国盛区块链·深度｜迭代与竞争——以太坊二层扩容之路

概括

“堵车多，扩容在即”——Layer2扩容一直是区块链行业明显的发展趋势之一。 随着以太坊生态的活跃和网络拥堵，Layer2赛道再次成为市场关注的焦点。 本文将系统介绍Layer 2扩容机制的原理和发展历程，并展望未来的生态演进和投资机会。

Layer 2 扩容的本质是将一些计算任务放到区块链链下，并将计算结果传回链上，从而提高区块链的计算能力。 相比之下，Layer 1 扩容是通过完善区块链协议实现扩容。 Layer 2 扩容不改变区块链协议本身，扩容是通过链上和链下智能合约的交互实现的。 核心环节是Layer 1和Layer 2之间的数据交互，如何保证Layer 2资产的安全。

以太坊的“甜蜜烦恼”——需求的爆发带来了网络拥堵和费用飙升。 Layer 2 不仅是技术问题，也是平衡多方利益的手段。 每当以太坊生态繁荣时，用户的增加带来更多的交易请求，复杂合约和复杂调用的增加降低了单个区块的实际交易能力，ETH价格的上涨增加了交易的法币计价手续费。 该网络将进一步提高天然气价格。 这种制度性的周期性发展会对以太坊项目造成泡沫和头部效应，从而降低以太坊平台应用整体的创新能力。 以太坊的扩容既是意料之中，也是大势所趋。 只有缓解这种制度性拥堵和高昂的交易手续费，才能实现以太坊生态的健康发展。

纵观Layer 2扩容技术的发展，目前的技术路线主要有侧链扩容、状态通道扩容、Plasma和Rollup：侧链扩容的核心是使用另一条独立的区块链来承接当前的交易，从而提高计算效率 Reduce手续费。 状态通道是在2014年前后提出的，其核心是通过哈希锁定在链下进行一系列交易，只将交易结果放到链上。 特别适合解决小额高频支付手续费高的痛点。 2017年前后，提出了Plasma的扩张路线。 为了在侧链扩容中解决侧链安全对资产的威胁，Plasma 的设计原则是保证即使侧链出现故障，用户也可以立即提出。 自己的资产。 2018年提出Rollup的概念，将交易信息高度压缩并打包上链，即使链下数据完全不可用也可以提出资产。 这些技术路线之间没有明确的区分，而是一种相互融合的进化发展，呈现出区块链生态的自发生长。

投资建议：我们认为当前Layer 2扩容处于爆发前夕，率先上线并兼容EVM通用平台的Layer 2解决方案将具有很大的先发优势，并且用户体验将成为决定性因素。 Layer 2 扩容将大大降低手续费，提高交易效率，Defi 市场很可能因此而重新洗牌。 Layer 2扩容将降低链上运营成本，促进区块链项目创新，并可能实现区块链在游戏、金融、虚拟世界、元宇宙等领域更深层次的创新应用。

风险提示：区块链商业模式落地不及预期； 监管政策的不确定性。

1. 什么是第 2 层？

区块链扩容是为了提高区块链的交易处理速度，从而可以同时处理更多的交易。 它可以比作交通堵塞。 需要修建新的高架道路和隧道，以提高交通效率。 Layer 2扩容是链下扩容解决方案的统称，是指将部分计算过程放在区块链链下，并将计算结果回传给区块链，从而提高区块链的算力.

相比之下，Layer 1 扩容是通过完善区块链协议实现扩容。 Layer 2扩容不改变区块链协议本身，扩容是通过链上智能合约与链下数据的交互实现的。

为什么以太坊需要扩张？

以太坊通过EVM（Ethereum Virtual Machine）实现图灵完备计算。 开发者可以通过链上智能合约实现复杂的程序逻辑。 我们可以将以太坊抽象地看成一台去中心化的计算机。

以太坊通过Gas费机制防止恶意合约（如无限循环）的影响，限制单个区块的容量，激励参与者提高网络使用效率。 Gas费机制是对用户在链上进行操作收取费用，按照规则按照操作类型和复杂程度计算费用。 这些费用支付给维护网络和运行合约计算的矿工群体，挖掘区块的矿工获得区块中交易的总燃料费。 Gas 费用由操作的类型和复杂程度决定。 读写链上信息和调用外部合约的开销会比执行普通代码的开销大。 从宏观上看，以太坊有意通过Gas机制动态调整资源供需，防止链上资源被恶意占用。

交易的 gas 价格受以太坊网络水平的影响。 一般来说，矿工会根据gas价格和交易订单的等待时间来选择打包交易，优先打包gas价格高、等待时间长的交易订单。 确定 Gas 价格。 gas价格的单位一般为Gwei，1Gwei = 0.000 000 001ETH，单个交易所需支付的gas费=运行所需的gas（由规则决定）x当前gas价格（由网络情况决定） ).

gas费机制给ETH带来天然的使用价值，也鼓励用户和开发者精简操作和智能合约，鼓励矿工带来打包交易。 以太坊中单个区块的容量也受到Gas费的限制（比特币是基于区块大小的），单个区块中包含的所有交易的Gas费不能超过Gas的上限，从而限制了容量单个区块大小，挖出区块的矿工可以微调gas limit以适应网络状况。

随着过去六个月以太坊生态应用的爆发，以太坊网络的交易量急剧上升，ETH的价格也受益于生态的发展，快速上涨。 各种套利机器人已经在 DeFi 应用程序中开启了自动套利。 套利者对网络速度比网络费用更敏感。 只要套利空间大于费用，他们就愿意支付超高的 gas 费用来换取快速的交易处理，网络的平均 gas 费用也会上涨。 普通用户参与这些应用时，速度变慢，网络拥堵，gas费高，ETH价格高，一个普通的Defi合约调用甚至可以达到几十上百美金。 随着交易手续费的上涨，以太坊将面临人气减弱、项目创新减少的局面。

我们认为目前以太坊网络拥堵和高交易手续费是以太坊Gas费的机制问题。 每当生态繁荣时，用户的崛起带来更多的交易请求，复杂合约和复杂调用的增加降低了单个区块的成本。 实际交易容量，ETH价格的上涨增加了以法币计价的交易手续费，拥堵的网络将进一步推高Gas的价格。 这种制度上的恶化会对以太坊项目造成泡沫和头部效应。 初期项目和市场推广不足的项目会因为手续费高而被用户拒绝，这普遍降低了以太坊平台应用的创新能力。

上述矛盾对于公链来说都是“甜蜜的烦恼”。 只有当链的生态发展到一定程度，才会出现gas费的问题。 其背后是矿工、Token 持有者、生态项目方的三方博弈，处处需要平衡网络稳定性、有效激励和应用创新。 处理不当会对社区造成危害，尤其是在ETH成为区块链“样板工程”之后。 同样，对于每一个采用原生代币gas费机制的区块链网络，理论上都无法避免这种问题。 以太坊是增长最快的，也是最先面临这一挑战的。

在当前情况下，以太坊扩容既是意料之中，也是大势所趋。 只有缓解这种制度性拥堵和高昂的交易手续费，才能实现以太坊生态的健康发展。

二层扩容的基本框架

以太坊Layer 2扩容的核心思想是在主链的基础上搭建二层网络，帮助Layer 1分担网络压力，提高整体效率。 目前以太坊Layer 2扩容技术架构主要有四种：状态通道、侧链、Plasma和Rollup。

Layer 2 扩展机制的重点是Layer 1 的合约设计、Layer 2 的协议设计、跨链数据交互的设计，特别是资产存取的流程设计。 至此，我们勾勒出了Layer 2扩容机制的基本框架，足以描述目前大部分的Layer 2扩容项目。

为什么要关注二层扩容？

区块链的扩张路线着眼于如何在保证安全性的同时实现更高的算力。 Layer 1扩容或许能够从根本上改变网络拥塞，比如ETH2.0采用的分片扩容。 但是，Layer 1 扩容最大的缺点是共识成本高。 简单地增加区块容量将导致系统更加中心化，并且存在硬分叉的风险（例如 BTC 从 BCH 分叉出来）。 二层扩容是一种更轻、更快的扩容方式。 可承接主链现有生态应用，所需资源成本远低于主链扩容。 这也是Layer 2赛道发展迅速的原因。 一。

纵观Layer 2扩容的发展，侧链扩容和状态通道扩容的思想早于以太坊网络的出现。 早在比特币时代就被提出。 侧链扩容的核心是使用另一条独立的区块链。 承接当前交易，从而提高计算效率并降低手续费。 状态通道是在2014年前后提出的，其核心是通过哈希锁定在链下进行一系列交易，只将交易结果放到链上。 特别适合解决小额高频支付手续费高的痛点。 2017年前后以太坊区块链搭建，提出了Plasma的扩张路线。 为了在侧链扩容中解决侧链安全对资产的威胁，Plasma 的设计原则是保证即使子链出现故障，用户也可以提取自己的资产。 2018年提出Rollup的概念，将交易信息高度压缩并打包上链，即使链下数据完全不可用也可以提出资产。

Layer 2 扩容试图在保证去中心化和安全性的同时，突破以太坊现有的计算瓶颈。 “杀手级”Layer 2 扩容解决方案将有可能改变当前的行业竞争格局，并可能催生新的应用，拓展行业的想象空间。 因此，我们建议关注Layer 2扩展的发展。 本文也梳理了Layer 2在不同路由下的实现方法。

2、以太坊Layer 2的扩容是如何实现的？技术路线概述

侧链扩容路线成熟，生态活跃却饱受争议

侧链是与主链兼容的区块链网络。 是相对于主链的概念。 以太坊侧链扩容技术路线的本质是打造一个与以太坊兼容的区块链网络，并利用跨链机制从主链上实现。 将资产从链转移到侧链，将应用部署在侧链上，分担主链的网络拥塞。

侧链是一个独立的区块链，有自己独立的共识机制。 安全性不依赖主链，常采用DPOS、POA等更高效的共识机制。

侧链技术路线的重点是跨链机制的设计。 跨链机制的基本原理是在主链上锁定资产，在侧链上发行相关资产。 如果想回到主链，只需要销毁侧链上的资产，解锁主链上的相关资产即可。 由于区块链本身无法获取其他链上的信息，那么由谁来传输和确认信息来决定资产的锁定和发行就成为了一个关键问题。 为了解决这个问题，可以采用第三方主体验证的公证机制，或者通过区块链本身进行验证的中继机制。 公证人可以使用单个主题，或多个主题来验证和确认具有多个签名的交易。

侧链扩容最大的风险在于侧链本身的安全和跨链过程的安全：一旦侧链发生故障，转移到侧链上的资产极有可能丢失。 一旦公证人和侧链运行节点作恶，可以将用户的资产从主链转移（Plasma和Rollup技术路线都是为了解决这个问题，保护用户免受中心化和系统故障的威胁）。

虽然跨链机制日趋成熟，侧链扩容也越来越便捷高效，但这种扩容路线依然备受争议。

2020年底以来火爆的交易所公链，可以看作是以太坊的侧链拓展，继承了以太坊的生态溢出，在用户增长率和链上资产数量上取得了可观的成绩。 以币安智能链BSC为例，兼容以太坊数据和智能合约，采用相似的区块链数据结构和协议，采用更高TPS的DPos共识机制。 以太坊资产和应用可以很方便的转移到BSC上，开发者也有成熟的开发工具在BSC上进行应用开发。 同时，交易所凭借自身的生态和用户优势，为BSC吸引了相当数量的用户。 由于与以太坊协议的相似性，大量对标以太坊Defi的BSC项目迅速上线，以太坊上的一些生态应用也纷纷迁移到BSC。

与以太坊相比，交易所公链大大降低了合约运营费用，对小资产或刚接触区块链应用的用户更加友好。 用户和链上交易的快速增长也证明了这一点。 对于行业来说，交易所公链的兴起，对于去中心化生态的优劣势存在较大争议。 它不仅降低了用户门槛，带来了生态活力，也带来了中心化的威胁。 侧链扩展还有一个争议点。 用于扩容的侧链还属于以太坊生态吗？ 侧链本身是否可以看作是以太坊的 Layer 2 扩容解决方案？ 如果把交易所公链看做是以太坊二层扩容的一种，从发展现状和用户数量来看，侧链扩容确实是二层扩容最为成熟和活跃的路线。

状态通道专注于小额支付，但用户体验和可用性较差

状态通道是交易双方锁定链上资产，创建支付通道，进行链下交易。 用户从主链提取资产时，只需要将链下多次交易的结果提交给主链智能合约进行验证即可。 .

状态通道稀释了多笔交易的处理成本，特别适用于小额、多频次的交易场景。 该技术早在比特币时代就被提出，因为链上交易手续费与交易金额无关，导致小额交易手续费占比高。

以状态通道扩容项目Raiden Network为例，流程如下：

双方都需要将资产锁定在智能合约中。 该步骤确保参与者之间可以转移和接收资产，直到参与者关闭支付通道；

参与者维护自己的账户余额，双方通过发送签名的交易凭证进行交易；

交易可以继续进行，直到其中一方决定取出资产并关闭通道。 他可以随时向智能合约出示交易凭证，关闭通道。 如果对方与出境方有交易，还需要出示当时的交易凭证；

当双方出示剩余的交易凭证时，可以从智能合约中提取保证金。 当对方未及时出示交易凭证时，系统将判定其未收到任何转账，并根据一方的凭证进行分配。 这种机制确保任何人都可以取回他的资金，即使对方不合作。

我们可以看到，状态通道的优势在于：双方使用净额结算，降低了单笔交易的成本； 双方交易明细不上链，保证交易隐私； 同时，退出机制最大程度保障了参与者的资金安全。

但在用户体验上存在严重缺陷：第一，只能与已开通渠道或在支付网络中的用户进行交易； 二是要定期关注交易对手是否选择关闭通道，将收到的交易显示出来，保证自己的权益； 第三，状态网络的扩展机制可扩展性差，很难实现链下交易以外的其他操作。

Plasma保证资产安全，信息不可用是最大障碍

Plasma可以看作是一种保障资产安全的侧链技术。 它将链下的状态证明上传到主链。 即使链下出现安全问题，用户也可以证明和提出资产。 Plasma 技术架构目前有两种主流机制，Plasma MVP 和 PlasmaCash。

Plasma MVP 使用 UTXO 和 Merkle 证明使用户能够在不诉诸第三方的情况下提取资产。 链下交易以UTXO的形式记录在Merkle树上，并将相应的哈希值上传至主网智能合约，用户只需提供Merkle证明即可证明自己的UTXO并提取资金。

当用户提出资产时，需要一个挑战期来证明欺诈，其他任何人都可以通过证明用户花费了 UTXO 来挑战它。 因为主链可以通过智能合约验证用户提供的证据，但是用户的隐藏信息是无从知晓的（比如一些UTXO已经被花费了）。

Plasma MVP 的“离群问题”：当大部分用户想要离开 Plasma 时，必须向以太坊提交所有状态证明，并在挑战期间接受“挑战”。 由于 Plasma 的用户数量是无限的，但是以太坊区块的处理能力是非常有限的，如果将整个 Plasma 的所有有效状态都提交给以太坊进行处理，将会完全阻塞以太坊，导致交易的处理时间被减少。 大大延迟甚至无限期。

Plasma Cash 的机制与 Plasma MVP 非常相似，不同的是资产以 NFT 的形式记录在子链上，具体流程如下：

1. 当用户在合约中锁定资产时，会收到一个代表所有已存入Plasma的资产的NFT；

2. Plasma Cash 使用特定的 Merkle 树，每个 NFT 都有指定的位置。 当发生转账时，对应位置记录转账信息，并将Merkle树的根哈希上传至主链；

3、交易时需提供该NFT的过往交易记录；

4、用户退出时，需要提交前两笔交易的merkle证明；

5、用户提现资产时，有一个质询期，任何人都可以通过交易记录质询用户的操作。

总体而言，Plasma技术路线的优势在于在出现Layer 2故障时能够保证用户资产的安全。 这种使用去中心化密码学的保障机制，让 Plasma 路由一度在社区流行起来。

但是，Plasma 技术路线的问题在于： 第一，子链的数据结构受限于该技术框架下，普适性扩展难度很大； 其次，Plasma机制存在数据不可用问题，即主链无法获取所有链下数据，只能通过根哈希进行简单验证，这也导致了更复杂的退出机制，往往需要很长的时间（数天）进行防伪，用户需要保存自己的数据，时刻关注子链的变化，极大地影响了用户体验。

交易数据压缩上链，通用化平台即将落地，Rollup技术路线前景广阔

Rollup机制是指将交易高度压缩后上传至主链，通过零知识证明或欺诈证明验证交易包的真实性，解决了Plasma的数据不可用问题。 Rollup机制实现了数据在链上、计算在链下的分层模型，最大程度保证了资产的安全。

为了实现交易的高度压缩，账户资产数据维护在 Rollup 子链上，每个账户都有自己对应的编号。 因此，只需要4个字节就可以实现223个账户的索引，足以应对大部分情况。 同样，Rollup 在不影响可读性的情况下，将所有可以压缩的地方都压缩了（如图 12 所示），压缩后的事务不到原来的十分之一。 通过对交易的压缩，Rollup 机制可以更高效地利用现有的 Layer 1 网络容量，从而实现扩展，并在扩展的同时保证链上数据的可用性。

Rollup 机制的核心问题是验证压缩交易包中交易的真实性。 针对这个问题，解决方案主要分为两种：基于零知识证明的ZK Rollup； 基于欺诈证明的 Optimistic Rollup。 目前，这两种解决方案都在快速发展。 不同的团队选择了不同的技术机制，以太坊主链上的项目也对 Layer 2 迁移做出了自己的选择。

ZK Rollup 使用零知识证明是在发送交易包的同时发送交易对应的零知识证明，智能合约通过零知识证明验证交易包的真实性。 整体流程如下：

1、用户转入并锁定资产，Layer 2状态树添加账户信息并生成相应资产；

2. 在Rollup网络中，用户签署并发送交易；

3、排序器收集交易，将交易压缩打包成交易包，生成零知识证明，并根据交易包更新状态树；

4、分拣机将交易包和零知识证明广播给主链；

5. 智能合约通过零知识证明验证交易包的真实性，更新价值，并执行相应的转账操作。

ZK Rollup 最大的优势就是去中心化程度高，验证效率高。 零知识证明是在侧链状态更新的同时生成的。 矿工运行的智能合约可以通过零知识证明验证交易包中的新状态是否来源于旧状态叠加交易，从而实现Layer 2数据去中心化到Layer 1，同时，由于Layer 1 可以快速识别Rollup数据的真伪，可以快速完成资产的提现。

ZK Rollup 的缺点是生成零知识证明的过程复杂困难。 不仅需要大量的计算，应用的定制化开发也很困难，很难做到兼容现有应用的通用平台。

Optimistic Rollup（OP Rollup）技术路线选择相信运营者提交的交易包的真实性，对欺诈行为进行惩罚。 运营商需要质押一定数量的资产，只有满足资产质押条件，智能合约才会收到发送的交易包。 任何人都可以为交易包的真实性开具欺诈性证书。 欺诈行为一旦被判定，将失去全部质押资产。 该系统通过对排序者和挑战者的经济激励来实现安全平衡。

当挑战者通过重新计算状态值发现交易包错误时，可以向智能合约发送欺诈证明。 欺诈证明包括所有必要的信息，包括交易前的账户状态、交易对应的Merkleproof等。智能合约可以使用欺诈证明通过重放交易来验证交易包的真实性，从而实现欺诈交易检测。

这种模式的验证效率有所降低，但它的优势是更容易实现通用平台，兼容EVM智能合约，大大减少了开发人员的工作量，从而大大降低了项目迁移的难度。 占领Layer 2蓝海提供了先天优势，也可以尽快解决以太坊网络的燃眉之急。

OP Rollup 机制的缺点是欺诈证明机制使得资产的存入和转移需要等待较长的质询期，因为一旦存储在合约中的资产离开 Rollup 合约，就无法回滚交易并转移资产。 康复了。 与 ZK Rollup 相比，Optimistic Rollup 验证效率较低，交易压缩率较低，因此其扩容也较差。

以太坊Layer 2扩容路线梳理，机制继承而非一蹴而就

从侧链扩容到Rollup机制，不难发现这些技术路线并不是截然不同的，而是一种相互融合的进化发展。 最新的 Optimistic Rollup 机制中的欺诈证明在状态通道扩展中也有类似的机制。 并且通过锚定主链来保护侧链的资产安全，也从最初的Plasma方案过渡到了Rollup技术路线。 The cross-chain mechanism is used in most technical routes.

3. The future prospect of Ethereum Layer 2 expansion

At present, the Layer 2 expansion technology of the Ethereum network is in a period of rapid development, and there are hundreds of solutions, each of which has its own advantages, and has also won the support of related projects and communities that match its own characteristics.

In the short term, we believe that we will see a highly competitive and split Layer 2 network group. The Ethereum main network may become a channel for large transactions and arbitrage transactions, and various Layer 2 networks will bring users low-cost and efficient Transaction execution. In the short term, different Layer 2 protocols may not be able to connect temporarily due to mechanism and technical problems, and will form a relatively independent small ecology, with high interaction costs between them (multiple transactions with the main network). At this stage, the Layer 2 solution, which is the first to go online and is compatible with the general platform of EVM, will have a great first-mover advantage, and user experience will become the decisive factor. Layer 2 expansion will greatly reduce handling fees and improve transaction efficiency, and the Defi market may therefore usher in a reshuffle.

In the medium term, Layer 2 protocols will try to achieve data connectivity, and different solutions will spontaneously form different Layer 2 alliances. We believe that ZK Rollup has better security and user experience than OP Rollup, and will occupy most of the Layer 2 market share by virtue of the superiority of the protocol. In the long run, we believe that the Ethereum community will eventually compete for the final winner of Layer 2, occupy most of the market, and achieve expansion under the premise of ensuring decentralization and information security. A unified Layer 2 protocol will also reduce the cost of using the network, which is conducive to the development of the ecology. Layer 2 expansion is not an intermediate compromise but a long-term solution. After the successful launch of Ethereum 2.0, the Layer 2 expansion mechanism can still coexist with fragmentation expansion to improve network throughput.

Layer 2 expansion is inseparable from cryptocurrency wallets, blockchain browsers, and market websites supporting and following up corresponding projects to provide a better user experience. Layer 2 expansion will reduce operating costs on the chain and promote innovation in blockchain projects, thus giving birth to deeper blockchain applications in games, DeFi, virtual worlds and other fields.

风险提示

The blockchain business model is not as good as expected;

Uncertainty about regulatory policy.

This article is an excerpt from the report "Guosheng Blockchain|Technological Innovation Future (6): Iteration and Competition--The Road to Layer 2 Expansion of Ethereum" published by Guosheng Securities Research Institute on April 28, 2021. Please refer to the specific content See related report.

宋家吉 S0680519010002 songjiaji@gszq.com

任和义 S0680519040002 renheyi@gszq.com

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