區塊鏈第 1 層與第 2 層擴展解決方案
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區塊鏈第 1 層與第 2 層擴展解決方案

區塊鏈第 1 層與第 2 層擴展解決方案

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發佈時間 May 31, 2022更新時間 Sep 29, 2022
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摘要

加密貨幣及區塊鏈的受歡迎程度呈指數級增長,用戶及交易的數量也在增加。可見區塊鏈是革命性的發展的,而可擴展性 (系統在滿足日益增長需求的同時不斷成長的能力) 始終是一個挑戰。高度去中心化及安全的公鏈網路往往難以實現高吞吐量。 

人們通常將其描述為區塊鏈三難困境,這指出去中心化系統幾乎不可能同時實現高度去中心化、安全性及可擴充性水準。實際上,區塊鏈網路僅能達成三個因素中的兩個。 

幸運的是,數以千計的愛好者及專家正努力研究擴展解決方案。其中,有部分解決方案旨在調整主區塊鏈 (第 1 層) 的架構,還有一些解決方案則以在底層網路上運行的第 2 層協定為目標對象。


前言

由於可供使用的區塊鏈及加密貨幣數量龐大,您或許並不清楚使用的是第 1 層還是第 2 層鏈。隱藏區塊鏈複雜性的好處多多,但花時間了解所投資或使用的系統絕對值回票價。閱覽這篇文章後,您將了解第 1 層與第 2 層區塊鏈以及各種擴展解決方案之間的差異。


什麼是區塊鏈第 1 層與第 2 層?

第 1 層一詞係指區塊鏈架構的基本架構。此乃區塊鏈網路的主要結構。第 1 層的範例有:比特幣、以太坊及 BNB (幣安幣) 鏈。第 2 層係指構建於其他區塊鏈之上的網路。因此,如果比特幣處於第 1 層,在其基礎之上運行的閃電網路就是典型的第 2 層。 

區塊鏈網路可擴展性改進可歸類為第 1 層和第 2 層解決方案。第 1 層解決方案將直接變更原始區塊鏈的規則及機制。第 2 層解決方案將使用外部平行網路來達成偏離主鏈的交易。


區塊鏈可擴展性為何重要?

不妨設想一下,一個大城市和快速發展的郊區之間正在修建一條新公路。隨著穿行於這條公路之交通量的增加,塞車已成家常便飯,特別是在高峰時段,從 A 地行駛到 B 地的平均時間已大幅增加。鑑於公路基礎設施的容量有限,而需求不斷增長,出現這種情況也就不足為奇。

現在,當局可以採取何種措施來幫助更多有通勤需求的人提高這條路線的通行速度?一種解決方案是對公路做出改善,在公路兩旁加修車道。但這種解決方案代價高昂,可能影響現有的公路使用者,因此不一定是最適解。另一種方法是發揮創造力,考慮不改變核心基礎設施的種種方法,比如修建另一條通行道路,甚至在公路沿線修建輕軌。

在區塊鏈技術的世界裡,主要公路會是第 1 層 (主網路),而額外的通行道路會是第 2 層解決方案 (提高整體容量的輔助網路)。

比特幣、以太坊及 Polkadot 均被視為第 1 層區塊鏈。它們均為基礎層區塊鏈,為相應的生態系處理及記錄交易,具備原生加密貨幣,通常可用於支付手續費,並帶來更廣泛的實用性。Polygon 就是以太坊第 2 層擴展解決方案的其中一個範例。Polygon 網路會定期向以太坊主網路提交檢查點,以更新其狀態。

吞吐能力是區塊鏈不可或缺的一部分。可據此衡量速度及效率,顯示在特定時間範圍內可處理及記錄多少筆交易。隨著用戶數量及同時執行的交易數量增加,使用第 1 層區塊鏈的速度變得緩慢,費用也變得高昂。使用工作量證明機制而非權益證明的第 1 層區塊鏈則更是如此。 


第 1 層當前存在的問題

比特幣和以太坊等第 1 層網路都遇到了擴展問題,是較為突出的範例。兩者均透過分散式共識模型來保護網路安全。即所有交易在驗證之前皆由多個節點予以驗證。該等所謂的挖礦節點皆爭相解出複雜的計算難題,成功解題的礦工可獲得以網路原生加密貨幣支付的獎勵。 

換言之,所有交易皆需在確認前通過多個節點的獨立驗證。這是一種將經驗證的正確資料載入日誌及進行記錄的有效方式,同時還能降低惡意行為人攻擊的風險。不過,類似以太坊或比特幣等人氣網路,流通量需求問題會愈演愈烈。網路出現雍塞時,確認用戶交易的時間將會變長,手續交易費將會增加。


第 1 層擴展解決方案如何運作?

第 1 層區塊鏈具備幾個選項,可用來提高吞吐量及整體網路容量。若區塊鏈採用工作量證明機制,過渡為權益證明可能是提高每秒交易數 (TPS) 並降低處理手續費的一種方案。但加密貨幣社群對權益證明的相關優點及長期影響仍看法不一。

第 1 層網路上的擴展解決方案通常由項目開發團隊引入。視乎解決方案,社群將需要對網路進行硬分叉或軟分叉。一些網路會做出一些小小的變更,如比特幣的 SegWit 更新。 

一些較大的變更 (像是提高比特幣區塊規模至 8MB) 需要進行硬分叉。這樣會建立兩個版本的區塊鏈,一個更新版本,一個未更新版本。提高網路吞吐量的另一個方案是分片。這樣會將區塊鏈的營運拆分為更小的部分,可同時並行處理資料,而非按順序處理。


第 2 層擴展解決方案如何運作?

如前所述,第 2 層解決方案仰賴平行或獨立於主鏈運作的輔助網路。

匯總 (Rollup)

零知識匯總 (最常見的類型) 統合鏈下第 2 層交易,並在主鏈上將其提交為一個交易。這些系統利用有效性證明來檢查交易完整性。資產透過橋接智能合約保留在原始鏈上,而智能合約確認匯總發揮預期功能。這樣可保障原始網路的安全性,其優勢在於匯總所佔用的資源較少。 

側鏈

側臉是擁有一組專用驗證人的獨立區塊鏈網路。這就是說,橋接主鏈上的智能合約並不會驗證側鏈網路的有效性。因此,您必須要相信側鏈可正常營運,因為其能夠控制原始鏈上的資產。 

狀態管道

狀態管道是交易雙方之間的雙向通訊環境。各方會封鎖底層區塊鏈的一部分,並將其連接至鏈下交易管道。這通常可透過預先協定的智能合約或多重簽章來實現。各方隨後在鏈下執行一筆或一批交易,無需立即提交交易資料至底層分散式帳本 (即主鏈)。集合內的所有交易均已完成後,管道的最終「狀態」會廣播至區塊鏈以供驗證。此機制可加快交易速度,並提高網路的整體容量。比特幣閃電網路及以太坊 Raiden 等解決方案以狀態管道為基礎運作。

嵌套區塊鏈

此解決方案依靠一組構建於主「父」鏈之上的輔助鏈。嵌套區塊鏈依據父鏈設定之規則及參數運作。主鏈並不參與交易的執行,其作用僅限於在必要時解決爭議。會向「子」鏈委派日常工作,脫離主鏈完成交易後,處理過的交易會回到主鏈。OmiseGO 的 Plasma 項目是第 2 層嵌套區塊鏈解決方案的一個實例。


第 1 層及第 2 層擴展解決方案的局限性

第 1 層及第 2 層解決方案皆有獨一無二的優點與缺點。使用第 1 層擴展解決方案可為大規模改進協定提供最高效的解決方案。不過,這也表示,必須說服驗證人透過硬分叉接受這些變更。

或許其中一個範例就是,驗證人可能不希望從工作量證明變更為權益證明。轉向更高效的系統可能會使曠工損失收入,讓他們沒有動機提升可擴展性。

第 2 層解決方案提供一種更快速的方式來改善可擴展性。不過,視乎所採用的方法,原始區塊鏈的安全性可能會大受影響。用戶信任以太坊及比特幣等網路,蓋因其復原力及有據可循的安全性。多方面摒棄第 1 層解決方案,即代表需要仰賴第 2 層解決方案的團隊及網路確保效率及安全性。


第 1 層及第 2 層之後是什麼?

這裡有一個重要的問題:隨著第 1 層變得更具可擴展性,是否還需要第 2 層解決方案。現有區塊鏈已有所改進,並已建立具良好可擴展性的新網路。不過,主要系統需要很長一段時間才能提高其可擴展性,而且是否能成功亦無保證。最有可能的方案是第 1 層注重安全性,第 2 層網路依據特定用例量身定製服務。 

不久的將來,以太坊等大型鏈因其龐大的用戶及開發人員社群,仍有很大機會佔據主導地位。不過,其大型去中心化驗證人集合及值得信賴的聲譽為第 2 層解決方案目標奠定了堅實的基礎。


總結

自加密貨幣推出以來,為了提高可擴展性,已實施雙管齊下的方法,一方面改進第 1 層,另一方面增加第 2 層解決方案。如果您擁有多元化的加密貨幣投資組合,您有很大的機會已接觸過第 1 層及第 2 層網路。現在,您已了解兩者間的差異,以及提高其服務範圍擴展性的不同方法。