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加密货币和区块链的普及程度呈指数级增长，显著增加了用户和交易数量。这给区块链网络运营带来了基础设施瓶颈。为了实现主流应用，业界需要寻找解决方案来解决其可扩展性问题，以迎合用户、交易和数据数量不断增长的需求。
业内采用的两个主要解决方案包括 Layer 1 和 Layer 2：
第 1 层：底层区块链架构
第 1 层扩展解决方案：对第 1 层进行基本调整
第 2 层：第 1 层网络之上的第三方集成
第 2 层扩容解决方案：无需对其代码或架构进行任何根本性更改，即可提高 Layer 1 平台的速度
在本文中，我们将探讨区块链 Trilemma、Layer 1 和 Layer 2，以及如何帮助区块链实现可扩展性。
术语区块链 Trilemma 是指区块链同时实现以下三个特征的难题：
去中心化：在整个网络中分配计算能力/共识
安全：防范恶意行为者和网络攻击
可扩展性：区块链支持高交易吞吐量的能力
有人认为，任何系统都只能实现三个特征中的两个，迫使它放弃一个。
区块链 Trilemma 示例
通常情况下，区块链与区块链三联体相抗衡。下面我们来看几个突出的例子。
以太坊是去中心化且高度安全的，拥有约 561，000 名验证者。几乎不可能攻击以太坊的区块链，因为攻击者需要超过 51% 的验证者才能破坏网络。然而，这与可扩展性的权衡有关，这就是为什么以太坊的网络费用在高活动期间会发生火箭效应的原因。
与以太坊相比，BNB Chain 最多仅允许 21 名验证者。因此，很明显，BNB 链并未去中心化。然而，这使其能够实现高度的安全性和可扩展性。
“可扩展性”一词的定义因专家而异。然而，区块链可扩展性的核心是指系统能够为每个用户提供丰富的体验，无论用户在任何给定时间的总数量如何。
吞吐量是指系统每秒处理的交易次数。尽管 Visa 等公司/支付渠道通过 VisaNet 电子支付网络处理近 20，000 TPS，但比特币主链只能实现 3 至 7 TPS。
容量差异可能令人震惊，但背后有一个简单的解释。比特币采用去中心化系统，而 VisaNet 在中心化系统上运行。前者利用更多的处理能力和时间来保护用户的隐私。每笔数据交易都必须经过多个步骤，包括接受、挖矿、分配和节点网络验证。
随着加密货币有望成为商业世界的势在必行的力量，区块链开发者正在努力扩大区块链处理的范围。通过创建区块链层并优化 Layer 2 扩展，他们希望加快处理速度并增加 TPS 数量。
以太坊为例。在区块链技术中，共识机制是一种容错系统，允许在分布式节点中达成单个网络状态的协议。这些协议确保所有节点在交易上达成一致并同步。这使得以太坊链难以覆盖或攻击。
由于以太坊的稳定性和安全性，ICO热潮开始了，导致个人在区块链上创建加密货币和去中心化应用程序（DApp）。因此，用户涌入，以太坊的交易数量有所增加。随着系统堵塞，以太坊网络上交易处理方的交易费或矿工费也随之增加。
当区块链网络堵塞时，待处理交易最终会进入内存池，需要更多时间进行处理。为解决这一问题，矿工开始优先考虑矿价较高的交易，以便进行确认。这进一步提高了交易所需的最低成本。
价格上涨的周期将达到矿工费飙升的地步，让每个人的情况都变得更糟。第 2 层扩展旨在为这一问题提供解决方案，降低交易成本。
第 1 层是构建其他区块链和 DApp 的主要区块链网络。他们能够支持在区块链上进行的交易和运营。为了提高可扩展性，Layer 1 必须直接更改区块链的代码或架构。例如，提高区块确认速度或提高区块的含数据容量。
以太坊、币安智能链和 Solana 是最著名的 Layer 1。
下面我们来了解一下第 1 层扩展解决方案。
不同的区块链采用不同的共识机制。
比特币等区块链利用工作证明 （PoW）。尽管 PoW 系统高度安全，但速度可能很慢。这是因为它需要强大的计算能力来解决加密算法问题。以太坊始于 PoW 共识机制，当大量用户加入以太坊网络时，导致严重的网络拥堵。
此后，以太坊通过合并转而使用质押证明 （PoS） 共识机制，现在通过网络共识处理和验证新区块。该切换使以太坊能够将速度从每秒 10-20 次交易 （TPS） 更改为超过 20，000 TPS。在保持去中心化和安全性的同时，我们实现了这一目标。
区块链开发团队通常会推出第 1 层扩展解决方案。划转链意味着升级或调整区块链。分叉有两种类型：软分叉和硬分叉。
软叉是与现有区块链兼容的架构变化。另一方面，硬分叉是区块链架构的改变，与现有架构截然不同。
比特币网络的 SegWit 软叉就是一个软叉的例子，它将网络性能从每块约 1，600 笔提升到 3，000 笔。
而对区块链进行更大的修改，例如将比特币的区块大小增加到8MB，则需要一个硬分叉。这将创建两个版本的比特币，一个是更新后的，一个是旧网络。
分片是将大型交易集划分为称为“分片”的较小数据集的扩展技术之一。该网络并行处理这些网络分片，支持在几笔交易中进行顺序工作，而不是让每笔交易都进行网络流程。这是一种更快、更有效的机制。
此外，每个网络节点都分配给某个分片，而不是保留区块链的全部副本。单个分片利用跨分片通信协议交换地址、余额和一般状态，同时为主链提供证明。
集成分片的区块链示例包括 Ziliqa 和 Tezos。
但需要注意的是，分片是实验性的，没有 Layer 1 成功实施。
第 2 层通过运行区块链协议来提高区块链协议的可扩展性和效率。它将使用外部并行网络实现远离 Layer 1 的交易。
为了完成交易结果，Layer 2 从主链中提取交易组合，代其处理，然后将交易组合回 Layer 1。通过将大部分数据处理抽象为辅助架构，Layer 1 区块链变得不那么拥挤，最终更具可扩展性。
第 2 层的主要示例包括 Polygon、Optimism、Arbitrum、zkSync 和比特币闪电网络。
下面介绍了 Layer 2 扩展解决方案。
嵌套是 Layer 2 扩展解决方案之一，区块链协议可存储内部或顶部的其他区块链。嵌套区块链架构通常涉及主区块链，该主区块链为更广泛的网络设置规则和参数，而执行则是在辅链的互联网络上进行的。
嵌套链由父链和子链组成。父链将委托给子链执行交易。交易将由子链执行，子链随后会将结果告知父链。交易完成后，父链将为 Layer 1 提供结果。
除非需要解决争议，否则底层基础区块链不参与嵌套链的网络操作。因为每个人都在携手合作，所以这是最棒的扩展方法之一，而且速度更快。这一范式中的分工减少了主链上的处理负载，极大地提高了可扩展性。
OMG 等离子项目就是一个例子，该项目是以太坊的第 2 层区块链，可确保更便宜、更快捷的交易。
区块链与链外交易渠道之间的双向通信可通过状态渠道促进。状态通道本质上是一种与网络相邻的资源，它使用多西格码或智能合约机制执行活动，而无需由第 1 层的节点进行验证。
无需将交易数据提交至 Layer 1，即可执行交易。交易完成后，通道的最终状态将发送至第 1 层进行验证。该机制可提高交易速度，提高网络的整体吞吐量。 州频道拥有无与伦比的速度和隐私。无需通过矿工等第三方进行路由，国家渠道是现有最佳扩容解决方案之一。
以太坊上的 Raiden Network 和比特币上的 Lightning Network 都是国家频道的示例。这两种通道均使用哈希时锁合约 （HTLC） 执行的状态通道。虽然闪电网络允许用户在短时间内完成大量微交易，但Raiden还将允许用户通过其渠道运行智能合约。
像闪电网络这样的国家频道也完全安全，因为只有参与者知道这些交易。另一方面，以太坊 Layer 1 区块链将所有交易记录在可公开审计的分类账中。
大型批量交易通常使用侧链，侧链是独特的区块链网络，具有自己的验证器（和共识机制），与 Layer 1 共存，以提高其速度和可扩展性。
采用侧链设计，Layer 1 的主要职责是维护一般安全性、验证批量交易记录并解决冲突。侧链完成主链交易处理后，资产将被锁定。此外，大多数侧链都有联合会或其他独立的第三方，他们会仔细检查主网与侧链之间的活动是否存在任何违规行为。智能合约或一群人类可以组成联合会。
侧链和状态通道之间有两个主要区别：
在侧链上进行的交易并非参与者之间的私人交易，而是在账本上公开交易。
主链和其他侧链不受侧链安全漏洞影响。
在区块链环境中越来越受欢迎的一种扩展方法是上卷。在汇总中，来自 Layer 1 的交易组被捆绑起来，在链下处理，然后加载回主链。
因此，第 1 层无需独立处理所有事务。Rollup 使以太坊等 Layer 1 网络更具可扩展性。汇总的运作方式也有所不同。其他人则采用乐观的态度，而有些人则采用零知识程序。
卷积有两种类型：
汇总有助于提高交易吞吐量、公开参与并降低用户的矿工费。
区块链分层具有诸多优势。例如，Layer 1 解决方案的主要优势在于，开发人员无需在现有架构中添加任何内容，因为基层会发生变化。
同时，Layer 2 扩展解决方案不会篡改基层协议。此外，这些解决方案支持多种微交易，无需用户支付高额手续费，也无需浪费时间进行矿工认证。
然而，这两个区块链层都有需要考虑的局限性。
区块链层的主要问题是将其添加到现有协议中。比特币和以太坊都有数十亿的市值。用户每天交易数百万美元。因此，通过不必要的编码和实验使这一过程复杂化是没有意义的，因为这需要大量的资金。
可扩展性是目前区块链行业无法大规模采用加密货币的原因之一。随着加密货币需求的增加，区块链协议的扩展压力也将增加。由于两个区块链层都有一定的局限性，因此未来的解决方案将是构建一个能够解决可扩展性问题的协议。
关于上述瓶颈，有两种选择可供选择：1） 减少结垢问题，或 2） 寻找可行的替代方案。区块链开发者正在选择前者，转向以太坊的 Layer 2 扩展。
在发布时，区块链系统仍在开发中。未来最迫切的问题是区块链层和 Layer2 扩展是暂时的还是永久的。
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