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Layer2 的基本概念和主流项目分析
2024.05.22
一. 什么是 Layer2
Layer 2（第二层）是指在区块链技术和网络协议中用于扩展基础区块链（Layer 1）的解决方案。其目的是提高交易速度、降低交易费用，并增强网络的可扩展性和效率。Layer 2 通过在主链之外处理大量交易，然后将结果批量提交到主链，从而减轻主链的负担。以下是 Layer 2 的一些关键特点和技术：
扩展性：Layer 2 解决方案可以处理更多的交易量，从而缓解 Layer 1（如以太坊和比特币）上的拥堵问题。
成本降低：通过在链下处理交易，Layer 2 可以显著降低用户的交易费用。
提高速度：由于交易不需要在主链上逐一确认，Layer 2 可以大幅提高交易处理速度。
安全性：尽管交易在链下处理，但 Layer 2 解决方案仍依赖于主链的安全性来保证最终的交易结果是可信和不可篡改的。
二. 常见的 Layer 2 解决方案
状态通道（State Channels）
这种方法允许两方或多方在链下进行多次交易，只在交易结束时将最终状态提交到区块链。一个典型的例子是闪电网络（Lightning Network），主要用于比特币。
侧链（Sidechains）
侧链是一条独立的区块链，使用其自身的共识机制，但通过双向锚定与主链（母链）连接。侧链可以自由地实现不同的功能和优化，同时主链依旧保持其主要的安全和稳定性。
Rollups
Rollups 通过将大量交易打包到一个单一交易中，并将其提交到主链。这种方法可以分为两种类型：乐观 Rollups（Optimistic Rollups）和零知识 Rollups（zk-Rollups）。
Op Rollups：假设交易是有效的，只有在有争议时才进行验证
Zk Rollups：通过零知识证明技术，在提交交易数据的同时，保证其正确性。
Plasma
Plasma 是一种框架，允许创建多层的子链结构，每层都可以处理大量的交易。尽管其理论基础较强，但在实际应用中面临一定的挑战。
但在 l2beat 网站上，除了 rollups 之外，其他的解决方案都全部定义为侧链
三. Layer2 相关的术语解释
模块化
目前的 L2 区块链项目中，模块化已然成为标配；我们都知道，模块化这个词源于Mustafa Albasan 和 Vitalik 在 2018 年共同撰写的，题为《数据可用性采样和欺诈证明》，后经 Celestia 发扬光大。模块化，可组合落到 Layer2 上是非常合适的，但是在 Layer3 上又是怎样表现的呢，我们如何理解模块化可组合的 Layer3 呢？模块化能行得通主要源于区块链公链架构的可组合特性，一个成熟的公链包括：
结算层（Settlement layer）负责资产的交易状态转移和确定；
DA层（Data Availability）负责交易数据的状态变数据可用性，以供交易验证：
执行层（Execution layer）负责处理交易的执行逻辑，包括智能合约的调用和执行；
共识层（Consensus Layer）负责所有节点就某一版本的交易历史达成一致性；
跨链通信层（Interoperability Layer）负责不同区块链网络的消息通信和状态管理。
以上各个区块链组件分工明确，各司其职构成了区块链的可信和去中心化特性
数据可用层(DA)
数据可用层（Data Availability Layer）是指处理和保证数据可用性的一层。数据可用性是指数据在需要时可以被访问、验证和使用，这对于区块链系统中的数据完整性和安全性至关重要。数据可用层的设计目标是确保所有参与者能够访问和验证区块链上发布的数据，从而保证整个系统的透明性和可靠性。
数据可用层的关键功能
数据存储和分发：数据可用层负责存储区块链生成的数据，并确保这些数据可以被所有节点访问。它提供一种分布式数据存储机制，以确保数据的持久性和冗余性。
数据验证：该层还提供验证机制，允许节点快速验证数据的完整性和正确性。数据验证是确保数据没有被篡改或损坏的关键步骤。
数据检索：数据可用层需要确保数据在需要时可以被高效地检索和访问。无论是进行交易验证、智能合约执行，还是数据分析，都依赖于快速的数据检索能力。
冗余和容错：为了防止数据丢失或损坏，数据可用层通常会实现数据冗余和容错机制，例如通过分布式哈希表（DHT）或复制数据到多个节点。
数据可用层在区块链架构中的位置
在分层的区块链架构中，数据可用层通常与其他层（如结算层和执行层）相互配合，以确保整个系统的高效运行。具体来说，数据可用层为结算层和执行层提供了可靠的数据存储和访问服务。
数据可用层的实现方式
链上数据可用性：在传统区块链系统中，所有数据都存储在链上（如比特币和以太坊），这确保了数据的可用性。然而，这种方式可能导致区块链膨胀和性能问题。
链下数据可用性：一些现代区块链系统采用链下数据存储来解决链上数据膨胀的问题。例如，Rollup技术将大部分交易数据存储在链下，并仅在链上存储数据的摘要或证明。
分片技术：分片技术将区块链分割成多个小片，每个小片存储一部分数据。这种方法提高了系统的可扩展性和数据处理能力，但需要有效的数据可用性方案来保证每个小片的数据可访问性和完整性。
数据可用层的挑战
数据可用性攻击：数据可用性攻击是指恶意节点在不提供全部数据的情况下发布区块，使其他节点无法验证数据的完整性。解决这一问题需要设计有效的数据可用性证明机制。
存储和带宽限制：随着区块链数据量的增加，存储和带宽需求也会显著增加。数据可用层需要高效的存储和分发机制，以应对不断增长的数据需求。
隐私和安全：确保数据的隐私和安全也是数据可用层的重要挑战之一。需要设计加密和访问控制机制来保护敏感数据。
数据可用到的算法
数据可用性证明（Data Availability Proofs ）
数据可用性证明是一种方法，用于验证发布的数据是否实际存在且可访问。这些证明对于防止数据可用性攻击（例如，区块发布者声称发布了数据但实际上没有）非常重要。
Kate Commitments：
一种基于多项式承诺的方案，可以高效地验证大数据集的可用性。它使用KZG（Kate-Zaverucha-Goldberg）承诺来证明特定数据块已被正确发布。
Data Availability Sampling：
一种随机抽样技术，节点通过随机抽取和验证少量数据片段来确定整个数据集的可用性。此方法降低了验证成本，使得即使资源有限的轻节点也能参与验证。
纠删码（Erasure Coding）
纠删码是一种数据编码技术，用于提高数据存储的冗余性和可靠性。通过将数据分成多个片段并添加冗余信息，即使部分片段丢失或损坏，数据仍然可以恢复。
Reed-Solomon Codes：
一种广泛使用的纠删码，能够从任意 k 个有效片段中恢复出原始数据，其中 k 是编码参数。这种编码在存储和分布式系统中被广泛应用。
LDPC Codes（Low-Density Parity-Check Codes）：
一种高效的纠删码，使用稀疏矩阵进行编码和解码，适用于需要高冗余和低延迟的系统。
