什么是layer2?从状态通道到RollUp
以太坊区块链日趋广泛使用，但是协议的负载量却十分有限，使得链上十分拥堵，而且手续费越来越高，许多大规模应用无法在以太坊网络实现，十分不利于以太坊区块链的生态发展。在这种情况下出现了Layer2方案。
Layer2是一个为提升以太坊网络性能的整体解决方案。Layer1来保证安全和去中心化，做到全球共识，通过智能合约设计的规则进行仲裁，以经济激励的形式将信任传递到Layer2。Layer2解决方案的核心思路是让多个参与方通过某种方式实现安全交易，无需将交易发布在主链上，不过在某种程度上还是要依赖于主链作为仲裁方来确保其安全性。
Layer2方案中讨论的最多的就是状态通道和RollUp。
状态通道
状态通道是Layer2的入门级方案，状态通道是交易双方在链下构建一个通道，通过私钥签名以后，在链下进行交易。状态通道是一种扩容的手段。
状态通道也称为支付通道，支付通道是如今最广泛采用的Layer2方案。例如，闪电网络就是建立在支付通道技术上的。
如何使用支付通道？
比如建立价值为100美元的以太坊支付通道，首先进行资金锁定，一旦锁定完成，交易者双方可互相发送形式为的状态更新来实现转账，无需与主链进行交互，只要双方的余额都还为正值即可。一旦有一方想要停止使用支付通道，可以执行“退出”操作：将最后的状态更新提交至主链，结算下来的余额会退给发起支付通道的两方。主链可以通过核实签名和最后结余来验证状态更新的有效性，从而防止交易双方使用无效状态来退出支付通道,保证退出机制的安全性。
状态通道的缺点
1.“退出”模式存在一个问题，即主链无法验证支付通道是否提交了全部交易，也就是说，在提交了状态更新之后是否不再出现新的状态更新。
目前这个问题的解决方案是为交易双方提供了一个“挑战期”。这个挑战期就导致一个缺点：交易双方可能得等待比较长的一段时间，通常是24小时，才能退出，而且需要频繁监控主链以确保他们的交易对手方没有使用过去的某个状态退出。
2.状态通道的第二个缺点就是低资金利用率。由于资金流动性无法扩容，当众多资金锁在一个状态通道里，只能用状态通道转发的话，这个效率是非常低下。
侧链
侧链的核心思路是构建一条完全独立的区块链，有自己的验证者和运营者，可以与主链互相转移资产，而且会选择性地将区块头的快照发送至主链，从而防止分叉产生。有了这些快照，就可以有效防止分叉，即便侧链上的验证者串谋起来发动分叉攻击也没用。
从上图可以看出，侧链会生成区块并将它们的快照发送至主链。所谓的快照就是存储于主链上的区块哈希。侧链上的分叉选择规则是，合法的链必须构建在最近一个进行过快照的区块之上。在上图所示情况下，区块A的快照已经发送至主链，即使侧链上的验证者勾结起来，试图在区块A生成之后生成一条更长的A’<-B’<-C’链来发动双花攻击，侧链上的参与者也会忽略这条更长的链。
侧链的缺点
安全性弱。虽然侧链可以利用主链的安全性来防止分叉，但是验证者依然可以通过串谋来发动另一种叫做无效状态转换的攻击。这种攻击背后的思路是，主链本来就不可能验证侧链上的所有区块。因此，如果有超过50%或66%的验证者串谋的话，他们可以创建一个完全无效的区块，窃取其他参与者的资产，并将这个区块的快照发送至主链，发起并完成一个“退出”交易，就可以成功偷走这些资产。
等离子体Plasma
Plasma是一种可以实现“无监管”侧链的技术，换言之，即使侧链上所有验证者串谋起来作恶，plasma链上的资产也是安全的，而且可以退回主链。
最简单的plasma设计通常被称为PlasmaCash，只支持简单的非同质化代币，而且每个交易转移的资产只能是一个特定的常量。PlasmaCash的运行方式如下图所示：
等离子体的结构是通过使用智能合约和默克尔树建立的，可以创建无限数量的子链-基本上都是父链以太坊区块链的较小复制。在每个子链的顶部，可以创建更多的链，这就是它被称作树状结构的原因。Plasma最大的优点是存储在plasma链上的代币安全性很高。
等离子体Plasma的缺点
在转移代币之时必须提供该代币的完整历史，另外就是退出机制非常复杂。而且无法应用到智能合约上，用户跑节点的负担重。
RollUp
Rollups是目前最为主流的扩容方案，其本质是将原本分布在区块中的大量交易数据，打包成一笔集合的交易，发布到链上。RollUp实际上是一条侧链，因此它会生成区块，并且将这些区块的快照发送到主链上。不过，RollUp上的运营者是无需信任的。也就是说，RollUp假定运营者可以在任何时候做出停止出块、生成无效块、隐瞒数据等恶意行为。
上面说到侧链有状态有效性的问题，RollUp为了避免这个问题，运营者要对某个区块进行快照之时，都要提供一个SNARK，证明链已经使用相关的一组交易执行了有效的状态转换。以下图为例：
RollUp链上有三个区块：A、B和C。它们的快照分别对应主链上的区块X、Y和Z。每到一个时间点，主链只需要存储RollUp链上最新状态的默克尔根。在区块A进行快照之时，发送到主链上的交易包括：
1.新状态S2的默克尔根h(S2)。
2.S2的完整状态数据，或区块中的所有交易。
3.一个zk-SNARK，证明在从状态哈希h(S1)到状态哈希h(S2)之间的所有交易都是有效的，并且这些交易都与中提供的数据相匹配。
Rollups有两种类型：ZKRollups和OptimisticRollups。
ZKrollups
ZKrollups是指通过智能合约将数百个链下交易打包到一个单独的交易中，数据提交以后，智能合约可以确认全部的交易，这也被称为有效性证明。由于区块包含的数据更少，因此验证速度更快，验证成本更低。但ZKrollups无法支持智能合约。
zkRollup是一种新型的Layer2扩容方案，主要用于去中心化交易所。该技术的核心思想是：
l将主链作为存储媒介，而非共识引擎；
l将交易压缩，并在链下达成状态共识；
l用零知识证明保证链下状态共识的安全性。
OptimisticRollup
OptimisticRollup是一种在layer2上使用OVM扩展以太坊通用智能合约的技术。OVM的功能很齐全，可以与以太坊虚拟机兼容执行环境，其主要用于第2层系统。它的外观，感觉和行为非常类似于以太坊主链。OptimisticRollup的构造大量借鉴了Plasma和ZKRollup设计。但某种程度的在扩展性上进行了权衡，以允许在受Layer1保护的Layer2中运行完全通用的智能合约。
OptimisticRollup继承自Plasma的「欺诈证明」，默认「乐观地」相信节点会将最新且准确的数据发布到主链上，所以从安全性来说，会略低于主网。虽然本金丧失风险很低，但可能会付出时间成本。
该技术的核心思想是：
l默认交易速度为100TPS。
l使用BLS签名聚合时，此数字最多可以达到500TPS。
l如果EVM兼容性受到破坏，则吞吐量理论上可能会增长到ZKRollup的极限。
l实际吞吐量上限：500TPS。
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