Layer 2

Layer 2

介绍

Layer 2，主要是指在构建在区块链之上的可扩展性、计算、存储方面的基础设施。我们习惯把 Layer 2 叫做链下，相应地， Layer 1 就是链上。跳出 Layer 1，也就跳出了 Layer 1 的单节点限制问题。本文讨论的就是 Layer2 可扩展性问题的解决方案。在 Layer 2 层，用类似于传统互联网的手段，通过网络将所有节点连接起来。任意节点之间都可以随时发起交易，没有了单个节点的性能限制，就可以通过增加节点和通道的方式不断扩展，达到光速。

前言

自区块链技术诞生以来，对其“性能”的诟病就从来没有停止过。虽然从技术上说，一个基于分布式对等网络架构的系统，与成熟的中心化技术相比，其“性能”方面有着天然的劣势，但业内人士对区块链“扩容”的研究和努力也从没有停止过。近两年，所谓的“区块链 Layer2 扩展”的提法已经逐渐在业内达成共识，并出现了一些有潜力的项目。本文就将为大家介绍一些与区块链“扩容”和“Layer2 扩展”相关的基础概念。

本文可以看作是对区块链的 Layer2 扩展的扫盲性介绍，不会涉及过多的技术细节；但我会假设读者已经知道比特币、以太坊是什么，区块链大概是什么，我们会基于这些最基础的知识来讨论扩容的问题。

如何评估区块链的“性能”

如果我们现在来问一个区块链爱好者或者从业者：你认为目前比较成熟的公链，比如比特币和以太坊在技术上面临的最大的问题是什么？我想大多数人的回答应该都是类似的：交易确认时间长（一个交易从发出到最终确认所经过的时间）、网络拥堵严重（如果同一个时间产生的交易太多，有些交易无法被马上处理）等等。这也就是通常意义上讲的所谓“性能”问题。

对于目前基于区块链架构的公链平台的所谓“性能”的评估，应该考虑两个方面。

被讨论最多的就是所谓的 TPS（Transactions Per Second），这个维度衡量的是区块链在单位时间内所能处理的交易数量；我们近几年最常提到的所谓“扩容”指的就是这个维度。

如果把以太坊比做“世界计算机”，那么目前，它只能用单核（单线程）来进行计算（同一时间只能有一个矿工来记账，或者说只有一个矿工记的账会被接受）；而所谓“扩容”可以想象为把这个“世界计算机”扩展为多核（多线程），使它在单位时间内可以同时运行多个任务（同时有多个矿工在记账，他们记的账都可以被接受），最终反映为 TPS 的提高。这也就是所谓的 Layer1 扩容。在以太坊里，指的就是现在已经合二为一的 Casper + Sharding（我之前曾发过一篇技术翻译稿来讲解 Sharding 的原理，有兴趣的读者可以自行参考，这里不再展开了）。

但是在实际应用中还有一个衡量性能的维度是不能忽视的，那就是“平均处理时间”。基于刚刚的比喻，在以太坊中，这个维度就相当于这台“世界计算机”的单核（单线程）处理能力。

什么是“区块链的 Layer2 扩展”

我们假设某个基于以太坊智能合约的业务流程需要 5 个步骤（交易）才能完成，也就是说，我大概有个智能合约，这个合约会有 6 个状态：初始状态，状态1，...，状态4，最终状态。那么要完成整个流程，就至少需要 5 个区块时间（从初始状态变为状态 1，需要交易 1 来完成，以次类推，则至少需要 5 个交易才能把状态变为最终状态）。

很显然，在这个例子里，区块链性能的瓶颈就变成了“区块时间”。（这是因为智能合约本质上就是一个可定制的状态机，如果它有 6 个单向变化的状态，那么必须经过 5 次变化才能达到最终状态，所以 5 个交易是必须的。）而区块时间是由公链协议所规定的，比如在比特币里是 10 分钟，在以太坊里现在大概是 16 秒，这是无法简单缩减的；整个流程的 5 个区块时间是最乐观的估计，也就是性能上限。那么我们如何缩短这个流程的执行时间、降低“平均处理时间”呢？

这就是所谓的区块链 Layer2 扩展要解决的问题。而答案就是—— off-chain（这个词的译法大概还没有共识，我这里姑且译为“脱链”，也就是不在主链上处理的意思）。

这种 off-chain 解决方案的思路是：我们可以把计算、交易等业务处理拿到主链之外来执行，只在主链上反映最终的结果，中间过程不在主链做记录。

这样，在上边例子里，我们要在主链上保存的状态就是初始状态和最终状态，中间过程的 4 个状态变动我们可以不关心，那对应的 4 个交易就可以拿到“链外”去执行；因为 off-chain 方案通常处理性能会非常高（后文中我会具体解释技术方案的原理），很有可能在主链的一个区块时间内就处理完这 4 个交易，并将结果发送回主链（即达到最终状态）；于是从结果来看，整个处理过程只经过了一个区块时间（也就是最终状态的确认交易）就完成了。

很明显，如果采用这样的方案，越复杂的流程得到的性能提升越大；比如一些有高交互性能需求的应用——游戏。另外对于支付的场景，因为相对高昂的交易手续费，那些高频的小额交易从经济上讲也显然成本过高。所以无论是支付还是合约的应用场景中，都有对 Layer2 扩展的强烈需求。

Layer2 扩展的技术方案

Off-chain 方案的总体思路是类似的：首先需要把主链上的部分“状态”拿到链外来，可以本地存储（基于某种客户端）或者临时存储；然后在链外做具体的操作，比如转账或者其他会影响“状态”的处理；当处理完成或者到达需要同步“状态”的时间点时，再把最终状态传回主链保存。

目前已经成体系的 off-chain 技术方案大概可以分为两大类：

• 状态通道（State Channel）：以比特币的 Lightning Network [1] 和以太坊的 Raiden Network [2] 为代表

• 侧链（Side-Chain）：以以太坊的 Plasma [3] 协议为代表

我们首先来看看“状态通道”。

状态通道是一个临时的点对点（交易的两个参与者间）价值转移通道：在开启时，通常会在主链上分别锁定一定的余额，并设定一个有效时间，并可以由任意参与方主动关闭，也就是参与方之间会基于特定的技术协议进行数据交互、价值转移（数字资产转移）；然后当可以接入网络、到达某个约定的时间点或者某方主动向主链同步数据时，会将最终结果提交到主链。