區塊鏈擴展性：基礎網絡與補充解決方案的比較

為何交易速度很重要

區塊鏈技術徹底改變了我們在企業網絡中記錄、驗證和追蹤資訊的方式。其優點顯而易見：更高的安全性、不可否認的透明度以及降低運營成本。然而，有一個關鍵障礙阻礙了其大規模採用：交易處理能力。傳統系統每秒執行數千筆操作，而區塊鏈網絡則面臨重大瓶頸。解決這個困境的兩個基本方法是：優化底層層 (Layer 1) 或建立平行解決方案 (Layer 2)。

區塊鏈的三難困境

以太坊創始人Vitalik Buterin提出了一個關鍵概念：不可能同時實現三個核心特性——完全去中心化、強大安全性和高處理能力。任何網絡都必須做出取捨。比特幣優先安全性與去中心化，犧牲速度。一些新興的Layer 1試圖取得平衡，而其他Layer 2則專注於性能，將安全性委託給底層網絡。

理解這個現實是理解為何存在多種解決方案，而非只有一個通用方案的關鍵。

了解Layer 1：基礎建設

什麼定義Layer 1網絡

Layer 1區塊鏈是一個完全自主的網絡，管理自己的安全、交易驗證和資料存儲。比特幣和以太坊是典型範例。所有關鍵組件——分散式共識、智能合約執行、資料可用性——都在其上運作。當你直接在比特幣或以太坊上進行交易時，實際上就是在與Layer 1互動。

其挑戰在於：越是去中心化且安全，處理交易的速度就越慢。比特幣每秒約驗證7筆交易，以太坊在Ethereum 2.0之前約每秒30筆。這個限制促使開發出各種複雜的優化技術。

Layer 1內的優化技術

分片（Sharding）：分而治之

受到分散式資料庫架構啟發，分片將網絡拆分成較小的部分，稱為「shards」。每個shard同時並行處理交易，提升整體吞吐量。若64個shard同步運作，整個網絡的吞吐量可提升64倍。Zilliqa實現了「交易分片」，將交易打包成批，由不同shard處理。挑戰在於：確保shard間的高效通訊，避免產生過多延遲。

共識機制的轉變

工作量證明 (PoW)，比特幣採用此機制，需大量計算能力來驗證區塊。權益證明 (PoS)則用驗證者取代挖礦，並在網絡中放置擔保。結果是：能源消耗降低99%，處理能力提升。Ethereum 2.0在「合併」後全面採用PoS。Cardano實作Ouroboros PoS，Algorand使用純PoS，Fantom則實作aBFT (拜占庭容錯異步共識)。這些都能在較低能耗下達到更高的吞吐量。

SegWit：資料結構的優化

比特幣的SegWit (Segregated Witness)並未直接增加容量，但大幅改善了效率。將數位簽名與交易資料分離，約減少65%的交易大小。一個1MB的區塊可以容納更多交易，加快結算速度並降低手續費。此技術向後相容——舊節點仍能運作。

Layer 1解決方案的優點

無需額外基礎設施

不同於Layer 2需要額外鏈或平行系統，Layer 1改變的是底層協議。這意味著不需要跨鏈橋或鏈間轉移，一切都在原生層完成。

完整安全性

所有交易都利用整個網絡的共識能力。無需依賴第三方或專門驗證者。去中心化得以維持。

永久性影響

Layer 1的改進是結構性的。一旦實施，會永久惠及整個網絡。持續降低擁堵與手續費。

實際限制

節點的物理限制

每個節點都存有完整交易歷史。隨著區塊鏈成長，存儲與頻寬需求增加。並非所有人都能運行完整節點，可能削弱去中心化。

跨分片的擁堵

分片帶來新問題：涉及多個shard的交易需要跨shard通訊，造成延遲。確認跨shard交易比單一shard更耗時且消耗帶寬。

礦工的困境

從PoW轉向PoS，挖礦需求消失。驗證者獲得獎勵，但挖礦生態縮小，可能降低安全性，因為分布變少。

Layer 2的策略角色

核心概念

任何在Layer 1區塊鏈之上運作、增加功能的技術都屬於Layer 2。它不取代底層，而是補充。Layer 2在鏈外處理交易，並定期將結果「結算」到Layer 1，繼承其安全性。

這與側鏈（sidechain）不同，側鏈具有獨立的安全性 (通常較弱)。

主要架構

Rollups：資料壓縮

Rollups在鏈外執行數百筆交易，然後將一個壓縮的「包裹」傳送到Layer 1。這將資料量降低10倍到100倍。有兩種類型：

• Optimistic Rollups：假設交易有效，若有人質疑，網絡會驗證。Arbitrum與Optimism採用此技術。
• ZK Rollups：在提交前產生數學證明，證明交易有效，免除質疑期。

狀態通道

兩個用戶在鏈外「開啟一個通道」，進行多次交易，只在Layer 1記錄初始與結束餘額。比特幣的Lightning Network就是完美範例：微支付即時完成，手續費極低。Strike應用利用Lightning在全球範圍內秒級轉帳。

側鏈（Sidechains）

獨立的區塊鏈透過雙向橋連接。可針對特定用途優化——遊戲速度快、金融隱私高、DeFi零成本。Polygon PoS、Skale與Rootstock是例子。用戶需信任側鏈的安全性，而非僅是Layer 1。

具體範例

Arbitrum

基於以太坊，採用Optimistic Rollups，交易速度提升10倍，手續費降低90%。其原生代幣ARB治理平台，管理DAO。支援數百個dApps。

Optimism

也是以太坊Layer 2，使用optimistic rollups。其生態系統包含97個協議——Uniswap、Synthetix、Velodrome——總鎖倉價值超過$500 百萬美元(。加入MetaMask只需幾步。

Lightning Network

將比特幣從慢速貨幣轉變為點對點數位現金。Nostr去中心化社交網絡整合Lightning，實現微支付。OpenNode讓商家接受比特幣，幾乎即時結算。

Polygon

定位為「區塊鏈的互聯網」——多條與以太坊兼容的鏈自由交換價值。2023年6月，DeFi總價值約13億美元。Compound與Aave在其上運作。NFT交易手續費低廉，使原本不實用的Layer 1市場成為可能。Polygon Studios )成立於2021年7月###，推動Web 2遊戲向Web 3轉型。

Layer 2的優點

爆炸性性能

Layer 2的交易幾毫秒內確認，不是幾分鐘。這讓先前不可能的應用成為可能——高頻交易、實時遊戲、持續微支付。

成本降低

不需在Layer 1處理所有交易，手續費大幅下降。在Ethereum上花10-50美元的操作，在Arbitrum或Optimism只需幾美分。

繼承安全性

Layer 2不創造新安全性，而是重用Layer 1。所有交易都能在底層驗證，保障安全。

功能不打折

dApps在Layer 1與Layer 2上運行完全相同。複雜的智能合約、進階DeFi都能實現。只是速度更快、成本更低。

( 主要缺點

流動性碎片化

用戶將資金分散在多個Layer 2，市場變得稀薄。Ethereum需要集中流動性來支撐強大的DeFi。分散在Arbitrum、Optimism、Polygon的資金會降低整體流動性。

互操作性受限

在Arbitrum的dApp無法直接調用Optimism的dApp。需要跨鏈橋，增加延遲與風險。這削弱了DeFi的組合性（composability）。

操作複雜

用戶需在Layer 1與Layer 2間轉移代幣。需要多次交易、不同錢包，理解橋的運作。使用門檻較高。

依賴Layer 1

Layer 1擁擠時，Layer 2也會受影響——無法快速結算交易。Layer 2的速度受限於底層。

直接比較：Layer 1 vs Layer 2

方面	Layer 1	Layer 2
安全性	最大 )完整共識(	重用Layer 1 )依賴Layer 1(
速度	有限 )30-100 tx/s(	高 )1000+ tx/s(
成本	高 )特別在高峰時(	低
去中心化	完全	部分 )驗證者(
組合性	完整	分散於各Layer 2之間
操作複雜度	簡單	較複雜 )橋###

令人不舒服的事實？兩者皆不可或缺。Layer 1提供可靠基礎，Layer 2則放大用途。不是非此即彼，而是相輔相成。

Ethereum 2.0的轉折點

Ethereum 2.0代表一個關鍵轉折。全面轉向PoS與實施分片，預計能達到每秒10萬筆交易——而非30。這將解決許多Layer 1的問題。

但不會使Layer 2過時。原因？組合性有限。即使Ethereum 2.0，不同鏈之間仍無法完美互動。Layer 2仍提供實驗與特定優化空間。

Ethereum 2.0降低了緊迫感，但不會消除需求。

實務應用改變產業

( 去中心化金融 )DeFi###

MakerDAO建立了DAI——以以太幣作擔保的穩定幣——透過Ethereum智能合約運作。系統運作良好，但在小額交易中手續費會侵蝕利潤。Polygon提供相同功能，成本低100倍。Compound與Aave在Layer 2上重現，擴大存取範圍。

支付與匯款

Lightning Network將比特幣轉變為即時點對點數位現金。商家接受BTC無需等待10分鐘——Lightning秒級確認。Strike讓用戶能用美元向全球任何電話號碼轉帳，手續費低於傳統銀行。

( 遊戲與NFT

Polygon Studios推動遊戲轉型。降低延遲與成本，使遊戲內經濟成為現實。用0.5 MATIC )約$0.25###買一個皮膚，而非$5。Polygon上的NFT交易只需幾美分，讓原本不實用的市場成為可能。

持續創新

下一代探索混合方案——結合Layer 1與Layer 2的最佳實踐。例如LayerZero，允許應用同時利用多條鏈，選擇在何處執行不同功能。

未來展望

不可避免的趨勢。Layer 1網絡將持續優化——分片、共識改進、減少膨脹。Layer 2將快速成長——每個都針對特定用例進行優化。

一般用戶？可能不知道自己運行在哪一層。界面將抽象出複雜性，讓用戶根據速度與成本選擇，而非技術架構。

主流採用的關鍵：看不見的技術、直觀的性能、幾乎無成本。區塊鏈正朝這個方向前進。Layer 1提供堅不可摧的基礎，Layer 2則放大其用途。兩者共同構築一個接近解決三難困境的生態系——去中心化、安全性與擴展性共存。

我們仍在這段旅程的起點。可能性看似無限。