对以太坊来说，2018年是专注于基础设施的一年。这一年里，大家对网络局限性进行了测试，重新把精力集中到扩容技术上。
以太坊还处于婴儿时期。今天，它还不够健全，也不具备可扩展性。任何了解这项技术的人，都清楚知道这一点。但在过去的一年里，由投机驱动的炒作，过分夸大了区块链的能力。以太坊距离Web 3.0（一个安全、易于使用的分布式网络，受一套共识机制约束，并为数十亿人使用）仍遥不可及，在关键基础设施完善之前，都不会实现。
构建这一基础设施、扩展以太坊功能的项目，都被称作扩容方案。它们有许多不同的形式，而且往往都是相互兼容或互补的。
本文中，我将深入探讨其中一种扩容方案：“链下”或者“Layer2”扩容，希望能让你对Layer 2的工作原理有个全面而详细的理解。
“扩容”不是单一的、具体的问题，它是以太坊在服务全球几十亿用户之前，必须要解决的问题。
首先，是交易吞吐量方面。目前，以太坊每秒可以处理15笔交易，相比之下，Visa处理速度可以达到45000笔/秒。
像以太坊这样的公有链，要求网络中每一个节点参与处理每一笔交易，其主要局限也正在于此。以太坊上的每个操作都必须由网络中的每个节点一起执行，保证了公有链的足够权威。
这就限制了以太坊的交易吞吐量：它不能高于单个节点处理数据的速度。
如果我们将区块大小加倍，这将意味着在相同出块时间内，每个节点的工作量大约是现在工作量的两倍。但这是以牺牲去中心化为代价的：需要节点做更多的工作，那么较弱的节点可能会退出网络，挖矿权利将集中到强大的矿场手中。
我们需要一种方案：既能不增加单个节点的负荷，又能处理更多交易。
从理论上讲，我们可以采取两种方法来解决这个问题：
1、如果每个节点不必并行处理每个操作呢？
如果我们可以构建一个区块链，链内节点不必参与处理每笔交易，网络被分成两个部分，可以半独立地运作呢？
被分开后，A区可以处理一批交易，B区也可以处理一部分，这可以把区块链交易吞吐量提高一倍。如果我们把区块链分成许许多多不同区域，那吞吐量会提高许多倍。
这就是“分片（Sharding）”背后的理念，由以太坊V神和其他科研人员提出。一个区块链被分成许多不同的“片”，每个“片”都可以独立处理交易。分片一般是指“Layer 1”的扩容方案，因为它是在以太坊的基层协议上实现的。
2、如果为以太坊建立协议层网络呢？
第二种选择和第一种恰恰相反：与其增加以太坊自身的能力，不如在其基础之上采取措施。在以太坊区块链基本层的吞吐量不变的情况下，能执行更多的操作，比如交易、状态更新或简单的计算。
这就是“链下”技术背后的原理，包括状态通道、Plasma、Truebit等。虽然每一种技术旨在解决不同问题，但它们都需要在保证安全性的前提下，进行“链下”操作。
这也被称作“Layer 2”，因为它建立在以太坊主链之上，不需要在基础层上进行改变，相反，它只作为与链下软件交互的智能合约存在。
在细说Layer 2的解决方案之前，我们先来了解一下其背后的原理。
公有链的权威来源于共识。通过激励措施，并将其与密码学结合，从系统内部达成共识。
数字经济共识给了我们确定性——除非像51%攻击这样极端事件，否则所有的操作（包括支付、智能合约）都将按之前设计好的程序执行。
Layer 2背后的原理是，我们可以将这个确定性作为一个锚，在此基础之上附加其他机制。Layer 2可以将公有链的效用扩展到链外，让我们在链外交互成为可能，这些交互在需要的时候仍然可以返回到主链。
因为这些层建立在以太坊主链之上，所以它并不能像主链上操作一样安全，但仍然可以确保它们安全实用，特别是只需要牺牲一点操作权限，就可以提高运作效率，降低手续费用。
下面是正在尝试应用的技术介绍：
1、状态通道（State Channels）
状态通道，指的是“链下”处理交易和其他操作的一种技术，有很高的安全性：如果出了什么问题，我们仍然可以选择回到链上交易。
很多读者都知道支付通道，这个已经出现许多年了，最近也在通过闪电网络（Lightning Network）在比特币上实施。状态通道是比支付通道更为普遍的形式——不仅可以处理支付，也可以处理区块链的“状态更新”，比如智能合约的更改。
2015年，Jeff Coleman首先提出了状态通道。我们先来看一个例子，以便更好地解释状态通道的工作方法。
想象一下，张三和李四玩三连棋游戏，赢家可以获得1个ETH作为奖励。最简单的办法，就是在以太坊上创建一个智能合约，将三连棋的规则写入智能合约，并追踪张三、李四的选择。每次玩家做出选择时，给合约发送一次。当一个玩家胜出，按规则，智能合约将支付1个ETH给胜出者。
这虽然可行，但效率低、速度慢。因为游戏的每一步都需要得到所有的节点确认，造成资源的浪费。他们每玩一局游戏，就要支付一笔费用，并且还要等矿工完成验证后才能进行下一局。
这时候，我们就可以设计一个系统，让张三和李四的互动尽量在链下进行。他们可以在链下更新状态，并在需要的时候，回到链上交易。我们把这种系统称之为“状态通道”。
首先，我们在以太坊主链上创建一种智能合约作为“法官”，并将游戏规则写入合约，并识别出张三和李四是本次游戏的两个玩家，再给这个合约设置1个ETH的奖励。
紧接着，张三和李四开始互动。张三开始走第一步，签名后发送给李四，李四也会签名，并将自己签名后的版本发回，自己保存一份副本。然后李四走一步，签名后发送给张三，张三也签名后发回，自己保存副本。每次，他们都会更新自己的状态。每次互动都会包含一次“随机数”，这就可以给每次互动按时序排列。
至此，所有操作都不是在链上发生。如果游戏结束，比如说张三赢了，他们可以上传最终状态（交易清单）并关闭通道。这样，只用支付一次交易费用就可以了。合约可以确保“最终状态”有双方签名，并等待一段时间，以确保结果可靠，最后把1个ETH的奖金支付给张三。
为什么需要这个等待时间？
假设李四上传的不是最终版本，而是他赢过了张三的那个版本，但合约只会执行指令，无法知道哪一个是最终版本。这个时候，设置一段等待时间，可以让张三提供证据证明自己提供的是最终版本。
张三提交双方签名的交易副本，合约通过交易的随机数确定张三提交的是最终版本，驳回李四的请求。
状态通道适用于很多应用程序，并对传统的链上操作进行了许多升级。
2、Plasma
2017年8月11日，V神和Joseph Poon发表了名为《Plasma：自主智能合约》的论文。这篇文章引入了一种全新的技术，可以提高以太坊的处理效率。
与状态通道一样，Plasma是一种处理链下交易的技术，需要依赖以太坊底层技术去对其安全性进行保障。但Plasma的切入点不一样，它可以允许在以太坊主链上创建“子链”。这些“子链”，反过来也可以创建它们自己的“子链”，以此类推。
其结果是，我们可以在子链执行许多复杂的操作，运行包含数千名用户的应用程序，并且只需要与以太坊主链进行很少的交互。Plasma运行很快，并收取较低的交易费用，因为整个过程不需要在以太坊主链上发生。
我们先来看一个例子，理解Plasma是如何运作的。
想象一下，你正在以太坊上创建一个交易卡片游戏。这些卡片是ERC-721令牌（比如以太猫），但它们具有某些特性和属性，让用户可以进行博弈。在链上执行这些复杂的操作很昂贵，所以使用Plasma是很好的选择。
首先，我们在以太坊主链创建一套智能合约，作为服务于我们Plasma子链的“Root”。Plasma Root包含我们子链的“状态转换规则”（比如“不能双花”），记录子链状态的哈希，并充当一种“桥梁”，允许用户在以太坊主链和子链之间进行互动。
然后，我们创造我们的子链，子链可以有自己的一套共识机制。在本例中，是授权证明（PoA），依赖可信区块生产者的共识机制。
一旦子链被创建或者激活，区块生产者就对Root合约做出承诺，相当于“我作证，子链中的最新区块是X。”这些承诺都会被记录在Plasma Root，以证明子链中发生的交易。
子链准备好后，我们就可以创建交易卡游戏的基本组成部分。卡片基于以太坊主链的ERC-721，通过Plasma Root转移到子链。这就引入了一个关键点：Plasma允许我们与基于以太坊的数字资产进行大规模交互。
然后，我们在子链上部署游戏应用的智能合约，把游戏逻辑和规则都写进合约里。游戏用户，其实只是与我们的子链交互。他们可以持有资产（ERC-721令牌）与其他用户进行游戏，不需要与主链直接互动。因为只有少量节点需要处理交易，交易费用会低很多，操作速度也会更快。
3、Truebit
与状态通道和Plasma扩大吞吐量不同，Truebit是帮助以太坊完成繁重计算的链下技术。Truebit不会提高交易吞吐量，但会让基于以太坊的应用程序做更复杂的事情。
有些操作计算成本太高，无法在链上执行。例如，验证来自其他区块链的“简单支付验证(SPV)”证明，让以太坊智能合约“检查”一项交易是否发生在另一条链上(如比特币网络)。
在以太坊上做的所有计算都很贵，因为总需要所有节点都要参与到计算中。
然而，你可以给某个人（解决者）支付一点费用，让它完成链下计算。
首先，解决者往智能合约存入一笔费用，然后，你把需求告知解决者。他进行计算，然后把结果反馈给你。如果计算结果正确，他的押金会被退回；如果计算出错（他出错或作弊），就会损失自己的押金。
那我们怎么知道结果正不正确呢？
Truebit使用一种叫“验证游戏”的经济机制。从本质上讲，我们创造了一种激励机制，鼓励“挑战者”来验证解决者提交的结果。如果挑战者能够通过验证游戏，证明解决者提交了一个错误的结果，那么他们就会得到奖励，而解决者则会失去他们的押金。
“状态通道”和Plasma，将增加平台的吞吐量；Truebit，将更困难的计算作为智能合约的一部分，从而打开新的应用例子。
这三个示例仅代表了扩容方案的一小部分。
在以太坊上构建Layer 2，可以在访问速度、安全性和成本之间达到平衡。对于高价值的交易，建议使用主链；对于交易数字收藏品，速度更重要，Plasma是不错的方案。
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