区块链扩展性：基础网络与补充解决方案的比较

为什么交易速度很重要

区块链技术彻底改变了我们在企业网络中记录、验证和追踪信息的方式。其优势显而易见：更高的安全性、不可否认的透明度以及运营成本的降低。然而，有一个关键障碍阻碍了其大规模应用：交易处理能力。传统系统每秒执行数千笔操作，而区块链网络则面临显著的瓶颈。在这里，出现了解决这一困境的两种基本方法：优化基础层(Layer 1)或构建平行解决方案(Layer 2)。

区块链的三难困境

以太坊的创始人Vitalik Buterin提出了一个关键概念：不可能同时实现三个核心特性——完全去中心化、强大的安全性和高处理能力。任何网络都必须做出权衡。比特币优先考虑安全和去中心化，牺牲速度。一些新兴的Layer 1试图找到平衡，而其他Layer 2则专注于性能，将安全性委托给基础网络。

理解这一现实对于理解为何存在多种解决方案，而非单一通用方案，至关重要。

了解Layer 1：基础

什么定义了Layer 1网络

Layer 1区块链是一个完全自主的网络，管理自己的安全、交易验证和数据存储。比特币和以太坊是典型的例子。所有关键组件——分布式共识、智能合约执行、数据可用性——都在其上实现。当你直接在比特币或以太坊上进行交易时，实际上是在与Layer 1交互。

其固有的挑战是：越是去中心化和安全，处理速度越慢。比特币每秒验证约7笔交易，以太坊在Ethereum 2.0之前每秒约处理30笔交易。这一限制促使开发出各种复杂的优化技术。

Layer 1中的优化技术

分片（Sharding）：分而治之

借鉴分布式数据库架构，分片将网络划分为多个较小的“分片”。每个分片可以同时并行处理交易，从而大幅提升总吞吐量。如果64个分片同步运行，网络的吞吐能力可以提升64倍。Zilliqa实现了“交易分片”，将交易打包成批，由不同的分片处理。挑战在于：确保分片间的高效通信，避免引入过多延迟。

共识机制的变革

工作量证明(PoW)，比特币采用的机制，需要大量计算能力验证区块。权益证明(PoS)用验证者代替挖矿，验证者在网络中提供保证。结果是：能耗降低99%，处理能力提升。以太坊2.0在“合并”后完全采用PoS。Cardano实现了Ouroboros PoS，Algorand使用纯PoS，Fantom采用aBFT(拜占庭容错机制)。这些方案都在以更低能耗的情况下实现更高吞吐。

SegWit：优化数据结构

比特币的SegWit(隔离见证)，并不直接增加容量，但极大改善了效率。通过将数字签名与交易数据分离，减少每笔交易的大小约65%。一个1MB的区块可以容纳更多交易，加快结算速度，降低手续费。它具有向后兼容性——旧节点仍能正常工作。

Layer 1方案的优势

无需额外基础设施

不同于Layer 2需要额外链或平行系统，Layer 1通过修改协议实现。这意味着无需桥接、无需跨链转移，一切都在原生层面完成。

全面安全保障

所有交易都依赖网络的完整共识机制，无需依赖第三方或专门验证者。去中心化得以保持。

持久影响

Layer 1的改进是结构性的。一旦实施，将持续惠及整个网络。缓解拥堵、降低手续费的效果具有持久性。

实际限制

节点的物理限制

每个节点都存储完整的交易历史。随着区块链增长，存储和带宽需求也在增加。并非所有人都能运行完整节点，导致去中心化程度下降。

分片间的拥堵

分片带来了新问题：涉及多个分片的交易需要跨分片通信，增加延迟。确认跨分片交易需要更长时间，消耗更多带宽。

矿工的困境

从PoW向PoS的转变，取消了挖矿需求。验证者获得奖励，但挖矿生态可能收缩，潜在降低安全性。

Layer 2的战略作用

核心概念

任何在Layer 1区块链之上运行以增加功能的技术，都被视为Layer 2。它不取代基础层，而是补充。Layer 2在链外处理交易，定期将结果“清算”到Layer 1，继承其安全性。

这与侧链不同，后者具有独立的安全机制(通常较弱)。

主要架构

Rollups：数据压缩

Rollups在链外执行数百笔交易，然后将一个压缩的“包”提交到Layer 1。这大大减少了确认数据的体积，提升10倍到100倍。主要有两种：

• Optimistic Rollups（乐观汇总）：默认交易有效。若有人质疑，网络验证。Arbitrum和Optimism采用此方案。
• ZK Rollups（零知识汇总）：在提交前生成数学证明，验证交易有效性，免除质疑期。

状态通道

两个用户“开设一个通道”，在链外进行多次交易，只在开始和结束时在Layer 1登记余额。比特币的闪电网络就是典型例子：微支付瞬时完成，手续费极低。Strike应用利用闪电网络实现秒级转账。

侧链（Sidechains）

独立的区块链通过“桥”双向连接。可以针对特定用途优化——游戏的高速、金融的隐私、DeFi的零成本。Polygon PoS、Skale和Rootstock是例子。用户需信任侧链的安全性，而非仅仅信任Layer 1。

具体案例

Arbitrum

基于以太坊，采用Optimistic Rollups技术，交易速度提升10倍，手续费降低90%。其原生代币ARB治理平台。支持数百个dApp。

Optimism

也是以太坊的Layer 2，使用乐观汇总。生态系统中有97个协议——Uniswap、Synthetix、Velodrome等，锁定价值超过$500 百万美元。添加到MetaMask非常简单。

闪电网络

让比特币从慢速货币变成点对点数字现金。商家无需等待10分钟，闪电网络秒级确认。Nostr是去中心化社交网络，集成闪电网络实现微支付。OpenNode允许商家接受比特币，几乎瞬时结算。

Polygon

定位为“区块链互联网”——多个兼容以太坊的链自由交换价值。2023年6月，其DeFi总价值达约$1.3亿。Compound和Aave在其上运行。NFT交易手续费极低，使得原本不切实际的市场成为可能。Polygon Studios(成立于2021年7月)，推动Web 2游戏向Web 3迁移。

Layer 2的优势

爆发式性能

Layer 2的交易确认时间为毫秒级，而非分钟。这使得之前不可能实现的应用成为可能——高频交易、实时游戏、持续微支付。

成本降低

无需在Layer 1上处理全部交易，手续费大幅下降。在以太坊上花费$10-50的操作，在Arbitrum或Optimism上只需几美分。

继承的安全性

Layer 2不创造新的安全机制，而是复用Layer 1的安全。所有交易都可以在基础层验证，保障安全。

功能不减

dApp在Layer 1和Layer 2上运行完全一致。复杂的智能合约、先进的DeFi功能都能实现。只是速度更快、成本更低。

核心缺点

流动性碎片化

用户在多个Layer 2之间分散资金，市场变得稀薄。以太坊需要集中流动性以支撑强大的DeFi生态。分散在Arbitrum、Optimism、Polygon的资金减少了整体流动性。

互操作性受限

在Arbitrum上的dApp不能直接调用Optimism上的dApp。需要桥接，增加延迟和风险。这削弱了DeFi的核心特性——组合性。

操作复杂

用户需要在Layer 1和Layer 2之间转移代币。涉及多次交易、不同的钱包、理解桥的工作原理。操作难度较高。

对Layer 1的依赖

如果Layer 1拥堵，Layer 2也会受影响——无法快速清算交易。Layer 2的速度受基础层限制。

直接对比：Layer 1与Layer 2

方面	Layer 1	Layer 2
安全性	最大(完整共识)	继承(依赖Layer 1)
速度	有限(30-100 tx/s)	高(1000+ tx/s)
成本	高(尤其在高峰期)	极低
去中心化	完全	部分(验证者)
组合性	完全	分散在各Layer 2之间
复杂度	用户操作简单	更复杂(桥)

令人不舒服的真相？两者都必不可少。Layer 1提供可靠基础，Layer 2放大实用性。这不是“或”而是“和”。

Ethereum 2.0的变革性影响

Ethereum 2.0标志着一个关键转折点。其全面转向PoS和引入分片技术，承诺每秒可达10万笔交易——而非30。这将解决许多Layer 1的问题。

但这不会使Layer 2变得过时。原因？组合性有限。即使在Ethereum 2.0之后，不同链之间仍不能完美交互。Layer 2仍为特定优化和创新提供空间。

Ethereum 2.0降低了紧迫感，但并未消除需求。

实际应用引领行业变革

去中心化金融(DeFi)

MakerDAO通过以太坊智能合约创建DAI——以以太币为抵押的稳定币——系统运行良好，但在小额交易中手续费占比高。Polygon实现了相同功能，成本低达100倍。Compound和Aave在Layer 2上复制，扩大了访问范围。

支付与汇款

闪电网络将比特币变成快速支付货币。商家无需等待10分钟，闪电网络秒级确认。Strike允许全球范围内用美元转账，手续费低于传统银行。

游戏与NFT

Polygon Studios推动游戏转型。降低延迟、极低成本，使得游戏内经济成为可能。用0.5 MATIC（约$0.25）买皮肤，而非$5。NFT在Polygon上的交易成本几美分，开启了在Layer 1难以实现的市场。

( 持续创新

未来一代探索混合方案——结合Layer 1和Layer 2的优势。例如，LayerZero允许应用同时利用多条链，选择最优执行地点。

未来展望

不可避免的融合。Layer 1网络将继续优化——分片、共识改进、减少膨胀。Layer 2将持续增长——每个都针对特定用例进行优化。

普通用户？可能不知道自己在哪一层操作。界面将抽象出复杂性，根据速度和成本选择最优方案。

主流应用的落地需要这个：看不见的技术、直观的性能、几乎无成本。区块链正朝这个方向迈进。Layer 1提供坚不可摧的基础，Layer 2放大其效用。两者共同构建了一个几乎解决三难困境——去中心化、安全性和可扩展性共存的生态系统。

我们仍处于这段旅程的起点。未来充满无限可能。