以太坊：以太坊 2.0 和第 2 层解决方案之间的共生关系

如果您在过去一年左右一直关注区块链行业，您一定听说过以太坊“合并”或第 2 层解决方案。 然而，这些都是相当技术性的概念，这可能导致很多人可能对它们视而不见。 在这篇文章中，作者试图提供一个更容易理解的概述，说明这些东西到底是什么，以及它们如何相互关联。

以太坊目前的结构

作为背景，了解一下以太坊当前的结构及其现有的扩展问题会很有帮助。 以太坊区块链是分布式公共分类账。 把它想象成一个大型开源操作系统（或全球计算机），人们可以在没有集中授权的情况下公开构建和交易。

解释以太坊区块（和拥堵）

以太坊网络上发生的任何交易都记录在“块”中。 例如，如果我想通过以太坊网络向交易对手发送代币，交易将包含在一个区块中，以便在发送前获得批准。 每个区块通常由许多交易组成，都来自不同的人。 一旦一个区块被网络接受，它就会链接到先前接受的区块（在数据链中），并且该区块内的所有交易都会通过。 区块确认交易的确切时间和顺序，并安全地链接在一起，以防止任何区块被更改或在两个现有区块之间插入一个区块，因此“区块链”具有防篡改和不可变的特性。

当我们开始探索区块批准过程时，事情变得更加复杂。 每个区块都由以太坊网络上的“矿工”组装（或开采），交易者向他们支付一定数量的“gas”。 将 gas 视为交易费用，或计算交易的成本。

每个区块的大小最终决定了网络上一次可以发生多少笔交易，这由网络的区块 gas limit 决定。 在撰写本文时，以太坊的平均区块大小为 3000 万单位天然气。 换句话说，一个区块只有在其所有交易消耗的总 gas 少于 3000 万单位时才有效。 这意味着如果网络繁忙，并非所有待处理的交易都可以在一个区块中结束（因为每笔交易都需要 gas 并且会超过限制），并且网络变得拥塞。

以太坊平均 gas 限制图表显示了以太坊网络（2016 年至今）的历史平均每日 gas 限制。 与最大块大小为 1 MB 的比特币不同，以太坊在技术上没有最大块大小（矿工可以集体增加或减少以太坊的块 gas 限制）。 然而，限制每个区块消耗的气体有助于管理以太坊区块链的增长和运营矿工或节点的成本。 图片来源：Etherscan

简而言之，这种拥塞是当前以太坊网络扩展难度有多大的一个例子。 “整合”是以太坊 2.0 的一部分，旨在提高网络的速度、效率和可扩展性，从而避免瓶颈并同时处理更多交易。 目前的网络每秒可以处理 30 笔交易，而以太坊 2.0 承诺每秒处理 100,000 笔交易。

合并/以太坊 2.0

以太坊 2.0 升级是对以太坊区块链的多阶段升级，旨在通过对网络基础设施的一些改变来提高网络的可扩展性和安全性——最值得注意的是，通过从工作量证明 (PoW) 转换权益证明 (PoS) 模型的共识机制。 有关模型之间差异的更多详细信息将很快公布。

首先，合并并不是推动以太坊 2.0 升级的唯一事件。 升级由不同的部分组成，合并是其中的一部分（尽管是重要的一部分）。 三个主要组成部分是：(i) 信标链升级，(ii) 合并，以及 (iii) 分片。 从技术上讲，这涉及到更多的升级，但这些相对较小的升级是为了保证网络的平稳运行而设计的，将与其他升级并行实施。

驱动以太坊 2.0 升级的三个主要组成部分。

每一个都是以太坊网络向 PoS 模型过渡的独特部分。 信标链于 2020 年 12 月 1 日首次推出，并将权益证明引入以太坊生态系统。 该链作为单独的区块链存在，目前不处理以太坊主网（“主网”的缩写）上的交易。 不过，信标链很快就会与主网合并，成为所有以太坊网络数据，包括执行层交易的共识引擎。 这种正式转向使用信标链（股权证明）作为以太坊上的块生产引擎是合并所代表的。

让我们打个比方。 将以太坊想象成一艘尚未准备好进行星际航行的宇宙飞船。 有了信标链，社区打造了新的引擎和坚固的船体。 经过重要测试后，旧发动机更换为新发动机用于飞行。 这将把新的、更高效的引擎与现有的飞船融合在一起，准备好投入几光年之外并接管宇宙。 - Ethereum.org 类比合并，新引擎是 Beacon Chain (Proof of Stake)，旧引擎是 Proof of Work，宇宙飞船是以太坊。

以太坊 2.0 升级的第三个主要组成部分是分片链，它将在扩展以太坊网络方面发挥关键作用。 许多人普遍存在的误解是，以太坊网络将在合并后立即扩展并变得更加高效。 然而，这些扩展效应要等到分片技术引入后才会开始发挥作用，预计分片技术将在 2023 年的某个时候出现。

分片本质上是将以太坊的整个网络分成更小的部分，称为“分片”，以提高网络的可扩展性。 分片链不是将所有操作集中在单个区块链上，而是将这些操作水平分布在 64 个新/迷你区块链上。 通过划分负载，每个验证器将不再需要处理整个网络中的所有交易。 与现有的工作量证明模型相比，这既减少了网络拥塞，又增加了网络上每秒的交易数量。

工作量证明 (PoW) 与权益证明 (PoS)

到目前为止，以太坊网络是通过工作量证明来保护的。 较早介绍的该模型包括用于验证块的矿工等功能。 然而，在合并之后，挖矿（工作量证明）将不再是以太坊网络上产生有效区块的方式。 相反，信标链的权益证明验证者将承担这个角色，并将负责处理所有交易的有效性。

PoS 模式与 PoW 模式有何不同？ 简而言之，以太坊所有者不是矿工验证区块，而是持有以太坊智能合约。 正是这些利益相关者（也称为验证者）负责检查通过网络传播的新区块是否有效。

为什么要切换到 PoS 模式？ 有几个原因。 其中最主要的是该模型对于分片来说更安全，如上所述，分片将在扩展以太坊网络方面发挥关键作用。

分片将网络分成多个部分，虽然这种结构可以提高可扩展性，但它也使网络中的任何特定分片更容易受到攻击。 攻击网络中的任何特定分片（类似于迷你区块链）只需要积累一小部分哈希率，否则需要控制未实现分片的整个区块链。 此外，使用 PoW，矿工可以具体选择要攻击哪些分片（更严格地说，他们可以选择将哈希算力贡献给哪些分片）。 因此，PoW 矿工可能会相互勾结，专注于一个分片，试图获得控制权。 如果矿工接管了一个分片中的大部分区块生产者，他们就可以冒着破坏网络的风险来操纵它。 PoS 通过不允许验证者选择他们想要处理的分片来减轻这种风险。 相反，验证者被随机分配到各个分片，这减少了质押者之间串通的机会。

“重要的是要注意验证者在分片之间非常频繁地重组（甚至可能每个块一次），因此实际上很难针对特定的分片。这就是分片打破三个困难困境的至少理论上成功的很大一部分这是由于 Vitalik Buterin 在 2018 年关于权益证明如何帮助减轻分片带来的安全漏洞的演讲。

与工作量证明共识机制相比，权益证明模型消耗更少的能量，更去中心化，更安全。

能源消耗——PoS 有效地取代了计算能力。 挖矿不再需要在工作量证明计算中使用大量能源。

去中心化——PoS 模型通常需要网络上更多的计算机和参与者（即节点）来审查和批准交易，使其比 PoW 模型更加去中心化。

安全性——除了 PoS 通过分片更好地抵抗 51% 攻击之外，该模型还对验证者攻击有很强的抑制作用。 这主要是因为保护 PoS 网络的验证者必须在协议中投入大量 ETH（截至撰写时为 32 ETH）。 如果这些验证者试图攻击网络或不诚实地行事，该协议可以自动销毁与他们相关的 ETH。

在可扩展性方面，以太坊 2.0 有很高的目标。 但是，我们距离这些升级的全部效果还有一段时间。 与此同时，以太坊网络有没有办法实现其扩容的目标？ 接下来将讨论第 2 层解决方案。

第 2 层解决方案

扩展区块链的主要目标是在不牺牲去中心化或安全性的情况下提高交易速度（更快的最终性）和交易吞吐量（每秒高交易量）。 从两个角度考虑扩展是有帮助的——链上扩展和链下扩展。

链上缩放（第 1 层；L1）

链上扩展涉及对第 1 层网络的更改或升级。 就以太坊而言，这将涉及对以太坊主网的更改以太坊网络是什么，这是在网络上处理和完成交易的地方。 还有许多其他 Layer 1，包括 Solana、Cardano 和 Avalanche，每个都有自己独特的特征和目的。

对第 1 层进行更改可能是一个极其复杂的过程，通常需要大量工作。 由于技术限制，一些更改或升级甚至几乎是不可能的。 以以太坊升级为权益证明为例。 以太坊的升级经历了多年的发展，尚未完成。

鉴于这些复杂性，链下扩展已成为扩展网络的另一种方式。

链下扩展（第 2 层）

与链上扩展不同，链下扩展不需要对第 1 层网络进行任何更改。 这些解决方案建立在现有第 1 层（例如以太坊）之上或旁边，并作为一个可以独立于主网进行和处理交易的地方。 通过将大部分第 1 层处理卸载到这些链下网络，主网可以在不牺牲可扩展性的情况下专注于安全等其他问题。 为简单起见以太坊网络是什么，术语“第 2 层”将用于指代本文中的所有链下扩展解决方案。

因为有多种类型的第 2 层，理解每种解决方案的细微差别可能是一个挑战。

例如，在以太坊的背景下，第 2 层的一个特征是这些解决方案如何获得它们的安全性。 某些第 2 层、Optimistic rollup、zk-rollup 和状态通道直接从以太坊主网（即第 1 层）获得安全性。 在这一类别中，汇总是主要的扩展解决方案，Arbitrum 和 Optimism 现在可能接近 20 亿美元（均为 Optimistic 汇总）。

还有侧链、validium 和 plasma 链。 这些第 2 层解决方案涉及创建独立于以太坊主网而受到保护的新链。 多边形是此类中流行的第 2 层示例。 Polygon 迄今已锁定近 20 亿美元的总价值，并支持 Zed Run 和 Quickswap 等流行的 Web3 游戏和应用程序。 虽然不尽相同，但第 2 层可以将以太坊的 gas 成本降低 10-100 倍，每秒处理数千笔交易（相比之下，以太坊的基础层目前每秒处理 15-45 笔交易）。

尽管很复杂，但拥有各种第 2 层解决方案有助于减少以太坊网络任何部分的整体拥塞，并防止单点故障。 Layer 2 还可以针对不同的用例（DeFi、NFT、游戏等）进行优化，因此整个生态系统可以从多样化的设计中受益。

以太坊 2.0 和 Layer 2 解决方案可以共存吗？

让我们花点时间思考一下以太坊 2.0 升级的目的以及构建在以太坊网络之上的现有第 2 层解决方案。 它们的核心都解决了同一个问题——可扩展性。

第 2 层解决方案主要用于解决以太坊基础层出现的瓶颈。 然而，一旦以太坊 2.0 启动，如果基础层本身在构建规模方面的效率呈指数级提高，那么第 2 层的目的是什么？ Tier 2 会因此被淘汰吗？

回答这个问题，有助于我们反思以太坊的愿景，即让以太坊成为主流，为全人类服务。 考虑到超过 4% 的总人口拥有加密货币，这是一个需要在未来扩展的宏伟愿景。 即使以太坊 2.0 升级能够显着扩展网络的吞吐量，它是否能够在不变得拥塞的情况下支持潜在的数十亿日常加密用户的未来世界仍然存在疑问。

因此，以太坊 2.0 与其现有的第 2 层解决方案之间的关系可能是共生的。 这意味着不同的可扩展性解决方案可以协调工作，对未来的交易速度和吞吐量产生指数级的影响。 以太坊计划实现其愿景的正是这些综合效应，而不是其中之一。

“不是‘rollup is not sharding’，而是‘rollup is on top of sharding’。也就是说，rollup已经出现或即将出现，而且即使在sharding之前，rollup不分片仍然可以提供100倍的吞吐量提升。——摘录来自 Vitalik Buterin 关于以太坊扩容的 Twitter 帖子

因此，除了分片之外，从每秒 15-45 个事务 (TPS) 到 100,000 TPS 的大幅增加还考虑到了第 2 层解决方案，因为这些是乘法效应。 例如，如果第 2 层将吞吐量增加了大约 100 倍，而分片将吞吐量增加了大约 64 倍，那么分片之上的第 2 层将吞吐量增加了大约 6400 倍。 这些综合效应可能会使网络扩大规模并满足未来更高的需求。

以太坊社区的其他人对以太坊 2.0 与现有第 2 层解决方案之间的未来关系表达了​​类似的想法。

“随着以太坊 L1 变得更加高效，L2 也将变得更加高效，同时保持当前的附加优势。” - Alan Chiu，波霸网络首席执行官/创始人

“即使在合并之后，我们也将需要尽可能多的扩展解决方案以实现真正的主流采用。” — Ahmed Al-Balaghi，Biconomy 联合创始人

最后，升级到以太坊 2.0 无疑会对 Layer 2 解决方案的感知和整体效用产生影响。 然而，以太坊正在考虑和扩大未来的需求，那里的需求会比现在更多。 如果这一愿景得以实现，第 2 层扩展解决方案将长期在生态系统中继续发挥重要作用。

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