区块链第一层和第二层：多层架构和网络扩展解决方案

过去十年分布式账本技术的爆炸式增长给数字金融行业的基础设施带来了前所未有的挑战。随着比特币和以太坊等网络从技术实验转向全球机构平台，可扩展性问题已成为每个技术讨论的核心。据Tan Phat Digital分析，在区块链架构中，Layer 1和Layer 2的概念不仅仅是物理上的去中心化，更是解决“区块链三难困境”的复杂设计策略——一种认为去中心化系统很难同时实现高安全性、去中心化和可扩展性的理论模型。将网络功能分成多个层，是将区块链技术带给数十亿用户而不失去透明度和抗审查性的核心价值的唯一途径。

分层系统和区块链困境三角

任何开发可扩展解决方案的努力都源于困境三角的核心约束。可扩展性或可扩展性被定义为网络在不降低性能或显着增加运营成本的情况下处理不断增加的交易量的能力。对于第一代和第二代区块链来说，保持去中心化和安全性往往会导致吞吐量有限。

比特币以其工作量证明（PoW）共识机制和10分钟的区块生成时间，每秒只能处理大约7笔交易（TPS）。同样，以太坊在其原始状态下仅达到约 15-30 TPS。这些数字完全不足以支持现实世界的应用程序，例如零售支付、在线视频游戏或复杂的衍生品交易，这些应用程序每秒需要以最小的延迟进行数千笔交易。因此，开发人员将方法分为两大类：直接影响核心协议（第 1 层）的解决方案和基于现有基础设施（第 2 层）的解决方案。

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第1层：基础层和核心协议改进

第1层（L1）被理解为区块链网络的基础层或父协议。这是定义有关共识、数据结构和安全性的所有规则的地方。第 1 层的典型例子包括比特币、以太坊、Solana 和 BNB 链。当第 1 层区块链升级到扩容时，意味着直接对协议的本机代码进行更改，通常需要全网共识，并可能导致硬分叉。

共识机制和能源效率

第一个第 1 层扩容解决方案通常是更改或优化共识机制。从工作量证明（PoW）到权益证明（PoS）的转变就是一个典型的例子，典型的就是以太坊的“合并”事件。 PoS 允许网络根据验证者所抵押的资产数量来选择验证者，而不是根据验证者解决复杂、耗电的数学算法的能力。这不仅使网络更加环保，而且有利于更快、更稳定的数据处理。

分片技术

分片被认为是解决吞吐量问题的最强大的第1层解决方案之一。这个概念借鉴了传统的数据库架构，其中庞大的数据集被分解为易于管理的分片。在区块链的背景下，分片允许网络分为多个并行运行的分支。每个节点不必在网络上验证整个交易，而是只需要处理属于其分片的数据。

常见分片类型：

静态分片：分片数量根据初始节点数量固定。优点是设计简单，前期易于部署，但局限性是网络需求突变时难以灵活应对。
动态分片：根据实际需要自动调整分片数量和节点分配。尽管协调方面的技术复杂性非常高，但该解决方案有助于优化资源并减少交叉通信负载。
BlockFlow：在多个分片之间并行分配挖矿能力。这是一种在提高 TPS 的同时保护 PoW 安全性的方法，但需要矿工之间极其紧密的协调。

分片过程通常包括四个核心步骤：初始化数据、设置分片配置、确定内部和分片间共识，最后重新配置网络。最近的研究表明，与简单调整区块大小或传统共识优化相比，分片可以实现更高的吞吐量和更低的延迟。

增加区块大小

这是技术上最简单的解决方案：通过允许每个区块包含更多交易数据，单位时间处理的交易数量增加。但这种方式由于中心化风险而面临社区的强烈反对。数据块越大，验证节点的硬件和带宽要求越高，个人运行独立节点变得困难。

第2层：链下扩容解决方案的兴起

第2层（L2）是构建在第1层区块链之上的网络层或子协议。第 2 层的主要作用是通过在一处处理事务来减轻基础层的负担。隔离环境，然后仅将汇总结果或真实性证明发送回主链。这种方式使得 Layer 2 能够利用 Layer 1 的安全性和去中心化特性，同时实现出色的处理速度和极低的成本。

这两层之间的根本区别在于执行策略：Layer 1 是“真相来源”和最终结算，而 Layer 2 是高性能执行引擎。

流行的 Layer 2 模型变量

状态通道：允许参与者执行无限数量的链下交易。仅通道打开和关闭交易记录在主区块链上。一个典型的例子是比特币的闪电网络。局限性在于它需要用户在线监控通道以避免欺诈。
Plasma：创建链接到主链的“子链”。子链处理大部分工作负载并定期将 Merkle 根发送回主链。尽管对于简单交易来说具有高度可扩展性，但 Plasma 的提款过程很复杂。
侧链：是与主链并行运行的独立区块链，通过双向桥连接。与 Rollups 不同，侧链有自己的身份验证集，因此它们不会完全继承第 1 层的安全性。PoS 就是一个典型的例子。

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Rollup：主宰扩容时代的技术

Rollup目前被认为是最有前途的第2层解决方案，因为它能够完美地将高吞吐量和高吞吐量结合起来。来自主链的安全继承。 Rollup 的本质是将数百笔交易“滚”成一个批次，在链下执行，然后将交易数据发布到 Layer 1。这有助于将 L1 昂贵的 Gas 费用分配给数千名用户，将个人交易成本降至最低。

两种主要类型 Rollups 的详细比较：

Optimistic Rollups重要）：
- 安全性：基于经济机制（惩罚作弊者）。
- 机制：假设每笔交易都是有效的，除非在“试用期”（通常为 7 天）内另有证明。
- 有限：由于必须等待试用期才能完成交易，因此速度较慢。
- 优点：与 EVM 兼容性非常好，易于从 L1 转换 dApp。
- 示例：Arbitrum One、Optimism（OP 主网）。
零知识汇总（ZK-Rollups）：
- 安全性：基于密码学（数学确保正确性）。
- 机制：在发送到主节点之前使用密码学证明（有效性证明）来证明有效性
- 最终性：快速，提交证明后几乎瞬间完成。
- 优点：绝对安全和更好的数据压缩，尽管证明验证成本更高。
- 例如： zkSync Era、Starknet、Polygon zkEVM。

2026 年模块化路线图和关键里程碑

更新了 Tan Phat Digital 的最新更新，以太坊生态系统已经取得了巨大进步。 Fusaka 升级于 2026 年 1 月 7 日正式完成最后阶段，实施了 BPO2（仅限 Blob 参数）分叉，大大优化了第 2 层的 Blob 数据处理能力。

接下来 2026 年，扩展路线图将重点关注：

升级 Glamsterdam：预计于 2026 年中期启动，重点关注并行处理并将 Gas 限制增加到每个区块 200-3 亿单位，目标是第 1 层 10,000 TPS。
菏泽-波哥大升级：预计到 2026 年底完成隐私功能高级隐私和安全性。

数据可用性 (DA) 问题

何时第 2 层执行链下交易，数据可用性 (DA) 问题变得至关重要。专门的 DA 解决方案已经出现，提供比主链更便宜的存储层：

Celestia：使用数据可用性采样（DAS）技术，允许仅下载一小部分随机部分的数据验证。
EigenDA：通过重新抵押机制利用以太坊的安全性，为性能要求极高的链提供极高的吞吐量
可用性：专注于使用 KZG 和 DAS 证明来确保极快的有限时间可用性（约 40 秒）。

第 3 层：专用应用程序层

第 2 层解决一般扩展问题，而第 3 层 (L3) 则作为专用于特定应用程序的层出现，带来最大程度的定制和超低成本。

典型的第 3 层项目：

Xai Games（Arbitrum Orbit Platform）：专门用于 Web3 游戏的基础设施，以几乎零成本处理数百万个游戏内交易。
zkStack（zkSync Era Platform）：允许创建超链的框架是高度可定制的
Degen Chain（基础平台）：为 SocialFi 社区和微型应用程序提供充满活力的生态系统。
Orbs（多链）：提供去中心化后端逻辑，帮助实现 L1 和 L2 不直接支持的复杂功能。

超越以太坊的开放扩展：比特币和2026 年 Solana

Solana 生态系统正在为 2026 年第一季度 Alpenglow 升级的主网启动做准备，承诺将交易确认时间提高到创纪录的 100-150 毫秒。同时，Firedancer客户端也在逐步完善，将网络吞吐量提高到数百万TPS。

对于比特币来说，随着 2026 年 1 月推出比特币量子测试网，“BitcoinFi”时代达到了一个新的里程碑，旨在保护网络免受未来量子计算的威胁。 Stacks和BitVM等解决方案不断扩展智能合约功能，使比特币不仅仅是一种存储资产，更是一个动态的金融平台。

多层架构应用的10个典型案例研究

以下是10个展示扩容解决方案有效性的现实例子，由Tan Phat Digital编译：

Arbitrum（以太坊） L2）：主导 DeFi 市场，到 2025 年底，TVL 达到约 165 亿美元。得益于 ArbOS Atlas 升级，Arbitrum 为用户降低了 90% 的交易成本，2024 年平均每秒处理 30 笔交易（TPS）。
Manta Pacific（以太坊 L2）：是第一个应用 Celestia 模块化 DA 的 L2 网络。该解决方案仅在 2024 年就帮助用户节省了超过 1000 万美元的 Gas 费。 Manta 通过 Celestia 的数据存储成本比使用传统以太坊 L1 的市场平均水平低 99.78%。
Immutable X（游戏 L2）：专门用于采用 zk-rollup 技术的 NFT 和游戏。到 2024 年，该生态系统将增长 71%，发布 181 款新游戏。 Immutable Passport Wallet 注册量已超过 250 万，有助于消除游戏玩家的 Gas 费障碍。
Ronin Network（侧链切换到 L2）：Axie Infinity 的支柱。在克服了 2022 年的崩溃之后，Ronin 在 2024 年达到了 227 万个每日活跃地址（DAA）。根据路线图，Ronin 将在 2026 年第二季度完成向官方以太坊 L2 的过渡，以增强安全性。
Xai Games（Arbitrum L3）：第 3 层专注于游戏。 2024 年第三季度，Xai 处理了超过 1100 万笔交易，允许在不阻塞主 L2 网络的情况下实现接近零成本的游戏内微交易。
Helium (Solana DePIN)：从私有区块链迁移到 Solana 后，Helium 为热点设备节省了 1000 倍的铸币 NFT 成本。 2024 年第四季度，由于 Solana 的可扩展性，网络处理了 576TB 的数据，较上一季度增长了 555%。
Hivemapper (Solana DePIN)：去中心化地图应用程序，已绘制全球超过 1.4 亿公里的地图。使用 Solana 基础设施可以帮助 Hivemapper 处理海量的 4K 图像数据，并以极低的费用奖励每秒数千名贡献者。
Base（以太坊 L2）：Coinbase 的 L2 网络在 2024 年 12 月占整个 L2 生态系统总费用收入的 63%。交易所的分配优势帮助 Base 月活跃用户达到 930 万，通过以下方式推动了 SocialFi 的繁荣： Farcaster 等应用程序。
闪电网络（比特币 L2）：在萨尔瓦多成功部署，支持日常支付。闪电网络理论处理能力高达100万TPS，将比特币从缓慢的“数字黄金”转变为有效的小额支付手段。
Polygon & Nike（企业Web3）：平台。Nike在Polygon上的SWOOSH吸引了超过33万个注册钱包。数字鞋卖“Our Force 1”在短短48小时内实现了100万美元的销售额，证明了传统企业在Layer 2上处理大规模客户文件的能力。

常见问题解答（FAQ）

Layer 1和Layer 2最基本的区别是什么？ Layer 1是原始区块链链（如以太坊）负责安全性和最终共识。第 2 层是基于第 1 层构建的解决方案，可以更快、更便宜地处理交易，然后将结果发送到第 1 层。
什么是区块链三难困境？这是一个理论模型，指出区块链网络很难同时实现所有三个因素：安全性、去中心化和可扩展性。
Rollup 是如何工作的？ Rollup 将数百个单独的交易“滚动”到单个数据包中，在链下执行它们以减少第 1 层的负载，但仍将数据或凭证存储在主链上以确保安全。
我应该选择 Optimistic Rollup 还是 ZK-Rollup？ Optimistic Rollup 适合当今需要高 EVM 兼容性和较低运营成本的应用程序。 ZK-Rollup 在密码安全性方面表现出色，无需等待 7 天挑战即可即时提款。
EIP-4844（Proto-Danksharding）对用户有何影响？此升级引入了“blob”结构，可将第 2 层的交易费用降低 10 至 100 倍，使 GameFi 和 SocialFi 等应用程序在经济上可行。
分片会降低网络安全性吗？如果设计得当，分片不会降低安全性。它将网络划分为并行处理的小块，从而增加吞吐量，而不需要每个节点存储大量的交易历史记录。
当 Layer 2 已经如此之快时，为什么我们还需要 Layer 3？Layer 3 为每个应用程序提供超特定的定制功能（例如游戏逻辑或 DeFi 隐私），这是一般 Layer 2 无法提供的最佳功能，同时还有助于将交易费用降低到几乎为零。
Solana Firedancer 升级有何特别之处？这是一个全新的 C++ 编写的验证器，帮助 Solana 实现高达 100 万笔交易/秒的理论吞吐量，同时通过源代码多样化提高网络稳定性。
数据可用性有多重要？如果主链上没有 L2 交易数据，用户无法查看交易的正确性或在第 2 层故障时提取资金。
2025年后以太坊的路线图将走向何方？以太坊将推进到“The Surge”和“The Verge”阶段，目标是通过 PeerDAS 技术、Full Danksharding 和 Verkle Trees 达到 100,000 TPS，以保持其作为全球支付平台的地位。