Ethereum 側鏈與 Layer 2：差異是什麼？

隨著數百萬使用者加入 Ethereum 網路，開發者每天都在建構 Ethereum 應用程式，Ethereum 受限於其交易數量。Ethereum 處理交易的能力，也就是交易吞吐量，限制在每秒 15 筆交易，這使得它變得愈來愈昂貴，且經常過於擁塞，讓許多人無法使用。

Ethereum 網路是主鏈，所有直接發生在其上的交易都是「on-chain」，其他則被視為「off-chain」。正是這些 off-chain 解決方案，例如 sidechain 和 layer 2，能夠協助 Ethereum 擴展規模，提升交易速度並增加網路能處理的交易資料量。本文將說明什麼是 sidechain 和 layer 2 解決方案，以及它們如何協助解決擴展性問題。

Sidechain 和 layer 2 解決了什麼問題？

Sidechain 和 layer 2 Ethereum 解決方案處理的是協助 Ethereum 擴展規模的問題。試圖在鏈上提升效能，往往會在 Ethereum 的去中心化或擴展性之間做出取捨——這就是所謂的可擴展性三難困境（Scalability Trilemma）。

提升 Ethereum layer 1 的複雜度並非理想做法，因為這會增加平台持續討論、決定並實作新改進所需的治理成本。Sidechain 和 layer 2 解決方案則能在維持安全性與去中心化的同時，為所有人帶來持續且漸進式的創新，改善 Ethereum。

Sidechain 和 layer 2 解決方案的主要差異是什麼？

Sidechain 和 Ethereum layer 2 解決方案的主要差異在於：layer 2 繼承了 Ethereum 主網的安全性，而 sidechain 則依賴自身的安全性。

什麼是 Ethereum sidechain？

Ethereum sidechain 是一個與 Ethereum 主鏈並行運作的獨立區塊鏈網路。 Sidechain 透過雙向錨定（two-way peg）系統與主鏈連接，讓資產能夠在兩條鏈之間交換。

Sidechain 基本上分為兩種類型：一種是某條鏈依賴另一條鏈，另一種則是彼此獨立。

當某條鏈依賴於像 Ethereum 這樣的鏈時，可以將其視為這條母鏈（parent chain）的子鏈（child chain）。通常，子鏈不會自行產生資產，而是透過從母鏈轉移而來取得資產。

Sidechain 擁有自己的共識協定，通常是為特定類型的交易而設計，讓它們能更快速且更具成本效益。然而，這也意味著它們通常不會繼承 Ethereum 的安全特性，使用 sidechain 時，你會失去對資金的保管權，並完全依賴該 sidechain 自身的安全性，包括參與其共識協定的節點。

Sidechain 減輕了主鏈的壅塞狀況，降低所有人的成本，並提升Ethereum 生態系的可用性與擴展性。開發者也能利用 sidechain 來探索與測試主鏈上尚未提供的新功能與使用情境。

常見的 sidechain 包括 Polygon PoS、Skale 和 Rootstock。Ethereum 2.0 也有自己版本的 sidechain，稱為shard chain，它們連接到近期推出的Beacon Chain，該鏈的最終目標是成為以 proof of stake（PoS）為基礎的 Ethereum 主鏈。

Sidechain 如何運作？

Sidechain 透過雙向錨定系統或橋接（bridge）與主鏈連接來運作。 從主鏈上，你可以將你的 Ethereum 傳送到一個作為保管箱（lockbox）的退出地址（exit address），讓你無法在其他地方花費這筆資產。

這筆交易完成後，並經過用於加強安全性的「爭議期」（contest period）後，系統會提供一份稱為「Simple Payment Verification」（SPV）的收據。這會觸發透過智慧合約從 sidechain 上的保管箱釋出相同價值的資產。當從 sidechain「轉移」回主鏈時，會發生完全相同的流程，只是方向相反。

如何在 sidechain 上開發？

Sidechain 是以 Ethereum Virtual Machine（EVM） 為基礎建構的，EVM 是 Ethereum 的運算引擎，這種與 Ethereum Virtual Machine 的相容性代表開發者想在 sidechain 上使用他們的應用程式時，不需要做任何修改。只需要部署相同的程式碼即可，因為它們都共享相同的 Solidity 軟體層，並且可以透過相同的 Web3 API 存取！

什麼是 layer 2 protocol？

Layer 2 protocol 是存在於 Ethereum 鏈內部、但能透過次級框架達成更高擴展性的鏈。透過將大部分的活動交由第二層處理，這減輕了主層的壅塞情況。與 sidechain 不同，layer 2 通常會繼承主鏈的安全特性。

Layer 1 是基礎區塊鏈。Ethereum 是一條 layer 1 區塊鏈，因為它是各種 layer 2 區塊鏈建構於其上的基礎底層。簡單來說，layer 2 會壓縮一批交易，並將其提交至 Ethereum 主網。

什麼是 layer 2 擴展解決方案？

Layer 2 擴展解決方案包括 channel、rollup 和 plasma。 以下逐一說明這些解決方案。

1. State channel

透過 state channel，使用者彼此直接進行 off-chain 交易，並將 on-chain 交易減少到只剩下最重要的資訊。具體而言，區塊鏈的一部分會透過智慧合約鎖定，讓參與該交易的各方必須完全達成共識才能更新狀態。

參與者透過建立並簽署可提交至區塊鏈的交易，彼此間更新狀態。當你想停止使用該 channel 時，就退出並將最後的狀態更新提交至主鏈，這會再次解鎖該狀態。

2. Rollups

Rollup 會在 Ethereum 主鏈之外執行交易，然後將多筆交易批次打包，再送回 Ethereum 主網。Rollups 依賴證明（proof）讓 Ethereum 能夠在不處理交易的情況下驗證其正確性。

兩種 rollup 分別是什麼？

一般而言，rollup 分為兩種類型：Zero-knowledge（ZK）Rollups 和 Optimistic Rollups。

1. Zero-knowledge rollups（ZK rollups）

Zero-Knowledge Rollups（ZK rollups） 使用有效性證明（validity proof）。每一批交易都包含一個稱為 Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge（SNARK）的密碼學證明，由 Ethereum 主層上的合約進行驗證。

由於主鏈上只需儲存有效性證明，而不需要儲存龐大的交易資料，這種 off-chain 運算能節省大量的處理時間與運算資源，使得zero-knowledge rollup更快速且更有效率。

2. Optimistic rollups

Optimistic Rollups 使用詐欺證明（fraud proof）。顧名思義，它們預設假定所有交易都是有效的，並在沒有任何初始證明的情況下提交批次。系統設有一段挑戰期，讓其他人能夠偵測並證明某批次中的資料是詐欺性的。

如果該批次被證實是詐欺性的，Optimistic rollup 會執行詐欺證明，並使用 Ethereum 主鏈上可取得的資料，重新執行正確的交易運算。要求參與者質押 ETH，並依其行為給予獎勵或處罰，藉此激勵良好行為。

像 Optimism 這樣的公司透過提供更高的吞吐量、更低的延遲與更低的 gas 費用，協助 Ethereum 擴展規模。在撰寫本文時，Optimism 的 gas 費用最多比 Ethereum 便宜 10 倍！

3. Plasma

可以把 Plasma 想像成 Ethereum 原生的 sidechain，它結合智慧合約與 Merkle 樹，建立出可無限分支的子鏈。這些子鏈是 Ethereum 主鏈的縮小版複本，擁有自己的共識機制。

運算所需的頻寬與交易資料會從母鏈卸載，但會定期發布到根鏈（root chain）。每條子鏈都依賴類似 rollup 的詐欺證明系統來確保安全性，並設有一段任何人都能對其有效性提出挑戰的時間。

與其他 sidechain 的關鍵差異在於，每個 plasma chain 區塊的「根」（root）都會發布到 Ethereum 上，這代表它確實會繼承主鏈的安全性。

像 Polygon 這樣的公司為開發者與終端使用者提供更快速的交易，並大幅降低 gas 費用。這些明顯的優勢讓在 plasma 上建構變得極具吸引力，也不難理解為何它們會出現爆炸性成長。

Alchemy 支援哪些 sidechain 和 layer 2？

取得免費的 Alchemy 開發者帳號，開始在 Ethereum 或以下這些 sidechain 和 Ethereum layer 2 上進行建構：

• Polygon（Sidechain）
• Arbitrum（Layer 2）
• Optimism（Layer 2）
• Starknet（Layer 2）

大規模採用像 sidechain 與 layer 2（channel、optimistic rollup、zk rollup 和 Plasma）這類擴展解決方案，能減輕 Ethereum mainnet 的壓力，進而協助更多使用者加快較慢的交易時間、降低過高的交易費用，同時仍維持相同的安全保證（在 Layer 2 解決方案的情況下），以及 Ethereum 眾所周知的去中心化應用程式。