隨著Defi如火如荼的發展，再次凸顯區塊鏈（特別是以太坊）的性能問題，導致許多大規模應用無法實現。例如今年的Defi浪潮中，動輒手續費高達幾十美元，非常不利於項目推廣；此外，受限於TPS，導致去中心化交易所難以普及，甚至衍生品等業務無法進一步擴張。

一邊是高速發展的Defi需求，一邊是遲遲未能解決的性能問題，兩者的矛盾催生了近期Layer2方案的火熱，各個Layer2項目又重新回到大家的視線中來，可能成為Defi在下個階段更大規模爆發的導火索。

1

什麼是Layer2

layer2 是一個為提升區塊鏈底層網絡（layer1）性能的整體解決方案。

我們假設Defi業務過程中有多個狀態轉換，那麼這些狀態轉換都需要合約交易上鍊來完成，有幾個狀態就需要經過幾個區塊，區塊時間就會成為限制因素，以以太坊為例，那麼大概需要12s出一個區塊，這個時間是必須要花費的，對於以秒級，甚至毫秒級的金融業務來說，這種等待是無法忍受的。

而Layer2就是來解決這個問題，Layer2 擴容的思路簡而言之是將許多筆交易用一個證明所取代以節省Layer1 的資源，相應的，這個應該可以證明對應的多筆交易的有效性。

layer2有幾種解決方案，分別是：Rollups、狀態通道（State channels）、側鏈（Sidechains）、Plasma、Validium、混合方案（Hybrid solutions）等等。

下表為主要的一些Layer2方案項目：

項目技術方案Skale側鏈Liquid側鏈MOV側鏈Celer Network狀態通道Liquidity Network狀態通道Raiden Network狀態通道路印ZK rollupsMatter LabsZK rollupsOptimismOptimistic RollupFuel NetworkOptimistic RollupOMG NetworkPlasmaMatic NetworkPlasmaLoom NetworkPlasma

2

欺詐證明和有效性證明

我們將Layer2方案證明多筆交易有效性，分為欺詐證明和有效性證明：

欺詐證明，提出證據以證明鏈上的狀態轉換並不正確；有效性證明，提出證據以證明鏈上的狀態轉換正確。

欺詐證明對應的Layer2 擴容方案樂觀地假設鏈下交易均真實有效，直到某方提出證據證明其存在錯誤。其中包括狀態通道（State Channel）、Plasma、Optimistic Rollup 等，這種方案非常的高效，因為節省了大量證明這些交易有效性的開銷。

但欺詐證明必須留出足夠的容錯時間，否則會惡意交易將會成為漏網之魚，雖然節省了大量開銷，但欺詐證明可能存在漏洞，攻擊者可以阻止相關方在欺詐時間之內提交欺詐證明，從而完成攻擊

相對來說，有效性證明則要穩健的多，有效性證明類方案，如ZK Rollup 與Validium 等。系統每次在Layer1 上進行狀態轉換時都提交足以證明其轉換真實有效的證明供Layer1 節點驗證。

零知識證明是一種精巧有效性證明方式，它使得Layer1 的驗證節點無需獲取鏈下交易的全部信息並進行重複計算即可證明其有效性。零知識證明當前屬於密碼學研究的前沿領域，在應用方面還有一定的瓶頸，目前實用的零知識證明算法生成證明的時間大約在1~10 分鐘，這是額外的無法消除的交易確認延遲。

我們根據這個分類方法可以列出一個像限，如下圖所示：

3

多種Layer2方案舉例

Plasma 方案

Plasma 是在2017 年被Joseph Poon（Lightning Network 創始人）和Vitalik Buterin （Ethereum 創始人）提出的方案，Plasma簡單來說就是鏈中鏈，每個鏈都可以有自己的鏈，自己的鏈還可以再有鏈。

Plasma會有一個Operator，負責產生子鏈的區塊，Operator一般會是Server模式，子鏈的信息會被記錄到數據庫中，Plasma Chain每次產生區塊都必須寫入主鏈，這樣才算是被確認。如果用戶要進入Plasma，則需要通過主鏈的存款合約，具體如下圖所示：

我們可以看到Plasma的問題是比較中心化，容易作惡，所以需要上訴說過的欺詐證明，設置一個挑戰期。同時如果Plasma 的Operator拒絕在主鏈上公開數據，那麼用戶則無法取得構造出錯誤承諾的錯誤數據，就無法提供錯誤性證明，所以Plasma 面臨的最大問題是交易數據可用性。不能保證數據可用性的這種特質，讓很多特性難以立刻保留，例如：支持任意計價支付，用戶的驗證/存儲要求最小化，避免大批量退出方案，以及支持智能合約邏輯。雖然可以緩解這些問題，但是解決一個障礙的代價往往是加劇另一個障礙。

Plasma的代表性項目是OMG Network，OmiseGO是基於以太坊的plasma 擴容技術方案，用於主流數字錢包，可跨國家司法管轄區和組織機構使用法定貨幣或加密數字貨幣進行實時、點對點的價值交易和支付服務

OmiseGO Tesuji 是Plasma 上的早期實現例，以權威證明（PoA）作為共識機制，OmiseGO 作為運營商。 OMG的最終目標是完全可擴展的權益證明（PoS）區塊鏈以及去中心化交易所。在PoS 模式下，權益者將扮演區塊鏈驗證者的角色，對去中心化交易所上的交易進行驗證，並向網絡用戶收取一定的交易驗證費用。

側鏈方案

Plasma其實也稱為側鏈，但是這裡我們討論的是側鍊是真正獨立的一條鏈，擁有眾多節點共識出塊，而非通過中心化的Operator出塊，主側鏈之間需要通過一定的跨鏈協議進行通訊，而不是通過存取款合約來進行聯繫。通過這種解決方案，可以實現數字資產從第一個區塊鏈到第二個區塊鏈的轉移，又可以在稍後的時間點從第二個區塊鏈安全返回到第一個區塊鏈。

側鏈實現的技術基礎是雙向錨定（Two-way Peg），通過雙向錨定技術，可以實現暫時的將數字資產在主鏈中鎖定，同時將等價的數字資產在側鏈中釋放，同樣當等價的數字資產在側鏈中被鎖定的時候，主鏈的數字資產也可以被釋放。

比較著名的側鏈包括基於比特幣網絡的側鏈Liquid，以太坊的Skale，以及國內比原鏈團隊開發的MOV協議

Liquid是Blockstream的開源側鏈項目，使用了比特幣雙向錨定技術，Liquid目的是實現使得比特幣可以在主鍊和側鏈中互轉，旨在提高隱私性、降低成本、加速交易所和經紀商之間的價值轉移及結算流程。

比原鏈團隊的MOV協議。 MOV 是基於主側鏈架構的下一代去中心跨鏈Layer 2 價值交換協議，由價值交換引擎磁力合約（Magnet）、去中心跨鍊網關（OFMF）和Layer 2 高速側鏈（Vapor）三大核心模塊構成，致力於構建一個異構融合的多樣性資產價值交換協作生態。

MOV採用的側鏈的Layer2解決方案，相較於Bytom主鏈，側鏈0.5s的出塊速度極大提升了性能，理論估計能夠高達16000 TPS，側鏈使用DPos共識，由10個正式共識節點來驗證交易有效性

考慮到側鏈提升了速度，但是去中心化程度不足，所以MOV基於主側鏈一體的架構，主側架構常見於分層系統，比如Plasma 是一種針對主鏈擴容場景的一主多側設計，其交互信任方案是基於主鏈抵押。主鍊和側鍊是一種邏輯區分，公鏈作為主鏈的同時也可作為映射資產的側鍊和交易協作平台。主側邏輯是一種合理的業務架構設計，賦予多樣性資產價值交換協作比較大的自由度和效率空間。

4

Optimistic Rollup 和ZK Rollup

Rollup 是一種類似於Plasma 的Layer-2 擴展方案：用主鏈上的單個合約來保管所有的資金，並保存一條指向“側鏈” 狀態的簡潔密碼學承諾（通常來說就是一棵由賬戶、賬戶餘額等狀態組成的默克爾樹）。側鏈的狀態是由用戶以及鏈下運營者來維護的，不會佔用Layer-1 的存儲空間（這種對存儲空間的節約才是可擴展性優勢的最大來源）。

Rollup 與Plasma 有所不同的是，Plasma 會面臨交易數據可用性的問題（也是Plasma 最大的問題）。而Rollup 則通過在Layer-1 網絡上為每一筆交易公開一些數據解決了這個問題。

V神也在各個渠道對Rollup方案給予肯定

在Rollup方案中，ZK Rollup是較早提出並發展的方案。在一個ZK-Rollup 系統中，運營者（們）必須為每一次狀態轉換提供一個簡潔的零知識證明（SNARK）；該證明將由主鏈上的Rollup 合約來驗證。這樣的一個SNARK 證明了存在一些交易，這些交易是由發起人正確簽名過的，並且正確地更新了相關賬戶的餘額，並使舊的默克爾根值變為代表新狀態的新值。這就杜絕了運營者提交無效狀態或篡改狀態的可能。

但ZK Rollup 是一種更複雜的技術，它可以進行代幣轉移和定制化應用，但是支持通用性合約就比較困難，需要更多研究工作來把EVM 高效封裝進零知識證明。

Optimistic Rollup 是2019年提出的、旨在擴展以太坊上智能合約通用性吞吐量的技術。如果開發相對較快的話，它就可以為遷移現有的dApp 和服務提供一種簡單的方案，而且為此付出的安全性/可擴展性犧牲也不會太大。

在一個Optimistic Rollup 系統中，運營者發布新的狀態根時無需每次都接受Rollup 智能合約的檢驗。相反，每個人都假設狀態轉換是正確的。不過。如果有人發布了一次不正確的狀態轉換，其它運營者或者用戶都可以指出不合法的交易並回滾不正確的區塊、懲罰惡意驗證者。

在支持通用性計算方面， Optimistic Rollup 可以擁有OVM，如果與EVM 搭配使用，大家就可以用Solidity 來寫碼。因此，大部分現有的代碼庫都可以輕鬆移植到OR 上。而迄今為止，所有ZK-Rollup 現有的實現都只支持專用性操作比如代幣轉移或者原子化互換。

在性能上，TPS 可上升到約100，如果只算代幣轉移交易，則可達500，而ZK-Rollup 更快，可以超過2000。

在手續費上，Optimistic Rollup的每筆交易只需4k gas，而ZK-Rollup需要272 gas（但需要平攤的證明成本，當前的估計是300k gas），相比較於以太坊的原生交易21k gas ，節省了非常大的開銷。

安全性上Optimistic Rollup由單個智能合約來保管的，一旦保管著價值百萬（甚至是數十億）美元的資產，這樣的Rollup 合約就會變成一個的蜜罐，會有潛在的安全風險。而在一條ZK Rollup 側鏈中，每一次狀態轉換都要先由Rollup 智能合約驗證過才能生效。所以運營者想偽造狀態是不可能的。 ZKR 的安全性無需依賴於Layer-1 的審查抗性。

時延上，因為需要挑戰期，所以Optimistic Rollup需要較長的時間才能確認，而ZK Rollup則較快。

ZK Rollup的代表項目是路印，路印協議圍繞著高安全性和高性能設計，為用戶提現自己充值的資產提供各種保障。這種保障允許用戶在極端情況下，僅提供默克爾證明，就可以將資產全部取出。路印發布了一個基於訂單簿的去中心化交易所的AMM 協議，賬戶之間的轉賬僅需秒級。

其他的ZK Rollup的代表項目是zkSync，是Matter Labs 基於ZK Rollup 技術開發的免信任型可擴展性和隱私性解決方案，除了高安全性之外，該項目主打是低延遲。

Optimistic Rollup的代表項目Optimism 是由Plasma Group 的前研究人員在2019 年成立的一家新盈利性公司，專注於實施以太坊擴容解決方案Optimistic Rollup，9 月份推出其測試網，Synthetix、Uniswap、Chainlink 成為他們的早期測試者，Synthetix 用來大幅提升預言機報價頻率，以此解決在一層網絡會遇到的交易暫時停滯問題。

5

Defi需要什麼樣的Layer2

Defi應用一般都是重資產型應用，合約中鎖定的資產達幾億甚至幾十億美元，那麼資產的安全性是非常重要的。從安全性的角度，側鍊和Plasma對驗證人的依賴度較高，具有較高的作惡風險，需要完備的監督機制，而狀態通道，側鏈，validium的熱錢包的漏洞風險較高。所以，安全性來看，還是Rollup方案佔優。

複雜的Defi業務，需要復雜的智能合約支持，狀態通道和Plasma在智能合約支持方面較差，智能使用受限的智能合約。而Validum和zk Rollup對EVM字節碼兼容較差，需要獨立的系統。總體來看，對於智能合約的支持來說，側鍊和Optimistic Rollup支持較好。

除此之外，使用Layer2更看重其對性能的提升情況，對於提現時間來說，狀態通道和側鏈具有較明顯的優勢，而Plasma和Optimistic因為使用欺詐證明，需要較長的挑戰期。

當前來看，Rollup方案還是具有較多的優點，當然Defi選什麼樣的Layer2方案，還需要各個項目方根據自己的需求來進行取捨，魚和熊掌不可兼得。

6

Defi在Layer2上的使用現狀

Defi在持續的創新和進化，Uniswap、Aave、Synthetix 等DeFi 頭部玩家們不約而同開始探索Layer2 + DeFi 的可行性。

2020年8月3日，MaticNetwork推出500萬孵化基金，激勵在該Layer2協議上的Defi以及其他應用，迄今為止共吸引了80多個Dapp，包括18個Defi項目，同時也和AAVE達成合作。

2021年1月12日，合成資產協議Synthetix發布最新的2021年的路線圖中指出，優先事項包括遷移到Optimistic上

Uniswap雖然沒有透露出具體的計劃，但作為Uniswap Layer2 的示例demo，Unipig 的方案早已於2019 年10 月份上線，展示Uniswap + Layer2 的基本操作。 Unipig 和Synthetix 一樣，也是採用了Optimistic Rollup 的方案擴容。

而穩定幣DEX龍頭，Curve則傾向於選擇ZK Rollup方案。

以太坊生態之外，比如比原鏈的MOV，已經率先在Layer2上部署並穩定運行了多個Defi協議，包括基於訂單簿的磁力協議，基於AMM的超導協議和閃電兌換等等，在運行速度，手續費等方面都有非常不錯的表現。

整體來說，頭部的Defi應用已經開始著手或者選擇一些Layer2方案嘗試，而一些小型的Defi應用則已經開始運行在Layer2上面開展業務。

所以，2021年很可能是Layer2廣泛應用的開始。

7

Layer2未來發展

Defi，NFT等等業務的興起將極大的拓展區塊鏈的需求，在以太坊2.0成熟還需要數年之久的情況下，Layer2將會迎來較大的發展機遇。

除此之外，非以太坊的獨立公鏈，隨著跨鏈的普及，融合了Layer2技術將也會有非常好的機會，在以DeFi 為代表的去中心化應用快速發展的趨勢中，不同類型的應用將會在不同的取向主導下重新劃分陣營。

雖然當前已經有非常多的擴容方案，但是不同的擴容技術有它不同的優缺點，導致適應不同的應用場景，未來不同的擴容技術之間也會是相互合作關係，我們也看到一些融合的趨勢。

對大多數開發者們來說，他們希望在不改變原有代碼的情況下將應用遷移至Layer2，因為對代碼進行任何改動會涉及到可觀的審計及維護費用。對用戶來說，選擇使用以太坊主鏈，還是Layer2 應用是個難題，Layer2 項目方是否能直接讓用戶實現無感地與Layer2 進行交互。

除了性能，安全性，Layer2未來的發展一定要朝著兼容性和用戶體驗發展，才能得到眾多開發者、用戶、項目方支持，將建立足夠深厚的護城河，最終探索出一條可以能夠承接住數千萬、數億用戶的擴容技術方案。