摘要： 對以太坊來說，2018年是專注於基礎設施的一年。這一年裡，大家對網絡侷限性進行了測試，重新把精力集中到擴容技術上。在本文中，我將深入探討其中一種擴容方案：“鏈下”或者“Layer2”擴容，希望能讓你對Layer 2的工作原理有個全面而詳細的理解。
以太坊還處於嬰兒時期。今天，它還不夠健全，也不具備可擴展性。任何瞭解這項技術的人，都清楚知道這一點。但在過去的一年裡，由投機驅動的炒作，過分誇大了區塊鏈的能力。以太坊距離Web 3.0（一個安全、易於使用的分佈式網絡，受一套共識機制約束，併為數十億人使用）仍遙不可及，在關鍵基礎設施完善之前，都不會實現。
構建這一基礎設施、擴展以太坊功能的項目，都被稱作擴容方案。
它們有許多不同的形式，而且往往都是相互兼容或互補的。
本文中，我將深入探討其中一種擴容方案：“鏈下”或者“Layer2”擴容，希望能讓你對Layer 2的工作原理有個全面而詳細的理解。
1:公有鏈的擴容挑戰
“擴容”不是單一的、具體的問題，它是以太坊在服務全球幾十億用戶之前，必須要解決的問題。
首先，是交易吞吐量方面。目前，以太坊每秒可以處理15筆交易，相比之下，Visa處理速度可以達到45000筆/秒。
像以太坊這樣的公有鏈，要求網絡中每一個節點參與處理每一筆交易，其主要侷限也正在於此。以太坊上的每個操作都必須由網絡中的每個節點一起執行，保證了公有鏈的足夠權威。
這就限制了以太坊的交易吞吐量：它不能高於單個節點處理數據的速度。
如果我們將區塊大小加倍，這將意味著在相同出塊時間內，每個節點的工作量大約是現在工作量的兩倍。但這是以犧牲去中心化為代價的：需要節點做更多的工作，那麼較弱的節點可能會退出網絡，挖礦權利將集中到強大的礦場手中。
2:解決方案
我們需要一種方案：既能不增加單個節點的負荷，又能處理更多交易。
從理論上講，我們可以採取兩種方法來解決這個問題：
1、如果每個節點不必並行處理每個操作呢？
如果我們可以構建一個區塊鏈，鏈內節點不必參與處理每筆交易，網絡被分成兩個部分，可以半獨立地運作呢？
被分開後，A區可以處理一批交易，B區也可以處理一部分，這可以把區塊鏈交易吞吐量提高一倍。如果我們把區塊鏈分成許許多多不同區域，那吞吐量會提高許多倍。
這就是“分片（Sharding）”背後的理念，由以太坊V神和其他科研人員提出。一個區塊鏈被分成許多不同的“片”，每個“片”都可以獨立處理交易。分片一般是指“Layer 1”的擴容方案，因為它是在以太坊的基層協議上實現的。
2、如果為以太坊建立協議層網絡呢？
第二種選擇和第一種恰恰相反：與其增加以太坊自身的能力，不如在其基礎之上採取措施。在以太坊區塊鏈基本層的吞吐量不變的情況下，能執行更多的操作，比如交易、狀態更新或簡單的計算。
這就是“鏈下”技術背後的原理，包括狀態通道、Plasma、Truebit等。雖然每一種技術旨在解決不同問題，但它們都需要在保證安全性的前提下，進行“鏈下”操作。
這也被稱作“Layer 2”，因為它建立在以太坊主鏈之上，不需要在基礎層上進行改變，相反，它只作為與鏈下軟件交互的智能合約存在。
3:Layer 2是數字經濟解決方案
在細說Layer 2的解決方案之前，我們先來了解一下其背後的原理。
公有鏈的權威來源於共識。通過激勵措施，並將其與密碼學結合，從系統內部達成共識。
數字經濟共識給了我們確定性——除非像51%攻擊這樣極端事件，否則所有的操作（包括支付、智能合約）都將按之前設計好的程序執行。
Layer 2背後的原理是，我們可以將這個確定性作為一個錨，在此基礎之上附加其他機制。Layer 2可以將公有鏈的效用擴展到鏈外，讓我們在鏈外交互成為可能，這些交互在需要的時候仍然可以返回到主鏈。
因為這些層建立在以太坊主鏈之上，所以它並不能像主鏈上操作一樣安全，但仍然可以確保它們安全實用，特別是只需要犧牲一點操作權限，就可以提高運作效率，降低手續費用。
下面是正在嘗試應用的技術介紹：
1、狀態通道（State Channels）
狀態通道，指的是“鏈下”處理交易和其他操作的一種技術，有很高的安全性：如果出了什麼問題，我們仍然可以選擇回到鏈上交易。
很多讀者都知道支付通道，這個已經出現許多年了，最近也在通過閃電網絡（Lightning Network）在比特幣上實施。狀態通道是比支付通道更為普遍的形式——不僅可以處理支付，也可以處理區塊鏈的“狀態更新”，比如智能合約的更改。
2015年，Jeff Coleman首先提出了狀態通道。我們先來看一個例子，以便更好地解釋狀態通道的工作方法。
想象一下，張三和李四玩三連棋遊戲，贏家可以獲得1個ETH作為獎勵。最簡單的辦法，就是在以太坊上創建一個智能合約，將三連棋的規則寫入智能合約，並追蹤張三、李四的選擇。每次玩家做出選擇時，給合約發送一次。當一個玩家勝出，按規則，智能合約將支付1個ETH給勝出者。這雖然可行，但效率低、速度慢。因為遊戲的每一步都需要得到所有的節點確認，造成資源的浪費。他們每玩一局遊戲，就要支付一筆費用，並且還要等礦工完成驗證後才能進行下一局。
這時候，我們就可以設計一個系統，讓張三和李四的互動儘量在鏈下進行。他們可以在鏈下更新狀態，並在需要的時候，回到鏈上交易。我們把這種系統稱之為“狀態通道”。
首先，我們在以太坊主鏈上創建一種智能合約作為“法官”，並將遊戲規則寫入合約，並識別出張三和李四是本次遊戲的兩個玩家，再給這個合約設置1個ETH的獎勵。
緊接著，張三和李四開始互動。張三開始走第一步，簽名後發送給李四，李四也會簽名，並將自己簽名後的版本發回，自己保存一份副本。然後李四走一步，簽名後發送給張三，張三也簽名後發回，自己保存副本。每次，他們都會更新自己的狀態。每次互動都會包含一次“隨機數”，這就可以給每次互動按時序排列。
至此，所有操作都不是在鏈上發生。如果遊戲結束，比如說張三贏了，他們可以上傳最終狀態（交易清單）並關閉通道。這樣，只用支付一次交易費用就可以了。合約可以確保“最終狀態”有雙方簽名，並等待一段時間，以確保結果可靠，最後把1個ETH的獎金支付給張三。
為什麼需要這個等待時間？
假設李四上傳的不是最終版本，而是他贏過了張三的那個版本，但合約只會執行指令，無法知道哪一個是最終版本。這個時候，設置一段等待時間，可以讓張三提供證據證明自己提供的是最終版本。
張三提交雙方簽名的交易副本，合約通過交易的隨機數確定張三提交的是最終版本，駁回李四的請求。
狀態通道適用於很多應用程序，並對傳統的鏈上操作進行了許多升級。
2、Plasma
2017年8月11日，V神和Joseph Poon發表了名為《Plasma：自主智能合約》的論文。這篇文章引入了一種全新的技術，可以提高以太坊的處理效率。
與狀態通道一樣，Plasma是一種處理鏈下交易的技術，需要依賴以太坊底層技術去對其安全性進行保障。但Plasma的切入點不一樣，它可以允許在以太坊主鏈上創建“子鏈”。這些“子鏈”，反過來也可以創建它們自己的“子鏈”，以此類推。
其結果是，我們可以在子鏈執行許多複雜的操作，運行包含數千名用戶的應用程序，並且只需要與以太坊主鏈進行很少的交互。Plasma運行很快，並收取較低的交易費用，因為整個過程不需要在以太坊主鏈上發生。
我們先來看一個例子，理解Plasma是如何運作的。
想象一下，你正在以太坊上創建一個交易卡片遊戲。這些卡片是ERC-721令牌（比如以太貓），但它們具有某些特性和屬性，讓用戶可以進行博弈。在鏈上執行這些複雜的操作很昂貴，所以使用Plasma是很好的選擇。
首先，我們在以太坊主鏈創建一套智能合約，作為服務於我們Plasma子鏈的“Root”。Plasma Root包含我們子鏈的“狀態轉換規則”（比如“不能雙花”），記錄子鏈狀態的哈希，並充當一種“橋樑”，允許用戶在以太坊主鏈和子鏈之間進行互動。
然後，我們創造我們的子鏈，子鏈可以有自己的一套共識機制。在本例中，是授權證明（PoA），依賴可信區塊生產者的共識機制。
一旦子鏈被創建或者激活，區塊生產者就對Root合約做出承諾，相當於“我作證，子鏈中的最新區塊是X。”這些承諾都會被記錄在Plasma Root，以證明子鏈中發生的交易。
子鏈準備好後，我們就可以創建交易卡遊戲的基本組成部分。卡片基於以太坊主鏈的ERC-721，通過Plasma Root轉移到子鏈。這就引入了一個關鍵點：Plasma允許我們與基於以太坊的數字資產進行大規模交互。
然後，我們在子鏈上部署遊戲應用的智能合約，把遊戲邏輯和規則都寫進合約裡。遊戲用戶，其實只是與我們的子鏈交互。他們可以持有資產（ERC-721令牌）與其他用戶進行遊戲，不需要與主鏈直接互動。因為只有少量節點需要處理交易，交易費用會低很多，操作速度也會更快。
3、Truebit
與狀態通道和Plasma擴大吞吐量不同，Truebit是幫助以太坊完成繁重計算的鏈下技術。Truebit不會提高交易吞吐量，但會讓基於以太坊的應用程序做更復雜的事情。
有些操作計算成本太高，無法在鏈上執行。例如，驗證來自其他區塊鏈的“簡單支付驗證(SPV)”證明，讓以太坊智能合約“檢查”一項交易是否發生在另一條鏈上(如比特幣網絡)。
在以太坊上做的所有計算都很貴，因為總需要所有節點都要參與到計算中。
然而，你可以給某個人（解決者）支付一點費用，讓它完成鏈下計算。
首先，解決者往智能合約存入一筆費用，然後，你把需求告知解決者。他進行計算，然後把結果反饋給你。如果計算結果正確，他的押金會被退回；如果計算出錯（他出錯或作弊），就會損失自己的押金。
那我們怎麼知道結果正不正確呢？
Truebit使用一種叫“驗證遊戲”的經濟機制。從本質上講，我們創造了一種激勵機制，鼓勵“挑戰者”來驗證解決者提交的結果。如果挑戰者能夠通過驗證遊戲，證明解決者提交了一個錯誤的結果，那麼他們就會得到獎勵，而解決者則會失去他們的押金。
4:結論
“狀態通道”和Plasma，將增加平臺的吞吐量；Truebit，將更困難的計算作為智能合約的一部分，從而打開新的應用例子。
這三個示例僅代表了擴容方案的一小部分。
在以太坊上構建Layer 2，可以在訪問速度、安全性和成本之間達到平衡。對於高價值的交易，建議使用主鏈；對於交易數字收藏品，速度更重要，Plasma是不錯的方案。
（作者：幣圈鑑輕塵，內容來自鏈得得內容開放平臺“得得號”；本文僅代表作者觀點，不代表鏈得得官方立場）