随着区块链技术的不断发展，以太坊等主流公链在追求去中心化和安全性的同时，面临着交易吞吐量的瓶颈。Layer 2 解决方案应运而生，旨在提升网络性能，降低交易成本，同时不牺牲底层区块链的安全保障。本文将深入解析 Layer 2 的工作原理、主要类型及其与 Layer 1 的核心区别。
Layer 2 区块链网络是什么？
Layer 2 网络是构建在现有区块链（称为 Layer 1）之上的二级框架或协议，其主要目标是解决如比特币和以太坊等主流区块链的可扩展性问题。这些 Layer 1 网络为优先保障去中心化和安全性，每秒处理交易数（TPS）有限，难以支撑全球级金融应用的需求。
Layer 2 方案通过将大量交易处理迁移至链下进行，减轻主链负担，使其更专注于交易验证和安全维护。据行业数据，仅以太坊生态中，Layer 2 解决方案锁定的资产价值已超过 300 亿美元。
关键在于，Layer 2 能够将多笔交易打包聚合，最终将批次数据传回 Layer 1 进行最终验证。这一过程显著降低了主链拥堵，减少了交易费用，同时提升了整体处理能力。
Layer 2 解决方案并非独立区块链
尽管常被称作“Layer 2 区块链”，但它们并非像比特币或以太坊那样独立的、功能完备的区块链。它们更像是 Layer 1 的扩展或增强，负责在链下或并行处理交易，最终将状态锚定回主链以确保安全性和终局性。
核心区别在于：Layer 2 解决方案依赖底层 Layer 1 的安全与去中心化特性。它们没有自己的共识机制、挖矿或质押过程，也不能独立存在。由于缺乏区块生成和验证机制，它们依赖 Layer 1 提供交易有效性和防篡改等安全保证。
Layer 2 扩展方案的主要类型
Layer 2 解决方案通过利用基础层的安全性，提供更快速、高效的交易处理能力，成为扩展以太坊及其他类似区块链的关键拼图。其中最主流的类型包括 Rollups、状态通道和 Validiums。
Rollups
Rollups 是一种 Layer 2 扩展方案，允许像以太坊这样的区块链网络在链下处理大量交易，同时保持主链的安全性和去中心化特性。 它们将多笔交易“卷起”打包，以单个批次形式提交至 Layer 1 区块链，显著减轻主链负载。
这样做有助于提高交易吞吐量、降低费用并缓解拥堵，同时保持安全保证。Rollups 主要有两种类型：Optimistic Rollups 和 零知识（ZK）Rollups，各自采用不同的方法实现可扩展性。
1. Optimistic Rollups
Optimistic Rollups 默认假设所有交易都是有效的，因此得名“乐观”。它们不会在链上验证每笔交易，只有在交易被其他用户质疑时才会运行验证检查（通过欺诈证明）。这意味着大多数交易在未被怀疑存在欺诈时不会直接验证，大幅减少了计算量。
- 核心假设：交易默认有效，除非被证明无效。
- 挑战期：通常设有 7 天的争议期，允许任何人质疑并证明批次中交易的无效性。
- 优点：交易处理更快，实现更简单，与现有以太坊智能合约兼容。
- 缺点：因挑战期导致提款时间较长，可能存在欺诈挑战风险，依赖博弈论保障安全。
- 代表项目：Arbitrum、Optimism
2. 零知识（ZK）Rollups
ZK Rollups 使用称为零知识证明（特别是 ZK-SNARKs 或 ZK-STARKs）的密码学证明来确保链下交易的有效性。 它们不依赖有效性假设，而是生成并提交一个证明（一个紧凑的密码学摘要）至 Layer 1 区块链，验证链下交易是有效的。这消除了对信任或欺诈证明机制的需求，并提供近乎即时的终局性，因为证明本身保证了正确性。
- 核心假设：交易在被密码学零知识证明验证前均视为无效。
- 证明生成：生成复杂的数学证明，在不泄露任何底层数据的情况下验证交易有效性，提供增强的隐私性。
- 优点：近乎即时的交易终局性，安全性高，隐私性强。
- 缺点：实现更复杂，证明生成可能带来更高的计算成本，不一定适合所有应用类型。
- 代表项目：zkSync Era、Immutable
状态通道
状态通道是区块链网络上两个或多个参与者之间的双向通信通道，允许这些参与者在将最终状态结算到主链之前，在链下（即主区块链之外）进行多次交易。
简单来说，状态通道允许各方通过开启一个私有通信通道直接在链下进行交易，无需频繁与 Layer 1 区块链交互。它们特别适用于需要相同参与者之间频繁交互的应用，如游戏、微支付和实时服务。
状态通道基于区块链是“状态机”的前提工作，意味着在任何给定时刻，区块链都处于特定状态（参与者在特定时间点的余额或其他相关数据的快照）。
该过程涉及三个主要阶段：
- 开启通道：参与者首先在多签名智能合约中锁定部分资产或“状态”。该合约作为安全机制，确保资金将根据链下交互的最终状态进行分配。
- 链下交互：通道开启后，参与者可以直接交换签名的交易。这些交易更新通道状态，但不会广播到主区块链。
- 关闭通道：当参与者想要结束交互或提取资金时，他们将通道的最终状态提交给 Layer 1 区块链。智能合约验证最终状态并根据签名交易确保资产分配正确。
Validiums
Validiums 是一种独特的 Layer 2 扩展方案，结合了零知识 Rollups（zkRollups）和链下数据可用性的元素。 Validiums 特别适合需要高吞吐量但去中心化和链上数据可用性不是主要关注点的应用，例如游戏、NFT 和企业特定用例。
Validiums 在安全架构上与零知识（ZK）Rollups 有相似之处。两者都依赖零知识证明（ZKPs）来确保链下交易的有效性，而无需将所有交易数据存储在 Layer 1 区块链上。然而，Validiums 在处理数据可用性的方式上与 ZK-Rollups 不同。
- 链下数据存储：Validiums 将大部分交易数据存储在链下，而不是像 ZK-Rollups 那样记录在 Layer 1 区块链上。这使它们能够实现更大程度的扩展，因为它们不受基础层数据存储限制的约束。
- 零知识证明保障安全：虽然交易数据存储在链下，但 Validiums 仍使用 ZKPs 来确保所有交易有效。这些密码学证明被提交至 Layer 1 区块链（如以太坊）进行验证。
StarkEx 是由 StarkWare 开发的一个著名 Validium 解决方案实例，为多个去中心化交易所（DEX）和其他应用提供支持，提供高可扩展性和低交易费用。
侧链：一个特例
侧链常在与 Layer 2 扩展方案的讨论中被提及，但它们与 Rollups 或状态通道等其他 Layer 2 技术有根本区别，因为它们并非严格构建在 Layer 1 区块链“之上”。相反，侧链是作为与主链（Layer 1，如以太坊或比特币）并行运行的独立区块链。
侧链旨在为交易和智能合约提供更具可扩展性的环境，解决主链上出现的高费用和慢交易时间等问题。
核心运作机制
- 双向桥接：侧链通过双向桥与主区块链连接。该桥允许用户将资产（如代币）从主链转移到侧链并返回。
- 独立共识：侧链拥有自己独立的共识机制，与主链不同。这种独立性允许侧链在速度、可扩展性和成本方面进行不同的优化权衡。
- 交易处理：资产转移到侧链后，用户可以在侧链上与智能合约交互、执行交易和参与 dApp，而无需主区块链介入。侧链上的交易根据其共识规则进行处理，通常具有比主链高得多的吞吐量和更低的成本。
Layer 1 与 Layer 2 的核心区别总结
| 特性 | Layer 1 区块链 | Layer 2 区块链 |
|---|---|---|
| 目的 | 基础层，提供安全性和去中心化 | 提升基础层（L1）的可扩展性 |
| 交易处理 | 在链上，直接在基础层处理 | 在链下或并行处理，然后锚定至 L1 |
| 共识机制 | 拥有自己独立的共识机制（PoW、PoS 等） | 依赖 L1 的安全性和共识 |
| 可扩展性 | 受基础层吞吐量限制 | 吞吐量显著更高，费用更低 |
| 安全性 | 为网络提供最高级别的安全性 | 继承 L1 的安全性，可能有附加安全措施 |
| 实例 | 比特币、以太坊、Cardano | Rollups（Optimistic 和 ZK）、状态通道、侧链 |
| 与 L1 的关系 | L2 解决方案构建的基础 | L1 的扩展或增强，旨在提升性能 |
常见问题
Layer 2 解决方案如何保证安全？
Layer 2 解决方案自身通常不产生安全性，而是继承所依赖的 Layer 1 区块链的安全保障。例如，基于以太坊的 Rollups 最终依靠以太坊主网共识和验证机制来确保交易数据的有效性和防篡改性。某些方案（如 Validiums）可能有额外的安全假设或依赖一组数据提供者。
使用 Layer 2 的主要优势是什么？
主要优势包括显著降低的交易费用、更快的交易确认速度以及更高的吞吐量，同时保持了与底层 Layer 1 相当的安全水平。这使得日常交易、微支付和复杂 dApp 交互变得经济可行。
Optimistic Rollups 和 ZK Rollups 哪个更好？
两者各有优劣，适用于不同场景。Optimistic Rollups 通常更易于实现、与以太坊虚拟机（EVM）兼容性更好，但提款需要挑战期。ZK Rollups 提供即时终局性、更强的隐私性和理论上更高的安全性，但技术更复杂，证明生成计算成本高。选择取决于应用对速度、成本、兼容性和隐私的具体需求。
状态通道适合哪些应用？
状态通道特别适合需要高频、双向小额交易的应用场景，例如：
- 微支付系统
- 链下博弈或游戏
- 实时数据交换服务
参与者需要预先锁定资金，但之后可以无限次免费且即时地交易。
侧链和 Layer 2 是一回事吗？
不是。侧链是拥有独立共识机制的独立区块链，通过双向桥与主链连接，其安全性不直接继承自主链。而典型的 Layer 2（如 Rollups） 则紧密依赖主链进行安全和共识，可视为主链的逻辑扩展。侧链的安全模型需要单独评估。
结语
Layer 2 解决方案并非改善区块链可扩展性的唯一途径，其他方法还包括共识机制变更、分片等。然而，修改基础层的过程通常更繁琐，甚至可能增加复杂性，从而扩大攻击面，危及基础层的完整性。
相比之下，Layer 2 更容易被开发者升级（或降级）。即使出现 Layer 2 被攻破的情况，由于其安全保证源自 Layer 1，也可以阻止其将交易结算到基础层。未来，我们有望看到更多 Layer 2 解决方案的出现，特别是为特定用例量身定制的应用链（AppChains）。