# Layer 0,1,2详解

By [Proustygg](https://paragraph.com/@proustygg-2) · 2022-10-31

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Layer0,1,2

1.  区块链具有六层架构：数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层
    
2.  数据层和网络层是区块链的基本架构，也是整个区块链系统的最底层。
    
3.  基本架构之上，共识层、激励层、合约层和应用层共同构成了区块链的协议部分。
    

可拓展性、Layer 0、1、2无疑是一系列经常被提及的术语。尤其是在现在，以太坊积极寻求扩容的情况下，Layer 2可说是最热的主题之一了。那么什么是区块链的Layer 0、Layer 1、Layer 2，这三层架构各自又有什么不同的特点、用途呢？

从区块链的六层架构说起

在区块链中存在着一个“不可能三角”，即扩展性（Scalability）、去中心（Decentralization）、安全（Security），三者只能得其二，这是基于传统金融货币理论中，一国无法同时实现货币政策的独立性、汇率稳定性和资本自由流动性的“不可能三角”衍生而来。

无论是比特币、以太坊，还是其他的加密货币，大多有着一条独立且唯一的公链，即Layer 1。作为标准的基础共识层，所有的交易结算都发生在这一层上，为了保护所有的相关交易、清算记录等信息，Layer 1将技术重点放在了安全和去中心化上，导致了扩展性有限。

毫无疑问，当所有的交易、应用程序都通过layer 1这一条唯一的主链进行结算时，会造成工作效率低下，尤其是在以太坊网络中，币种多样、业务量巨大，一不小心就会发生网络拥堵的情形。为了解决主链的拥堵问题，链圈的开发者们提出了各种扩容的方案。

扩容方案一般分为两种，分别为链上扩容和链下扩容。

首先我们先分析一下比特币系统的结构，可以根据功能将之分为5层，分别是数据层、网络层、共识层、激励层和应用层。随后，凭借智能合约迅速崛起的以太坊又给区块链系统设立了新的范式，在系统的激励层和应用层之间加上了一个合约层。让我们从下到上仔细说明。

其中数据层和网络层是区块链的基本架构，也是整个区块链系统的最底层。

数据层（Data Layer）既包括每个区块的数据结构，如默克尔（Merkle）树，也包括各个不同区块是如何首尾相接、连接成链的。此外，数据层还包括为保证区块链不可篡改特性所采用的的哈希加密算法、非对称加密算法。区块链数据层可以视作一个具有分布式特征、不可篡改特性的数据库。这个分布式的数据库需要由系统的所有节点共同维护，这也就引出了区块链的网络层。

网络层（Netwrok Layer）则描述区块链所有节点构成的一个巨大的P2P网络。在这一分布式、点对点的网络中，一旦某一节点创造出了新的区块，就会通过广播机制将信息传输给附近的数个节点（传播机制，Transmission Mechanism）。其他节点在完成对区块的验证之后（Authentication Mechanism），又会再一次将数据传输给其他节点。最终，整个系统的大多数节点都完成对区块的验证之后，区块也就正式连接到了区块链上。

在基本架构之上，共识层、激励层、合约层和应用层共同构成了区块链的协议部分（Protocol Layer）。

共识层（Consensus Layer）主要包括区块链的共识机制算法。在区块链网络上，原本毫无关系的诸多节点正是通过共识算法达成彼此间的统一，维护数据层数据的一致性的。目前，较为常见的共识机制有比特币所采用的的工作量证明（Proof of Work, PoW），以太坊2.0所采用的权益证明（Proof of Stake, PoS），EOS所采用的委托权益证明（Delegated Proof of Stake, DPoS）等。共识机制是区块链技术的核心创新之一，显著影响了系统的安全性和运行效率。此外，共识算法还是区块链进行社区治理的主要手段。

激励层（Actuator Layer）主要包括区块链的发行机制（Issuing Mechanism）和分配机制（Distribution Mechanism）。通过激励机制的设计，系统中的节点将会自发地维护整个区块链网络的安全性。比如在比特币PoW机制中，新发行的比特币将会分配给打包节点的矿工。达成共识的方式接近“多劳多得”，算力越大的节点越有可能成功打包区块，也就能获取记账权。而在某些激励机制中，利用权力作恶的节点还会被系统惩罚。

比特币创造性的将经济激励机制融入到算法之中，形成了矿工通过算力竞争获取记账权，在维护了交易系统的同时发行了新的代币，新发代币又成为了分配给矿工的激励，由此形成了一个稳定、安全的闭环。在这一过程中，比特币作为电子现金的功能也得以实现。让我们继续向顶层前进。

合约层（Contract Layer）主要包括各种脚本代码、算法和智能合约，也是区块链实现诸多高级功能的基础。在区块链中，真正实现了所谓的”code is law“（代码即法则），合约算法一旦激活，就会不可避免地按照原有设置运行下去，而无需任何第三方的干预或推动。此外，由于智能合约具有图灵完备性，合约层还具有可编程性，这使得整个区块链网络具有了类似虚拟机的性质。

应用层（Application Layer）则是整个区块链系统的最上层，包含了该区块链的各种应用场景。对于比特币区块链来说，比特币这一具有完整发行、转账、记账功能电子现金系统便构成其“应用层”；而对于以太坊这样可编程的区块链来说，诸多高级功能、诸多DApp共同构成其应用层。

Layer 0, Layer 1和Layer 2

1.  Layer 0——数据传输层
    
2.  Layer 1扩容方案又称链上扩容
    
3.  Layer 2扩容方案又称链下扩容
    

区块链系统的六个层次，在结构上都密不可分，共同实现了区块链的功能。再回到本文一开始所说的扩容问题，业界一般会参考通信界的开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI），将区块链系统的六个层次重新划入三个Layer，由底到顶分别为Layer 0、Layer 1和Layer 2。

其中，Layer 0又称数据传输层，对应OSI模型的底层，主要涉及区块链和传统网络之间的结合问题。而对应的Layer 0扩容方案，则是指那些不改变区块链构造，并保留其原有生态规则的性能提升方案。由于不会对区块链本身造成影响，Layer 0扩容方案具有较强的通用性，同时，Layer 0扩容方案也与Layer 1、2扩容方案相兼容，能够共同发挥作用，乘数倍的提高区块链网络的性能。在网络底层协议中，尚有很多影响性能的问题值得进行优化，目前已有的Layer 0扩容技术方向有BDN（分发网络）、QUIC UDP协议等。  Cosmos and Polkadot are some great examples of Layer 0 Blockchains. The Binance Chain is built on top of Cosmos.  除此之外，波卡也常被称为Layer 0级别的区块链。这是因为波卡主网作为中继链，只起到为各大平行链提供安全性和彼此间的互操作性的作用。而在波卡的基础上，可以通过插槽链接类似于以太坊这样的Layer 1区块链，比如同样支持Solidity语言的Moonbeam链。

Layer 1对应六层模型中的数据层、网络层、共识层、激励层。对于大多数加密货币而言，Layer 1都是其有且仅有一条的公链，所有交易结算都发生于其上。Layer 1扩容方案又称链上扩容，指在区块链基层协议上实现的扩容解决方案。一般需要修改区块链的区块容量、区块生成时间、共识机制等固有属性以提高交易能力。具体来说，比特币的扩块升级是增大了每一个比特币区块的容量，从而可以容纳更多数目的交易；比特币SegWit则减少了平均单笔交易所占用的空间，使得每一区块可以容纳更多数目交易；升级到DPoS也可以在牺牲一定程度去中心化和安全性的条件下获得更好的性能。但受到物理、经济等因素限制，Layer 1扩容的效率是有极限的。  Bitcoin, Ethereum, Cardano, Ripple are some examples of this type of Blockchains.

Layer 2则对应区块链的合约层和应用层，Layer 2扩容方案又称链下扩容，指不改变区块链底层协议和基础规则，通过状态通道、侧链等方案提高交易处理速度。Layer 2在主链外部进行扩容，与Layer 1是一个承接互补的关系，即Layer 2是构建在底层区块链之上的基础架构，为区块链提供更好的可扩展性、可用性以及隐私性。比起Layer 1追求安全性和去中心化，Layer 2追求的是极致的效率和性能。目前，常见的Layer 2解决方案有Side Chain，Plasma，状态通道，Rollup等。

As an example, Polygon is a sidechain that runs on top of Ethereum and it solves the scalability issue in Ethereum and it charges a lot lower gas fees for transactions.

以太坊Layer 2的常见种类

1.  侧链（Side Chain） Layer 2最初的方案是侧链，即一条独立运行的链，仅用于某一项交易的运算，并将结果返回到Layer 1上，主链只对交易结果进行接收、登记，不作验证，借此来减少主链的运行压力。 但是侧链存在着一个致命的缺点，就是如果节点遭到攻击或纂改（节点作恶），会导致侧链的交易执行有误，进而导致返回给Layer 1的结果也是错误的。
    
2.  等离子链（Plasma） 针对侧链容易被纂改攻击的问题，开发者们又设计出了等离子链（Plasma）技术，实质是具有非托管特征的树状结构侧链，负责具体的交易结算功能，而主链仅负责存储。在等离子链的运行中，用户需要将资产锁定在对应的根链的合约中，并提交对应的证明给验证者证明。当出现有参与者无法提供证明时，该Plasma区块将无法被确认，其他用户则可以安全地从链中退出，保护了资产的安全。 然而，在等离子链的运行中，每个子链有自己的机制验证区块和实现防伪证明，若所有用户同时试图退出，所有的有效状态都要被提交验证，一样造成网络堵塞。
    
3.  Rollup 尽管等离子链提高了侧链运作中的安全性问题，但其返回给Layer 1的只有交易结果，并没有具体的交易信息。因此，开发者们又设计出了Rollup的方案，常见的有ZK Rollups、Optimistic Rollups、Arbitrum等。在这些方案中，所有的Layer 2交易都会被汇总到一个交易的调用数据内，然后周期性地打包到区块提交至Layer 1完成记录。Rollup不需要像等离子链一样需要数据可用性假设。
    
4.  状态通道（State Channels） 状态通道即交易双方在链下构建一个通道，通过各自的私钥签名，并将资金锁定在这个通道上，发送支付状态（包含轮次、金额、签名），完成链下交易，最后将结果记录到主链上。目前，状态通道已广泛应用于支付、游戏等场景。 但如果在过程中，其中的一方在交易完成前退出，会进入一个退出“挑战期”，并等待另一方的最新一轮的状态更新，并由主链核实签名和最后结余来确认状态更新的有效性。为了确保交易对手方没有使用过去的某个状态退出，交易者可能需要频繁监控主链。

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