以太坊的扩容问题迫在眉睫，而以太坊2.0分片规划开发缓慢，Layer2上的扩容解决方案在短期内最有可能改变以太坊的拥堵现状。以太坊中践行Layer2扩容的团队基于相同或不同的技术方案，例如Rollup和Plasma，进行相应的产品化落地。目前大部分产品还处于开发阶段，它们之间的格局将影响到以太坊生态的格局。本文根据Layer2开发团队对外披露的方案，对其实用性进行解读和评估，总结Layer2项目的发展趋势以及目前Layer2方案面临的问题。
如何理解Layer2方案以及竞争力
Layer2：底层与应用的中间商
Layer2解决方案的思路是将本应该在Layer1上运行的计算过程放到链下，将结果传回链上确认。无论是普通的转账，还是复杂的智能合约，都可以通过Layer2方案实现快速交易以节约Gas费。Layer2作为以太坊中的扩容工具，也是连接底层网络和上层应用的中间层。从这个角度看，人们对Layer2有两方面的要求：应用需要Layer2进行快速清算；主网和用户需要Layer2保证计算结果的正确性以及资金安全。
一般来说，例如Rollup和Plasma技术，是通过主链上的智能合约来实现Layer2层和主链之间的交流，用户通过与智能合约交互实现在Layer2层上的充值与提现，Layer2通过更新状态将结果传回主链上。但是状态更新不是自动进行的，需要指定负责人来执行，也就是Layer2的运营商。以Rollup为例，虽然任何人都可以进行Rollup的操作，但在链下进行计算和主链上更新需要花费资源，因此需要对运营商进行经济激励才能保证Rollup运行。尤其是对于需要欺诈证明和挑战期的方案来说，如果没有合适的激励方式，那么很难维持项目的可持续。Layer2上的交易费用由用户承担，运营商会收到这些奖励。侧链作为广义上的Layer2方式也是通过这种方式运行，侧链有独立的验证节点，用户在使用侧链或进行跨链时要向侧链的节点发出请求。Layer2是底层与网络应用之间的中间商，会因提供便利而收取费用。
Layer2方案竞争力的体现
换一个角度考虑，Layer2与底层网络和应用这两者的发展都相关，如果底层网络以太坊出现问题，导致无人使用也就无需Layer2扩容。如果Layer2上没有繁荣的应用生态，也不会有用户使用，那同样没有存在的必要。既涉及到应用又涉及到用户，这样来说，Layer2方案之间的竞争颇具公链竞争的态势。但不同的是，用户退出公链生态就几乎无法转移到其他生态中使用，除非卖出所有公链中所有资产，而Layer2上的用户可以自由在Layer2上进入和退出。如果Layer2上的应用不具有吸引力，用户可以随时转移到其他Layer2上的应用中。在现在的环境下，对于用户来说Layer2本身没有吸引力，使用Layer2关注的更多是上面的应用。所以对于Layer2要注重两个方面的体验，开发者的体验和用户的体验。
以太坊在开发者社区已经形成了护城河效应，因此对于Layer2来说，越接近以太坊的开发环境，就越能获得开发者的青睐。尤其是Layer2的很多目标应用都已经部署在主网上，如果需要开发者再针对Layer2环境进行开发，那么十分耗费时间精力。就像每一种新技术，Layer2方案也具有先发优势，尤其是以太坊用户都在期待Layer2网络上线，因此尽快地开发Layer2解决方案并部署热门应用是Layer2目前提高竞争力最有效的途径。
在提高用户体验方面，首先要做的是保护用户的资金安全。其次，要让用户无感地在主网和Layer2之间移动，如果其中操作繁琐，则会造成用户门槛进而影响使用人数。还有Layer2的立足之本，用户需要在Layer2达到比主网更流畅的用户体验，并且能有效节约Gas费。
综合来说，人们为使用Layer2付出的成本以及得到的便利的综合评估，就是各Layer2的竞争力。
Layer2解决方案及特点
Layer2的技术解决方案可以分为几种，例如状态通道、侧链、Plasma和Rollup等，同一种技术也会由不同的团队开发成不同的版本。下面是目前热门Layer2解决方案及特点。
OptimisticEthereum
OptimisticEthereum是由?Optimism?公司开发实现的基于OptimisticRollup技术的Layer2网络，计划主网于2021年7月上线。目前测试网上已经有Synthetix和Unipig两个应用的Demo版本，他们也将成为主网上线后的第一批应用。
OE上使用了自创的OVM虚拟机，相当于Layer2上EVM的代替版。由于执行环境不同这两者不完全相同，在主链上执行的智能合约需要转义成适用于OVM的操作码。在OE中，需要通过欺诈证明和挑战期来确定状态的正确性，其中涉及在Layer1上的多次交易，而且需要一定的时间。Layer2上状态的最终确认需要7天的时间，如果存在欺诈交易则会回滚。OE的安全性也来源于欺诈证明的保证，那些揭示错误交易并在OE上提交证明的用户会因此受到奖励。为了防止运营者无成本作恶，成为运营者需要在以太坊上存入诚信保证金。如果他们的欺诈行为被验证者发现，那运营者的保证金就会部分交给验证者，部分被销毁，这是出于运营者可以在验证者提出证明前抢跑的考虑。
由于欺诈证明的存在和挑战期的限制，用户提现时有一周的等待时间，这也是OE现在的弊端，可以通过流动性提供者的方案解决。如果OE中的一个验证者证明了用户的一笔交易是正确的，在规定时间后会真实提现，那么他就可以充当流动性提供者，提前将资金预支给用户，等待用户提现完成再偿还，以赚取挑战期内的利息。或者用户所需的应用都在OE上，用户也就无需提现到主链上。
在费用方面，用户在向OE智能合约转账和提现时需要消耗Gas费，在OE中进行交易时也许支付Gas费给运营者。OE中的Gas费计算方式与主网有所不同，例如在OE上的GasPrice是固定的常数，目前初始值为1Gwei，无需用户再进行设置。
ArbitrumRollup
ArbitrumRollup由?OffchainLabs?团队实现，同样基于OptimisticRollup技术，目前发布了测试网V4版本，这是未来主网的候选版本。Arbitrum在OffchainLabs的规划中除了Rollup之外，还有未上线的适用于其他应用的状态通道和侧链。目前ArbitrumRollup的测试网生态版图包括Bancor，Balancer，Bounce，MCDEX和Arbiswap等应用，也包括Chainlink和TheGraph这样的基础设施。
图1：Arbitrum架构
如上图所示，Arbitrum建立在以太坊之上，使用EthBridge维系Layer1和Layer2之间的连接，调用EthBridge合约可以实现主网与Arbitrum链的交互。AVMArchitecture之上是Arbitrum底层运行的虚拟机AVM，ArbOS完全在AVM中运行，负责管理和执行智能合约。最重要的是，ArbOS为智能合约提供了与EVM兼容的执行环境。左上方的用户在使用钱包或前端工具与Arbitrum进行交互时，无需使用新的工具，开发人员也无需进行额外开发，可以直接将现有的Solidity合约转移到Arbitrum中。
与OptimisticRollup的思路相同，ArbitrumRollup使用欺诈证明保证网络安全。相同的，Arbitrum中也会有专门的运营者和验证者，运营者需要缴纳押金防止作恶。专门的验证者对运营者错误行为进行监督，否则每个交易参与者都亲自验证监督的话，会影响用户体验。在进行争端仲裁时，Arbitrum会在链下对争议内容进行拆分，在确定了最小的争议范围之后再调用以太坊合约进行决策。因此在Layer1层面的验证上，Arbitrum的效率会更高。
在Arbitrum中，同样需要为使用虚拟机支付Gas，这体现为ArbGas，也是对Arbitrum运营者的经济补偿。ArbGas用于评估AVM中执行计算所花费的时间，1亿ArbGas大约等于2020年初OffchainLabs开发者电脑的1秒CPU时间。每条AVM指令的ArbGas成本是通过测量设置的，与以太坊中的Gas计算有所不同。目前在测试版本中，默认的费用设置为零。
zkSync
zkSync由MatterLabs开发实现，基于ZKRollup技术，通过密码学证明链上数据的真实性保证资产安全。运营者在上传数据时会附加有效性证明，主网可以在数据上传时即时验证信息，所以让Layer2达到和主网同等的安全性。目前zkSync的生态包括Curve、AAVE、Balancer、1inch等，已经上线了主网，2.0版本的主网预计在2021年8月上线。
zkSync以用户资金安全为首要目标，使用了加密技术PLONK和RedShift。其中RedShift是一种透明通用的SNARK，由纽约大学的Assimakis和MatterLabs的Konstantin、Alexander研究发现。在使用zkSync时，交易有两部分成本：1.Layer2上的状态储存和SNARK生成成本，这取决于硬件的使用；2.运营者支付将数据传回以太坊主网上的成本以及验证SNARK证明的成本，这取决于以太坊上的GasPrice价格。ZKRollup最大的阻碍就是与智能合约相关的有效性证明的验证成本过高，因此不适用于智能合约的场景。zkSync通过重新对智能合约编写让其适用在ZKRollup中使用。但需要开发者重新使用Zinc语言部署合约，这将是目前zkSync未来最重要的计划之一。
涉及zkSync中的交易转账时，用户可以使用转账的代币支付Gas费，没有必须使用ETH的要求。目前zkSync网络是由集中管理的方式运营，未来将引入多个角色让网络更分散，例如引入PoS共识机制等。为了维持运营者的收支平衡，zkSync中的费用会随着主网Gas费改变，但保证zkSync的使用费用始终比以太坊网络低，ETH转账低20倍以上，ERC20代币转账低100倍以上。未来zkSync还将推出自己的代币用于治理和抵押，并上线更手续费更低的平台zkPorter。
zkPorter将和zkSync2.0版本主网一同上线，zkPorter中的数据将被转移到链下，可以与zkSync账户无缝交互，其中账户的数据可得性将由守护者的zkSync代币持有者保障。守护者需要抵押zkSync代币并参与PoS，如果数据不可得，他们将失去抵押的资金。
StarkWare
StarkWare是基于ZKRollup技术实现的扩容方案，目前的客户有DeversiFi、iMMUTABLE，dYdX。不同于zkSync，StarkWare使用的是STARK技术，一种简洁全透明的零知识证明。Cairo是StarkWare推出的图灵完备使用STARK证明的平台，以上的应用也是基于Cairo搭建的。除此之外，StarkWare还推出了交易平台StarkEx。
StarkWare还开发了一种名为Validium的模式，在这种方案下，用户将交易数据发给委员会成员，他们的数据会被储存在链下，降低了ZKRollup中的资金的安全性，但由此效率会有所提高，更适用于高频的场景。
Polygon
Polygon是Matic网络的升级产品，与Matic成为两个不同的扩容解决方案。Matic使用了Plasma框架，来保证侧链的去中心化和安全性。Matic在Plasma链中应用了基于账户的模型，不同于其他Plasma中的UTXO系统，这让PlasmaMatic适用于以太坊系统，支持EVM。Plasma侧链使用PoS共识机制，质押Matic代币可以成为网络中的验证者。Polygon的独立侧链完全与以太坊适配，因此用户和开发者的学习成本为零，通过桥链接支持互操作性，侧链中有独立的验证者保证安全。Polygon目前上线了侧链和Plasma两个以太坊扩容方式，ZKRollup和OptimisticRollup产品在未来的规划中。这是为了实现不同用户的扩容需求，例如企业级应用、初创公司和专注网络安全的公司等。Aavegotchi、Easyfi、SportX、Aave等应用使用了Polygon的架构。
图2：Polygon中的固定链模式和独立链模式
xDai?Chain
xDaiChain是MakerDAO基金会推出的以太坊兼容侧链，以xDAI为网络交易的支付工具，xDAI与DAI同比例兑换。由于兼容EVM，以太坊中所有应用都可以直接迁移到侧链上。目前xDAI的生态应用有很多，包括1Hive，Honeyswap，PerpetualProtocol，Sushiswap，Unique.one等等。
xDai侧链使用了权益证明机制POSDAO进行记账和治理，采用了双层代币模型，除了xDai作为支付代币外，还发行了STAKE代币作为治理代币。目前的验证节点还是中心化的受信任的节点，未来会逐渐开放。在以太坊2.0节点，xDaiChain将成为一个分片或者Rollup加入到以太坊网路中。
其他类Layer2项目
除了专注以太坊Layer2领域的项目外，还有一些原本目标是高速可扩展的公链，但实际中与以太坊运行环境不断靠近让其逐渐有了Layer2项目的影子，如Harmony，CelerNetwork，BSC，Heco等。跨链协议Polkadot上的项目也在探索与以太坊上应用的适配，例如AcalaEVM成功部署了Uniswap合约并运行。
最典型的例子是BSC和Heco，这两者使用的虚拟机和以太坊相同，开发者可以直接将智能合约从以太坊上迁移过来。而且BSC和Heco在底层改变了公链的共识机制等参数，出块速度更快并实现了更大的承载量，用户可以在节约交易花费。如果其他公链在兼容性与以太坊相称的话，就可以被视为以太坊上的侧链，也就是广义上的Layer2。
Layer2的发展趋势及问题
Layer2的发展预期
各种Layer2方案层出不穷，我们在第一部分指出，Layer2的竞争力在于降低开发者难度以及提高用户体验，因此未来所有Layer2还将朝着这两个方向进行，例如OptimisticRollup类产品改善欺诈证明和挑战期的用户体验，ZKRollup对虚拟机和智能合约方面进行开发，让其更适用于目前的DeFi应用。侧链的实现虽然较为容易，但要提高资金安全和去中心化方面的保证。
Layer2层面上，很难在降低手续费、可扩展性、去中心化、数据可得性这几方面同时实现平衡。随着Layer2技术的不断发展，例如最新的Rollup技术，如果忽视挑战期或智能合约造成的不便，已经在去中心化和数据可能性方面实现了进步。然而为了追求更快的交易速度和降低手续费，比如zkPorter和Validium模式中，只能靠牺牲数据可得性来实现，不得不将数据转移到链下储存。不难理解，为了达成更高的效率，只能尽可能少地使用链上资源，也就是交给运营节点更多的权力，所以需要更完善的机制设计避免节点作恶。未来Layer2方案会在速度、费用、去中心化和数据可得性这几方面进行取舍，针对不同的场景会出现不同的解决方案。
对于Layer2的运营者或验证者来说，进行相关工作需要经济上的激励。对于大多数Layer2网络来说，发行代币也是未来趋势，主要用于治理或激励。但对于使用同一种技术的项目来说，例如OE和Arbitrum，经济激励的设计也是他们的竞争力之一。就像DeFi生态中的竞争，如果Layer2的对参与者的激励更多，那就会因此吸引更多的运营者和验证者来保证网络安全。
Layer2只是以太坊上的工具，更重要还是运行在Layer2上的应用。可以看出，与Layer2项目合作最多的是需要高频交易的DEX。随着DEX项目的升级，例如Uniswap的V3版本，在Layer2上运行的需求就更强烈。未来Layer2上的竞争也是Layer2上应用之间的竞争，因此对于Layer2来说争夺应用更为关键，尤其是需要高频交易的应用。
Layer2方案面临的问题
除了侧链网络，Rollup技术的Layer2解决方案的开发进度是低于预期的，因此难以判断上线之后是否能真正符合预期，开发难度是目前Layer2面临的问题。Layer2之间的互操作性也是目前Layer2方案面临的问题，不同的Layer2是由不同智能合约控制的，因此在相同Layer2中应用进行交互才能降低手续费。如果同一应用部署在不同的Layer2中，则会影响它的流动性。因此跨Layer2解决方案也是目前的研究方向。
思考与总结
上文是对目前以太坊Layer2中主流项目竞争格局和趋势的分析，Layer2作为连接以太坊底层和应用的中间层，也是以太坊主链上的扩容工具。最需要关注的就是为应用开发者和用户层面上的使用体验，尤其是对应用的争夺。由于在不同的Layer2会影响应用的交互性，形成Layer2层面上完整的生态是理想的状态。
虽然各Layer2方案都朝着提高可用性的方向发展，但最后不会出现统一的胜出者，这是因为在不同场景中会出现不同需求。例如在高频交易场景下人们会更对手续费更敏感，这就可以牺牲掉部分的数据可用性以经济机制来防止作恶。但在其他更需要安全性的场景下，就可以使用完全数据可用的方案。
为了维持Layer2方案的可持续性，处理运营者和用户之间的关系同样重要。如果对运营者的激励过少，那么可能没有足够的运营者和验证者维持网络的去中心化和安全。如果对用户收费过多，也可能造成用户和应用的流失。尤其是大部分Rollup方案都采用了与主网不同的Gas费收取方式，是否能实现运营者收支平衡还需上线后再做评估。
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