Coinbase談以太坊發展，Layer1、側鏈及Layer2擴容方案孰優孰劣？

Coinbase 近期於官方部落格發表了一篇文章，內容講述了多鏈發展未來，側鏈及 Layer2 解決方案。此篇為關於這篇文章的翻譯及重點整理。

(原文標題為《Scaling Ethereum & crypto for a billion users》，作者為 Justin Mart 及 Connor Dempsey)

以太坊當前問題

至 2021 年的今天，以太坊上已承載了上千個應用，包含了 DeFi、NFT 及遊戲等各種領域。整個網路每年交易結算超過上兆美元，目前各平台鎖倉量已超過 1,700 億美元。

但以太坊的去中心化設計，以及每秒只有 15 筆交易最終限制了它能處理的交易量。這導致了漫長的交易等待時間及每筆交易伴隨的高額 Gas Fee (有時甚至超過 200 美元)。最後，許多用戶因費用對其望之卻步，並限制了以太坊目前可以處理的應用類型。

若基於智能合約開法的區塊鏈要發展到能支持數十億用戶的金融及 Web3 應用，擴容的解決方案勢必不可或缺。而最近，有許多擬議的解決方案也上線了。

如何解決

為了解決當前問題，文章提出了兩種方案。分別為 (1) 建立與以太坊競爭的全新網路，在上面能處理更多的活動。(2) 建立可以處理以太坊過剩容量的互補網路。

總體來看，它們分為以下三個類別：

• Layer 1 區塊鏈 (與以太坊競爭)
• 側鏈 (與以太坊有一定的互補性)
• Layer 2 網路 (對以太坊的補充)

雖然以上三種皆有不同的架構或方法，但目標皆相同：讓用戶能實際的使用網路 (例如：與 DeFi、NFT 等互動），且無須支付高額 Gas Fee 及忍受漫長等待時間。

Layer 1 (一層網路)

以太坊被視為是 Layer 1 區塊鏈：一個保障用戶資金及執行交易皆在同一地方的獨立網路，在上面可以使用像是 Uniswap 此類 DeFi 應用進行幣種兌換。

為了與以太坊競爭，新的 Layer 1 網路需從頭到尾從新打造。主要區別在於新的系統設計，為了實現更高的吞吐量已降低交易費用，但通常得以更加去中心化為代價。

在過去 10 個月裡，新興 Layer1 網路紛紛上線，由 Solana、Avalanche、Terra 及 Binance Smart Chain (幣安智能鏈) 領頭，每個生態系統皆不斷增長，TVL (總鎖倉量) 皆達到 100 億美元以上。

所有 Layer 1 網路皆在相互競爭以吸引開發者及用戶，但若沒有類似以台太坊的工具及基礎設施，使其易於建構及使用，將很難吸引新人進駐並發展生態。為了弭平差距，許多 Layer 1 網路會使用被稱為 EVM 兼容的策略。

EVM 意指以太坊虛擬機 (Ethereum Virtual Machine)，本質上是以太坊執行計算並實現交易的大腦。透過使 Layer 1 網路與 EVM 兼容，以太坊開發者可以方便地將現有的以太坊應用部署到新的 Layer 1 網路。用戶現有的錢包也可輕易訪問 EVM 兼容的 Layer 1 網路，使得鏈與鏈間的遷移變得更簡單。

以 BSC 為例，在推出 EVM 兼容網路，並調整共識獲得更高的吞吐量及更低的交易費，BSC 使用量劇增，出現了幾十種 DeFi 協議，而這些協議大部分與以太坊上的熱門協議 (Uniswap、Curve) 相似。Avalanche、Fantom、Tron 及 Celo 皆採取相同作法。相反地，Terra 及 Solana 目前並非 EVM 兼容。

互操作鏈 (有些微不同的 Layer 1 網路)

像是 Cosmos 及 Polkadot，相較於建立新的獨立網路，它們選擇建立新的標準，使開發者能夠創建相互溝通連結的特定應用區塊鏈。簡單來說，以太坊的直接競爭對手越來越多樣會，未來也將持續增加。

側鏈 (Sidechain)

側鏈與 Layer 1 網路 的區別相當模糊，其與兼容以太坊 EVM 的 Layer 1 網路相當類似，但側鏈被建構的目的主要是為了處理以太坊上過多的交易量，並非直接競爭。這些生態系統與以太坊社群關係緊密，以互補的方式乘載以太坊生態。

Axie Infinity 的 Ronin 側鏈就是個典型例子。其是最初建立於以太坊上的 NFT 遊戲，但由於以太坊的 Gas Fee 實在過高，Ronin 側鏈的建立使用戶能將他們的 NFT 及代幣轉移到低 Gas Fee 的環境，使更多用戶能負擔起遊戲花費。且 Ronin 側鏈在遊戲人數爆發前就已建立完成。

Polygon POS

Ronin 此類側鏈有其專屬應用 (Axie Infinity)，而其他側鏈則適合於更多應用場景。目前，Polygon 的 POS (proof-of-stake) 側鏈是產業領導者，其價值近 50 億美元。部署了 100 多個 DeFi 及遊戲應用，像是 Aave 及 Sushiswap，以及 Uniswap 的仿盤 Quickswap。

雖然 Polygon 的 POS 側鏈與兼容 EVM 的一層網路沒什麼相異。但是，其建立目標是為了擴容以太坊，而不是與之競爭。Polygon 團隊認為，以太坊在未來仍然會是最強勢的區塊鏈且具有高度價值，而日常交易則轉移到 Polygon 上 (低成本)。

極低的交易費用以及激勵計劃，使用戶紛紛湧入 Polygon，日交易量已經超過了以太坊。

Layer 2 (二層網路，Rollups)

Layer 1 網路及側鏈皆有一個明顯的挑戰：如何確保區塊鏈的安全性。為了達到目標，他們必須支付礦工及驗證人獎勵，以確保並確保交易正常，通常獎勵為基礎代幣 (Polygon 的 MATIC, Avalanche 的 AVAX)。

然而，有兩點顯著的缺點：

• 擁有基礎代幣自然會使生態系統更具競爭性，而非與以太坊互補。
• 驗證及確保交易是一項複雜且具有挑戰性的任務，網路將至始至終為其負責。

而 Layer 2 網路目標即為創建可擴容的生態系統，並借用以太坊的安全性，主要利用「rollups」技術實現。簡單來說， Layer 2 網路是位於以太坊上的獨立生態系統，且沒有原生代幣，本質上是以太坊的一部份。 

Rollups 運行原理

Layer 2 網路通常被稱為 Rollup，因為他們將交易「捲起來」或「綑綁」在一起，並在新的環境中執行，之後再將更新後的數據傳回以太坊。與其讓以太坊網路單獨處理 1,000 筆 Uniswap 交易 (較昂貴)，不如在將結果提交給以太坊之前將計算堆疊在 Rollup 上處理 (較便宜)。

然而，當結果發送回以太坊後，以太坊如何知道這些數據是正確及有效的？以及以太坊如何防止任何人發布不正確的訊息？這些都是區分兩類 Roollup 的關鍵問題。Optimistic rollups 及 ZK rollups。

Optimistic rollups

當提交結果回以太坊時，optimistic rollups樂觀地假設它們是有效的。換句話說，rollup 驗證者可以提交任何數據 (包括潛在的錯誤/欺詐性數據)，並假設它是正確的。

但與此同時，有一些方法可以打擊詐欺行為。作為一種檢查及平衡的方法，在任何提款後皆有一個時間段，任何觀察者都可以檢查是否有詐欺行為 (區塊鏈是透明的，任何人都可以在鏈上觀察正在發生的事情)。如果這些觀察者之一能夠從數學上證明發生了詐欺行為 (通過提交詐欺證明)，rollup 網路將回復詐欺性交易，並懲罰不良行為者，獎勵觀察者。

缺點在於當資金在 rollup 網路及以太坊之間移動時，會有短暫的延遲需要等待看是否有觀察者發現任何詐欺。在某些情況下，這可能長達一個星期，但預計這些延遲會隨著時間的推移而減少。

Arbitrum 及 Optimistic

Arbitrum (由 Off-chain Labs 負責) 及 Optimistic (由 Optimism 負責) 是目前采用 optimistic rollups 技術的兩個主要專案。值得注意的是，這兩項專案仍處於早期階段，兩家公司都保持著中心化營運，但計劃隨著時間的推移將逐步去中心化。

待技術成熟， optimistic rollups 估計可提供以太坊 10~100 倍的可擴容性。即使在早期，Arbitrum 及 Optimism 上的 DeFi 應用也已經積累了數十億的網路價值。

Optimism 尚在採用曲線的早期，目前已在 7 個 DeFi 應用上有著超過 3 億美元的 TVL，包含 Uniswap、Synthetix 及 1inch 等。

Arbitrum 則更為領先，目前已在 60 幾個 DeFi 應用上有著超過 25 億美元的 TVL，包括 Curve、Sushiswap 及 Balancer 等。

Arbitrum 也被選為 Reddit 的擴容解決方案，用於他們期待已久的社群積分代幣化。(Reddit 有著高達 5 億的月活躍用戶)

ZK Rollups

與 Optimistic rollups 不同，ZK rollups 向以太坊網路實際證明交易為有效的，而不是用假設的方式。

與綑綁後的交易結果一起，他們向以太坊智能合約提交所謂的有效性證明 (validity proof)。顧名思義，有效性證明讓以太坊網路驗證此交易是否有效，使中繼節點不可能欺騙系統。這消除了驗證交易是否為詐欺的等待期需求，因此在以太坊及 ZK-rollups 網路間移動資金實際上是即時的。

雖然即時結算及沒有提款時間聽起來很誘人，但 ZK rollups 並不是沒有代價的。首先，生成有效性證明是計算密集型的工作，所以你需要高功率的機器來使其工作。其次，圍繞有效性證明的複雜性使得支持EVM 兼容更加困難，限制了可以部署到 ZK-rollups 的智能合約類型。因此，optimistic rollups 已經率先進入市場，並且更有能力解決以太坊當前的擴容困境，但從長遠來看，ZK rollups 可能為一個較好的技術解決方案。

ZK Rollup 支持者

有許多團隊及實施放案正在進行 ZK rollup 的發展，參與者包括 Starkware、Matter Labs、Hermez 及 Aztec 等。目前 ZK-rollups 主要支持相對簡單的應用，如支付或交換。舉例來說，衍生品交易所 dYdX 采用了 Starkware (StarkEx) 的 ZK rollup 解决方案，以支持每周近 500 萬筆交易及 10 多億美元的 TVL。

然而，真正的贏家會是與 EVM 完全兼容的 ZK rollup 解決方案，它將能夠支持各式應用，且沒有 optimistic rollups 的資金提領延遲。這一領域的主要參與者包括 MatterLab 的 zkSync 2.0、Starkware 的 Starknet、Polygon Hermez 的 zkEVM 及 Polygon Miden。它們目前都在朝主網啟動努力。(與此同時，Aztec 專注於將 zk 證明機制應用於隱私)。

許多業內人士 (包括 Vitalik) 正將 ZK rollup 與以太坊 2.0 的結合作為擴容以太坊的長期解決方案，主要是因為它們能夠從根本上每秒處理數十萬筆交易，而不會影響安全性或去中心化。

一個分裂的世界

從長遠來看，若智能合約平台要擴容到數十億用戶，擴容解決方案是必要的。然而，在短期內，這些解決方案可能會給用戶及加密貨幣營運者帶來重大挑戰。從以太坊跨鏈到這些網路需要使用跨鏈橋，這對用戶來說相當複雜且有潛在的風險。例如，許多跨鏈橋因為漏洞而損失了上億美元。

更重要的是，多鏈世界分割了流動性及可組合性。以 Sushiswap 為例，其流動性原先集中在以太坊上，現在分散在各種不同的網路上 (以太坊、BSC、Avalanche、Polygon 及 Arbitrum)。

而可組合性呢？以太坊應用程序一直受益於可組合性，Sushiswap 與其他以太坊應用程序如 Aave 或Compound 可以輕鬆的相互合作。但隨著應用逐漸部署於各式 Layer1、2 網路及側鏈上，限制了可用性並給用戶及開發人員帶來了挑戰。

充滿不確定性的未來

像 Avalanche 或 Solana 這樣的新 Layer1 網路會不會繼續發展與以太坊競爭？像 Cosmos 或Polkadot 這樣的區塊鏈生態系統會不會茂盛發展？側鏈是否會繼續與以太坊和諧地運行，承擔其過剩的的交易量？亦或是與以太坊 2.0 結合的 rollups 會勝出？

沒有人可以給予一個肯定的答案，但我們相信，我們最終將會以同樣的眼光來看待獲勝的擴容解決方案。

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