理解区块链架构：Layer 0、1 和 2 的完整指南

区块链技术类似于洋葱——二者都有独特的层次，服务于特定的目的。让我们探索区块链的分层架构，以了解每个组成部分如何在这个革命性的生态系统中运作。

基础：Layer 1 区块链

Layer 1代表基础区块链网络——可以独立使用其自身基础设施验证和最终确定交易的基础。比特币，以太坊和卡尔达诺是Layer 1区块链项目的典范。

这些网络具有自己的原生代币 (coins)，用户必须使用这些代币在与区块链交互时支付交易费用。

基层的扩展挑战

第一层网络经常遇到扩展限制。当交易量超过处理能力时，用户会经历更高的费用和更慢的确认。

这个挑战与维塔利克·布特林所称的区块链三难问题有关——在以下方面之间的困难平衡：

• 去中心化 (分布式网络控制)
• 安全 (对攻击的抵抗)
• 可扩展性 (交易吞吐量)

所有扩展解决方案必须在这三个关键属性之间权衡取舍。例如，部署强大的超级节点可能会增强网络容量，但会牺牲去中心化——这一基本区块链原则。

层1扩展方法

基础区块链采用几种策略来提高它们的可扩展性：

区块大小扩展

增加区块容量可以允许每个区块处理更多交易，但这种方法有其局限性：

• 过大的区块需要更长的下载时间
• 网络带宽要求大幅增加
• 节点参与障碍上升，降低去中心化

共识机制优化

一些共识机制的扩展效率比其他机制更高：

• 比特币使用的工作量证明(提供了强大的安全性，但吞吐量有限
• 以太坊等采用的权益证明 ) 提供了更好的可扩展性和更低的能耗要求

分片实现

分片将区块链数据划分为可管理的段，称为“碎片”，将验证工作负载分配到网络中：

• 每个节点仅处理一部分交易
• 处理后的分片被广播到主链进行最终验证
• 这种并行处理显著提高了交易吞吐量

超越基础：第二层解决方案

Layer 2 协议在 Layer 1 区块链之上运行，专门设计用于解决可扩展性限制。这些解决方案创建二级框架，在基层上结算之前 "离线" 处理交易。

Layer 2 技术增强：

• 交易速度：减少单个交易的确认时间
• 交易吞吐量：提高网络处理每秒更多交易的能力
• 成本效率：在网络拥堵期间降低交易费用

( 第2层实施策略

多种方法使 Layer 2 扩展解决方案成为可能：

支付和状态通道

通道允许在将最终状态记录到基础层之前进行多次链下交易:

• 支付通道 专注于各方之间的价值转移
• 状态通道 支持更广泛的交互，包括智能合约操作

这些解决方案要求参与者必须为网络所知，并在多签名合约中锁定代币，从而限制了开放参与。

Plasma 框架

由Joseph Poon和Vitalik Buterin开发的Plasma创建了"子链"，这些子链镜像父区块链：

• 智能合约管理父链与子链之间的关系
• 交易发生在子链上，以减少主网拥堵
• 数值树结构组织和验证交易数据

虽然在特定用例中有效，但 Plasma 在复杂智能合约方面存在局限性，并且需要等待提款的时间。

侧链解决方案

侧链作为独立的区块链，具有自己的共识机制，同时与主链保持兼容：

• 通过兼容的虚拟机连接到Layer 1
• 支持与母链兼容的合约和交易
• 根据他们自己的安全参数和区块要求进行操作

汇总技术

Rollups 将多个链下交易批量处理为单个链上交易，生成称为 SNARKs 的加密证明 ) 简洁非交互式知识论证 ###:

ZK 汇总：

• 更快的交易处理和确认
• 资源利用效率更高
• 由于虚拟机限制，层间迁移更加复杂

乐观汇总:

• 利用虚拟机实现更顺畅的第一层到第二层迁移
• 实施防欺诈机制而不是有效性证明
• 实现更简单的智能合约兼容性

互操作性层：层0协议

Layer 0 协议促进了不同 Layer 1 区块链之间的跨链通信，解决了之前将用户限制在特定生态系统中的孤立问题。

与第一层网络不同，在同一层零协议上构建的区块链可以实现不同的：

• 共识机制
• 区块参数和结构
• 网络规则和治理系统

许多 Layer 0 平台要求用户在访问其生态系统时质押本地代币作为反垃圾邮件措施。

( 突出的 Layer 0 示例

Cosmos 是最知名的 Layer 0 协议，提供开源工具，包括：

• Tendermint：用于构建区块链的共识引擎
• Cosmos SDK：用于创建自定义区块链的开发工具包
• IBC )区块链间通信###: 使跨链交互成为可能的协议

Cosmos旨在构建"区块链的互联网"，使独立网络能够无缝通信。使用Cosmos技术构建的主要项目包括主要交易平台、支付解决方案和区块链基础设施网络。

应用前沿：第三层

第3层代表应用协议，使基于区块链的服务得以实现，如去中心化应用 (dApps)、游戏、存储解决方案及其他用户界面。

通常被称为“应用层”，第3层提供了使区块链在简单交易之外有用的功能：

• 提供 Layer 1 处理的信息 (例如，智能合约指令)
• 为基础区块链基础设施创造实际应用案例
• 通过直观的界面为最终用户提供直接价值

大多数第一层区块链直接支持在其网络上进行第三层开发，尽管比特币的基础协议对此类能力有限。其他区块链如以太坊、索拉纳和卡尔达诺则拥有蓬勃发展的第三层生态系统，丰富了它们的网络。

现代的第三层应用程序越来越多地提供跨链功能，使用户能够在不同的区块链之间与资产进行交互。这要求开发者使用多种编程语言(，如以太坊的Solidity和Cardano的Haskell)，以确保无缝的跨链操作。

完整的区块链技术栈

区块链生态系统由相互连接的层组成，每一层都具有不同的功能：

• 第0层：支持第1层协议之间的跨链互操作性(例如，Cosmos)
• 第一层：形成基础区块链网络，验证和最终确定交易 (例如，比特币)
• 第二层: 通过链下处理为第一层网络提供扩展解决方案 (例如，闪电网络)
• 第三层: 向最终用户提供基于区块链的应用程序和服务 (例如，去中心化交易所)

虽然一些讨论提到区块链架构中的"第四层"，但业界共识是从第零层到第三层——遵循从零开始计数的编程惯例。

每一层都针对区块链生态系统中的特定挑战，协同工作以创建一个全面的技术栈，平衡安全性、可扩展性和去中心化，同时为全球用户提供实用的应用程序。