Layer 2 技術和分片（Sharding）

更新於 2024/12/22發佈於 2024/12/22閱讀時間約 7 分鐘

投資理財內容聲明

Bing

Layer 2 技術和分片（Sharding）是以太坊為了解決區塊鏈性能瓶頸而引入的重要技術。

Layer 2 技術

Layer 2 技術是運行在以太坊主網（Layer 1）之上的解決方案，旨在提高交易速度並降低交易成本，而不犧牲安全性。Layer 2 將大量的計算或交易負載轉移到主鏈以外的區域執行，僅在需要時與主網同步。

Layer 2 是一種「外包」概念，將主網的部分工作負載分散出去，但最終結果仍受到以太坊主網的保護和驗證。常見的 Layer 2 技術包括：

Rollups（交易打包）

Rollups 是目前 Layer 2 最流行的技術之一，核心概念是將多筆交易合併（打包）成一個批次處理，大幅減少交易占用的主網資源，僅提交交易結果和部分重要數據到主網進行驗證。

簡化理解：想像一間餐廳每天處理上百張顧客的點餐單（交易）：
傳統方式是把每一張點餐單都交給後廚處理，流程繁瑣且容易造成堵塞（就像以太坊主網驗證每筆交易）。
使用 Rollups 的餐廳管理方式是，把整天的訂單合併成一份「今日總單」，直接交給後廚清算，並附上驗證的收據，確保所有訂單真實無誤。

主要分為 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups：

- 工作方式：默認假設交易是合法的（optimistic），不逐筆驗證交易，但允許用戶在必要時發起爭議以糾正錯誤交易。
- 適用場景：一般應用，例如去中心化交易所。
- 缺點：有可能引入「爭議期」（幾天），可能影響資金流動性。
- 範例：可以理解為車輛通過 ETC 車道時，系統假設所有車輛都是誠實付費，僅在出現爭議（有人逃費）時回溯交易。

- 工作方式：交易批量打包並生成零知識證明（ZKP），直接證明交易的正確性，將其提交到以太坊主鏈驗證。
- - 零知識證明是一種加密技術，允許「證明者」向「驗證者」證明某件事情是真實的，而無需透露具體內容或數據本身。
- 優勢：效率更高，交易驗證快，無需爭議期。
- 缺點：實現複雜度較高。
- 範例：可以理解為車輛通過 ETC 車道時，即刻使用加密技術核驗信息，確保交易正確無誤，無需等待回溯或確認。

State Channels（狀態通道）

核心概念：開啟一條私密「溝通通道」，在通道內完成多筆交易，僅在交易完成時將最終結果提交到主網。

簡化理解：兩位朋友約好 AA 制吃飯，每次消費會記錄在小本子上：
他們不會每次買東西都直接去銀行做轉帳，而是累積記錄幾次開銷（交易）後，再把總帳目結算並轉給銀行（上鏈記錄）。
只有這最後的結果（例如，誰該多付 500 塊）才會與銀行確認，其餘交易細節保留在他們自己之間。

Plasma

核心概念：建立「迷你區塊鏈」子系統來處理交易，主鏈（以太坊）作為仲裁機構，子鏈的交易僅在需要時回報主網。

簡化理解：想像一個總公司（主網）下設有許多分公司（子鏈）：
每家分公司可以自己處理日常業務（本地交易），只有發生重要事件或爭議時才需要上報總公司審核。
總公司對分公司有最終的決定權（確保安全性）。

主網（Layer 1）：傳統收費站
- 傳統收費站要求每輛車必須停下來，逐一驗證支付（交易），耗時費力，造成車流擁堵。
- 在以太坊 Layer 1 上，每筆交易都需要由所有節點進行驗證並記錄，因此速度慢且費用高。
Layer 2：ETC電子收費通道
- ETC 車道允許車輛快速通過，只需提前綁定支付系統（交易打包在 Layer 2 上執行）。
- 雖然實際的款項結算稍後才與銀行系統核對（與主鏈同步），但車輛的流通性（交易速度）得到了極大提升。

目前，Arbitrum 和 Optimism 是 Layer 2 的代表性實踐。

分片技術是提升以太坊網絡性能的另一種重要方式，它與 Layer 2 是互補的，不直接競爭。

分片（Sharding）的核心思想是將以太坊主網的工作分解成多個獨立小網路（即分片），每個分片可以獨立處理自己的交易與數據。這樣可以減少單個節點需要處理的工作量，讓整個網絡處理能力更快。

現狀問題：以太坊主網的單鏈架構

當前以太坊的所有節點都需要處理網絡中的每一筆交易，這會導致：

分片的作用就是通過分而治之，讓交易與數據的負擔均攤到每個分片，從而大幅提高整體效率。

以太坊未來的分片架構計劃包含 64 條分片，分片之間分擔網絡負載，同時仍然通過 Beacon Chain（信標鏈，作為主鏈）保持同步。

每個分片只處理自己的交易和智能合約執行：
想像一個企業分成 64 個小組，每個小組負責處理自己的一部分工作（如客戶A或B的需求），小組之間可以互通，但主要聚焦自己的目標。
數據可共享：
分片可以把部分數據共享給其他分片，用於跨分片交易和應用。

分片可以比喻成超市的結賬櫃台：

Layer 2 就像高速公路加裝電子收費通道（ETC）：
車輛不再需要停下來過收費站，而是使用電子收費通道（ETC）先通行，之後才把總費用統一清算到高速公路的主系統上。車輛依然是跑在同一條高速公路的附加系統上（Layer 2 和主鏈緊密相關），只是因為快速驗證降低了擁堵，整體交通更高效。
分片（Sharding）就像建造更多條高速公路，讓每個車道分擔不同方向的交通：
假設只有一條高速公路，已經嚴重超載，光靠加建 ETC 車道（Layer 2）已經無法徹底解決擁堵問題。因此建造多條高速公路，根據目的地分流車輛，徹底降低主幹道的壓力。各條高速公路專門處理特定的交通流量（數據分片），車輛（交易）會根據自己的路徑被分派到特定高速，讓交通效率提升數倍。同時，所有高速公路仍然聯繫在一起（共享數據安全性）。