以太坊一层与二层，理解区块链扩展的双层架构

随着区块链技术的飞速发展和广泛应用，以太坊作为全球最大的智能合约平台之一，其可扩展性问题日益凸显，为了应对网络拥堵、交易费用高昂等挑战，以太坊社区提出了多种扩展解决方案，“一层”（Layer 1）和“二层”（Layer 2）架构成为核心共识，究竟什么是以太坊的一层和二层？它们之间又有着怎样的关系与区别呢？

什么是以太坊一层（Layer 1，L1）？

以太坊一层，即主链（Mainnet），是以太坊区块链的基础层，也是整个生态的“根”,它承载着以太坊最核心的功能和安全性保障。

核心特点：

1. 基础共识机制：以太坊一层目前采用的是工作量证明（PoW）机制（即将转向权益证明PoS），通过共识算法确保网络中所有节点对交易顺序和状态达成一致,保障了区块链的去中心化和安全性。
2. 数据最终性：所有在以太坊一层上发生的交易和智能合约执行都被永久记录在主链上，具有最高的安全级别和数据最终性，一旦确认,几乎不可能被篡改。
3. 全局状态管理：以太坊一层维护着整个网络的全局状态，包括账户余额、智能合约代码和存储等。
4. 可扩展性瓶颈：由于每一笔交易都需要在所有全节点上被验证和记录，以太坊一层的处理能力（TPS，每秒交易数）有限，在网络拥堵时，会导致交易费用（Gas费）飙升,交易确认变慢。

可以将其理解为以太坊的“主干道”或“地基”。 所有的价值转移、智能合约部署和最终结算都依赖于这条主干道，主干道的通行能力是有限的，当车辆（交易）过多时,就会发生拥堵。

什么是以太坊二层（Layer 2，L2）？

以太坊二层，简称L2，是构建在以太坊一层之上的扩展解决方案，它旨在通过将大量的计算和交易处理移至链下或侧链进行，从而减轻以太坊主网的负担，提高交易速度，降低交易成本,同时保持与以太坊一层的安全性和兼容性。

核心目标：

• 提高交易速度（TPS）：L2可以处理远超L1的交易数量。
• 降低交易费用：通过将计算负荷转移,用户在L2上的交易成本大幅降低。
• 增强用户体验：快速确认和低费用使得小额支付和高频交易成为可能。

常见的二层解决方案类型：

1. 状态通道（State Channels）：参与者先在L1上开启一个通道，之后在链下进行大量快速交易，最后只在通道关闭时将最终结果提交到L1进行结算，雷电网络（Raiden Network）、比特币的闪电网络（Lightning Network，虽为比特币设计，但理念相通）。
2. 侧链（Sidechains）：与以太坊主链并行运行的独立区块链，拥有自己的共识机制，它通过双向锚定（Two-way Peg）与主链连接，允许资产在主链和侧链之间转移，侧链有自己的规则和区块生产者，安全性相对独立于主链，POA Network、xDai Chain（现在合并为Linea）。
3. Rollups（汇总）：这是目前最受关注的L2技术方向，Rollups将大量交易数据“汇总”后打包成一个交易，提交到以太坊主链进行验证和结算，它将计算过程放在链下进行，但通过欺诈证明（Fraud Proofs）或有效性证明（Validity Proofs）确保计算结果的正确性。
   • Optimistic Rollups（乐观汇总）：假设提交的交易是有效的，如果在挑战期内无人提出欺诈证明，则交易被最终确认，Arbitrum、Optimism。
   • ZK-Rollups（零知识汇总）：使用零知识密码学技术（如ZK-SNARKs）生成一个证明，向以太坊主链证明链下计算的交易是有效的，而不需要暴露交易细节，安全性更高，但技术复杂度也更高，zkSync、StarkWare、Polygon zkEVM。

可以将L2理解为以太坊主干道旁边的“高速辅路”或“专用通道”。 车辆（交易）先进入辅路快速通行，最后再将整体情况汇总报告给主干道（L1）进行最终确认和记录,从而大大缓解了主干道的压力。

一层与二层的关系与协同

以太坊一层和二层并非相互替代，而是协同工作的关系：

1. 安全共享：L2的安全性最终依赖于以太坊一层，无论是Rollups提交的交易数据，还是侧链的双向锚定,都以太坊主链的强大算力和去中心化共识作为安全保障。
2. 数据可用性：以太坊一层为L2提供了数据可用性保障，即使L2在链下执行计算，其交易数据也必须提交到L1，确保任何人都可以验证这些数据,从而防止L2作恶。
3. 最终结算层：以太坊一层是所有L2交易的最终仲裁者和结算层，所有L2上的资产本质上都是以太坊主链上资产的映射或衍生,最终的提现和状态变更都需要通过L1完成。
4. 生态互补：L1专注于提供安全、去中心化的基础层服务（如智能合约部署、核心协议升级），而L2则专注于解决扩展性问题，支持各种高频、低成本的Dapp应用,共同丰富以太坊生态系统。

以太坊一层（L1）是基础和核心，负责提供安全保障、数据最终性和全局共识；而二层（L2）是扩展和优化，通过将交易处理移至链下或侧链，显著提升性能、降低成本，同时共享L1的安全性，这种“一层为基，二层扩展”的双层架构，被认为是以太坊实现大规模应用、走向“全球计算机”愿景的关键路径，随着Arbitrum、Optimism、zkSync等主流L2方案的成熟和普及，以太坊的可扩展性问题正在得到有效缓解,为未来区块链的大规模应用奠定了坚实基础。

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