否定的。撇开市场上故弄玄虚的小圈子，实际上，区块链涉及的加密技术、分布式存储等早已不再是新奇之事。大量深入浅出的文章被我们忽视，导致我们误以为区块链领域过于神秘莫测。今日，Josh Stark撰写的一篇7000字长文，虽篇幅可观，但言简意赅、不卖关子，极为难得地将区块链技术原理讲解得通俗易懂。若你能耐心研读，必将对以太坊及其Layer2架构有全新的理解和认知，或许还能重燃你对以太坊的信任与信念。

2018年是以太坊基础设施建设的关键一年，这一年中，人们针对网络局限性进行了探索，并重新聚焦于扩容技术的研究与实践。

当前的以太坊尚显稚嫩，安全性和可扩展性都有待提升，这是一个共识。然而，在过去一年，由投机炒作引发的过度夸大，使区块链的能力被过分渲染。

以太坊与Web3——一个受共识机制制约的安全、易用分布式网络，旨在服务于全球数十亿用户——依然处于期待之中，其落地实现有待关键基础设施的完善。

扩容并非单一技术难题，而是一个需要克服的系列问题。其中最常见的挑战是交易吞吐量。目前，以太坊每秒处理15笔交易，相比之下，Visa可达45000笔/秒。Cryptokitties之类的热门应用一度导致网络拥堵，交易费用飙升。

以太坊为代表的公共区块链要求每个节点参与处理每一笔交易，这也是其主要瓶颈所在。在以太坊上执行的每个操作——转账、Cryptokitty的诞生、ERC20合约的生成——都需要所有节点共同执行。这种设计确保了区块链的权威性，节点无需依赖外部获取区块链状态信息，而是自我验证。

这意味着以太坊的交易吞吐量受限于单个节点的数据处理速度。

理想的扩容方案应兼顾不增加单个节点负担的同时，提高整体交易处理能力。

这里提出了两种扩容思路：

设想区块链内的节点无需并行处理每笔交易；

在现有基础上，为以太坊搭建协议层网络。

前者催生了分片(sharding)理念，由以太坊创始人Vitalik Buterin等人提出，将区块链分割为多个独立运行的“片”，每个片都能处理交易，通常属于Layer1扩容方案。

后者则引出了Layer2技术，如状态通道、Plasma和Truebit等，虽各有侧重点，但均致力于在保障安全性前提下实现“链下”操作。Layer2技术因其建立在以太坊主链之上，无需修改底层协议，仅表现为与链下软件交互的智能合约而得名。

深入探索Layer2扩容方案

在深入了解Layer2扩容方案之前，我们先明白其背后的加密经济学原则。区块链的核心力量在于加密经济共识。通过对激励机制精心设计并与软件和密码学相结合，网络内的所有系统参与者能达成一致共识。比特币和以太坊等众多公链已成功运用了这种机制，赋予系统内部操作以确定性。

Layer2技术旨在将区块链的效用拓展至链外，允许我们在链外开展交互，而又能在需要时回归主链。这些Layer2技术都构建在以太坊主链之上，虽然不能确保与链上操作同等的安全级别，但却能确保操作的最终性、安全性及实用性，并以牺牲一定权限为代价换取更高的运行效率和更低的手续费。

状态通道：特性与局限性

I. 状态通道（State Channels）
状态通道是一种“链下”处理交易和其他操作的技术手段，同时确保了高度的安全性和终结性。遇到问题时，操作仍可通过链上交易进行挽回。支付通道作为状态通道的一种特殊形态，已被应用多年，近期以比特币上的闪电网络为例得以普及。状态通道在2015年由Jeff Coleman首次提出，不仅能处理支付，也能处理区块链状态更新——类似于智能合约的变化。

举例说明：Alice和Bob正在进行一场三子棋游戏，赢家将获得1ETH奖金。最直观的方法是在以太坊上创建一个智能合约，将游戏规则纳入合约，并追踪每位玩家棋子的移动。每当玩家移动一步棋时，就要向合约发出一条交易。然而，这种做法显然效率低下、速度缓慢，整条网络都在为此付出资源代价，每次玩家移动，还需支付手续费并等待矿工验证后方可继续下一步。

此时，我们可以通过设计系统，让Alice和Bob之间的互动尽量在链下进行。他们可在链下更新状态，并在必要时刻返回链上进行交易，这种系统便被称为“状态通道”。

1.我们在以太坊主链上创建一个智能合约作为裁判，并将游戏规则、Alice和Bob两位参赛者的身份写入合约，同时设定1ETH的奖励金额。

接下来，Alice和Bob开始互动。Alice先行一步并签名，将签名后的版本传给Bob，Bob亦签名并将自己签名后的版本回传并保存副本。此后双方轮流签名并更新各自状态，每次互动都会附带一个唯一的“nonce”编号，以便按顺序排列交互事件。

直至此时，所有操作并未在链上发生。Alice和Bob只是在网络中交换带有区块链认证的交易，但从有效性角度看，这些交易依然被视为有效的以太坊交易，犹如双方在交换带有银行认证的支票。实际上，银行账户并无资金变动，但只要双方愿意，任何时候都可以将这些支票存入银行兑现。

如果游戏结束，例如Alice获胜，双方只需将最终状态（交易清单）上传并关闭通道，进而仅需支付一次交易费用即可。智能合约将确保双方签名确认的“最终状态”，并在等待一段时间以确保结果可靠性后，将1ETH奖金发放给Alice。

为何需要等待时间？假设Bob上传的是非最终版本，合约只能执行指令，无法判断哪个版本为最终版。这时设置等待期，可以让Alice提交证据证明她提供的是最终状态。

特点与局限性

状态通道依赖于网络连接的可用性，若Alice在游戏过程中断网，可能导致她无法及时提交状态信息。不过，Alice可以付费请他人保管她的交易状态，以维持数据的可用性。

对于需要多次状态更新且持续时间较长的应用程序，状态通道特别适用。因为创建通道时需要一次性费用，但在后续维护时成本极低。

状态通道适用于用户固定的场景，因为合约需要预先知道通道内的所有实体（地址）。尽管用户数量可以动态增减，但需要在合同上作出相应变更。

状态通道具备较高的隐私性，因为所有操作都在参与者的“内部”通道和双方之间完成，而非公开链上记录。

状态通道具有即时终结性，一旦双方对状态签名确认，则视作最终状态，如有必要，也可强制链上执行。

L4组织正在研发一个基于以太坊的状态通道框架——Counterfactual，旨在提供通用且模块化的模板，使开发者无须自行研究状态通道即可在应用程序中加以利用。此外，Raiden项目也值得关注，其目标是构建一个类似闪电网络的支付通道网络，使得用户可以与一个大型通道网络开通通道，无需手续费即可与同一网络内的所有成员交易。

Plasma：通过创建子链扩增吞吐量

2017年8月11日，Vitalik Buterin与Joseph Poon联合发表《Plasma：自主智能合约》论文，推出了一项创新技术，旨在提升以太坊的处理效率。与状态通道相同，Plasma也是一种处理链下交易的技术，依赖于以太坊底层技术确保安全性。但Plasma采取了不同的途径，通过在以太坊主链上创建“子链”（“child” blockchain）。这些子链自身也可以创建子链，形成层级结构。

借助这种方式，我们可以在子链层面执行复杂操作，运行包含数千用户的大型应用程序，与此同时，与以太坊主链的交互次数大幅减少。子链运行速度快，交易费用低廉，因为交易处理无需经过主链。

以下我们通过实例了解Plasma的工作方式：

设想你在以太坊上创建