Layer 2与执行分片的核心技术差异解析

回望两年半前发表的《终局》一文，其中一个核心观点是区块链技术发展的不同路径在技术层面呈现出惊人的相似性。无论是哪种发展模式，最终都需要处理海量的链上交易，这对计算能力和数据带宽都提出了极高要求。以我正在使用的这台搭载2TB存储的笔记本电脑为例，即便运行着reth归档节点，也难以直接验证如此庞大的数据量和计算量，即便借助卓越的软件工程和Verkle树这样的技术突破也无济于事。

无论是”L1分片”还是以Rollup为中心的解决方案，都采用了ZK-SNARKs来验证计算，使用DAS来确保数据可用性。这两种技术方案在本质上并无二致，唯一的区别在于ZK-SNARKs的实现方式：一种是作为智能合约代码，另一种则是协议的内置特性。从这个角度看，以太坊正在进行的分片与Rollup本质上都是分片技术的不同表现形式。

这自然引出一个问题：这两种发展路径究竟有何本质区别？一个直观的答案是错误处理机制不同：在Rollup世界中，错误可能导致资产损失；而在分片链世界中，则可能引发共识失败。不过随着协议日趋成熟和形式化验证技术的进步，这类错误的影响将逐渐减弱。那么，这两种愿景之间有哪些差异会长期存在呢？

多元化的执行环境

2019年，以太坊社区曾探讨过执行环境的概念。这个构想旨在让以太坊拥有多个”区域”，每个区域可以采用不同的账户模型（包括完全不同的UTXO方案）、虚拟机架构等功能规则。这种设计为技术栈的不同层面提供了多样化实现的可能性，而这在以太坊独自承担所有功能的情况下是难以实现的。

虽然最终我们收敛于EVM，但以太坊的L2解决方案（包括Rollups、Valdiums和Plasmas）实际上扮演了执行环境的角色。目前业界主要关注与EVM兼容的L2，但这忽略了其他创新方案的存在：

• Arbitrum Stylus在EVM之外引入了基于WASM的第二个虚拟机
• Fuel采用了类似比特币但更完善的UTXO架构
• Aztec则开创了基于ZK-SNARK的隐私保护智能合约新范式

UTXO架构示例。来源：Fuel文档

虽然我们可以尝试将EVM打造成一个全能型超级虚拟机，但这样做的结果往往是每个概念都难以得到最优实现。相比之下，允许不同平台专注于特定领域反而能获得更好的效果。

安全性与效率的权衡

以太坊L1提供了极高的安全保障。一旦数据被写入最终确认的区块，整个共识机制（在极端情况下包括社会共识）将确保数据不会被篡改，相关执行不会被撤销，且数据将永久可访问。为了实现这些保证，以太坊L1愿意承担高昂的成本。目前来看，交易费用相对较低：L2每笔交易费用不足一分钱，即便在L1上，基础ETH转账也不到1美元。如果技术进步足够快，未来这些成本可能继续保持低位——但也可能不会。即便每笔交易只需0.01美元，对于社交媒体或游戏等非金融应用来说仍然过高。

但社交媒体和游戏并不需要L1级别的安全模型。如果有人愿意花费一百万美元来篡改国际象棋比赛记录，或者让你的推文看起来晚发布了三天，其实无伤大雅。因此，这类应用不应该承担相同的安全成本。以L2为中心的架构通过支持从rollups到plasma再到validiums的多种数据可用性方案，实现了安全性与成本的灵活配置。

不同类型的L2适用于不同场景。了解更多

另一个安全权衡出现在L2间资产转移问题上。从长远来看（未来5-10年），预计所有Rollup都将采用ZK Rollup技术，借助Binius和Circle STARKs等高效证明系统，以及lookups技术和证明聚合层，L2可以在每个时隙提供最终确认的状态根。但目前我们面临着乐观Rollup和ZK Rollup混合的复杂局面，各种证明时间窗口并存。如果2021年就实现了执行分片，那么保证分片诚实的安全模型将是乐观Rollup而非ZK——这意味着L1必须在链上管理系统性复杂的欺诈证明逻辑，并且分片间资产转移需要长达一周的提款期。不过与代码错误类似，我认为这个问题最终会随着时间解决。

第三个更持久的安全权衡维度是交易速度。以太坊坚持12秒的出块间隔，因为更快的出块速度会导致网络过于中心化。然而许多L2正在探索几百毫秒的区块时间。12秒其实已经不错了：平均而言，用户提交交易后只需等待6-7秒就能被打包进区块（不只是6秒，因为下一个区块可能不会包含该交易）。这与信用卡支付的等待时间相当。但许多应用需要更快的响应速度，而这正是L2能够提供的。

为了实现更快的交易速度，L2依赖于预确认机制：L2验证者会签署承诺在特定时间包含交易的数字签名，如果未能履约将受到惩罚。StakeSure机制进一步扩展了这一理念。

L2预确认机制

理论上，我们可以在L1层面实现所有这些功能。L1可以整合”快速预确认”和”慢速最终确认”系统，可以设置不同安全等级的分片。但这会给协议带来巨大复杂性。更重要的是，在L1实现这些功能可能会过载共识机制，因为许多提高规模或吞吐量的方法都存在更高的中心化风险，或需要更强的”治理”形式——如果在L1实现，这些要求将影响协议的其他部分。通过在L2层面提供这些权衡，以太坊基本上可以规避这些风险。

Layer 2的组织与文化优势

想象一个国家被一分为二，一半实行资本主义，另一半实行高度政府主导的经济（与现实中的情况不同，假设这个思想实验中分裂不是战争的结果，而是魔法边界突然出现）。在资本主义部分，所有餐馆都由各种去中心化所有权、连锁店和特许经营模式运营；在政府主导部分，所有餐馆都是政府分支机构，就像警察局一样。第一天，差异可能不明显，人们基本保持原有习惯。但一年后，激励和控制结构的差异将导致行为发生巨大变化，影响到人员流动、建设重点和维护方式。

产业组织理论阐述了这些差异：不仅比较政府主导与资本主义经济，还分析大型特许经营与独立小超市主导经济的区别。我认为以太坊生态系统中以L1为中心和以L2为中心的区别也遵循类似逻辑。

“核心开发者主导一切”的架构存在严重问题

将以太坊作为以L2为中心的生态系统的关键优势表述如下：

在以L2为中心的以太坊生态中，你可以自由构建具有独特特性的子生态系统，同时仍然是整个以太坊网络的一部分。

如果只是构建以太坊客户端，虽然也是以太坊的一部分，但创新空间远不及L2。如果构建完全独立的链，虽然拥有最大创新自由，却会失去共享安全和网络效应等优势。L2恰好提供了理想的折中方案。

L2不仅创造了尝试新执行环境和安全权衡的技术机会，以实现规模、灵活性和速度；更重要的是，它们激励开发者构建和维护创新方案，并促进社区形成和支持。

每个L2的独立性也意味着新方法的部署是无须许可的：不需要说服所有核心开发者你的新方案对整个链是”安全”的。如果你的L2失败了，责任自负。任何人都可以研究完全另类的想法（比如Intmax的Plasma方案），即使被以太坊核心开发者完全忽视，他们仍可以继续开发并最终部署。这与L1的功能和预编译形成鲜明对比——在以太坊中，L1开发的成功与否往往更多地取决于政治因素而非技术优劣。无论理论上能构建什么，以L1为中心和以L2为中心的生态系统创造的激励差异，将深刻影响实际构建的内容、质量和顺序。

以太坊以Layer 2为中心的生态系统面临哪些挑战？

以L1和L2为中心的架构面临严重问题。来源

这种以L2为中心的方法面临一个关键挑战，而这在以L1为中心的生态系统中几乎不存在：协调问题。换句话说，尽管以太坊分片化，但挑战在于保持它仍然感觉像”以太坊”，并保持作为以太坊而非N个独立链的网络效应。目前，许多方面都不理想：

• 跨L2代币转移通常需要中心化桥接平台，对普通用户来说非常复杂。如果在Optimism上有代币，无法简单地将某人的Arbitrum地址粘贴到钱包中直接发送
• 跨链智能合约钱包支持不足——包括个人智能合约钱包和组织钱包（如DAO）。如果在某个L2上更改密钥，还需要修改其他每个L2上的密钥
• 去中心化验证基础设施普遍缺乏。以太坊终于开始拥有像Helios这样的轻客户端。但如果所有活动都发生在需要自己中心化RPC的L2上，这就失去了意义。原则上，有了以太坊头部链后，为L2构建轻客户端并不难；但实际上重视程度远远不够

目前有一些努力正在改善这三个问题。对于跨链代币交换，ERC-7683标准正在兴起，与现有”中心化桥接”不同，它没有任何确定的中心化运营商、代币或治理。对于跨链账户，大多数钱包采取的方法是短期内使用跨链可重放消息更新密钥，长期则采用密钥存储rollups。针对L2的轻客户端开始出现，如Starknet的Beerus。此外，新一代钱包的用户体验改进已经解决了更基本的问题，比如消除了用户手动切换网络以访问dapp的需求。

Rabby展示了跨多链集成的资产余额视图。不久前的黑暗时代，钱包还没有这种功能！

但必须认识到，当试图进行协调时，以L2为中心的生态系统确实在逆流而行。单个L2没有天然的经济激励来建设协调基础设施：小型L2不会，因为他们只能获得所贡献价值的一小部分；大型L2也不会，因为他们从加强自身本地网络效应中获益更多。如果每个L2都只优化自己的部分，而无人考虑各部分如何融入整体，我们就会得到像前文描绘的那种城市主义的失败案例。

我并不声称对这个问题有完美解决方案。最好的建议是，生态系统需要更充分地认识到跨L2基础设施是以太坊基础设施的重要组成部分，与L1客户端、开发工具和编程语言同等重要，应该获得相应的价值和资金支持。我们有协议公会；或许我们还需要基础设施公会。

结论

“Layer 2″和”分片”经常被描述为区块链扩展的两种对立策略。但观察底层技术会发现一个谜题：实际的扩展方法完全相同。都有某种数据分片，都有欺诈证明或ZK-SNARK证明，都有跨{Rollup，分片}通信的解决方案。主要区别在于：谁负责构建和更新这些组件，以及他们拥有多少自主权？

以L2为中心的生态系统在技术上是真正的分片，但这是你可以创建自己的分片并制定规则的分片。这种模式极具力量，能激发大量创造力和独立创新。但它也面临关键挑战，特别是在协调方面。对于像以太坊这样以L2为中心的生态系统要取得成功，必须认清这些挑战，并积极应对，尽可能获得以L1为中心的生态系统的好处，力求兼