什麽是區塊鏈中的Layer 1？

在衆多的區塊鏈協議中，不是所有的協議都能夠自成一體。有些協議需要依托於一個基礎層，而有些則能夠獨立運作。能獨立運作的這類區塊鏈即爲Layer 1區塊鏈。

這類區塊鏈能夠獨立處理共識機製、安全性和交易處理等區塊鏈操作的所有方麵。Layer 1區塊鏈相當於建築的地基，爲所有其他區塊鏈應用程序和協議的構建提供了基礎設施和架構。

除了充當基礎層，Layer 1區塊鏈還製定了區塊鏈網絡功能的規則，指導交易驗證過程，併維護區塊鏈的分布式賬本。

此外，Layer 1區塊鏈具備自己的原生代幣，這些代幣用以促進區塊鏈交易和獎勵礦工。比特幣、以太坊、卡爾達諾和波卡是其中一些流行的Layer 1區塊鏈，分別使用BTC、ETH、ADA和DOT作爲代幣。

Layer 1區塊鏈的歷史與髮展

比特幣首次亮相於2008年10月31日，由一位化名爲中本聰的人物髮布了名爲《比特幣：一種點對點的電子現金繫統》的九頁白皮書。該白皮書詳細概述了比特幣的概念及其技術細節。盡管區塊鏈技術的概念併非全新，但比特幣白皮書對構建該貨幣的技術進行了深入闡述，併突出了其在比特幣去中心化過程中的關鍵作用。起初，隻有技術愛好者能夠理解比特幣，但其交易的不可變性、透明性和安全性，也使得它逐漸在技術新手中流行起來。這一切的成就都得益於比特幣背後的區塊鏈技術。

比特幣的創建和推出爲區塊鏈技術的進一步探索鋪平了道路。2011年，前穀歌工程師兼麻省理工學院（MIT）畢業生查爾斯·“查理”·李髮布了第一個所謂的替代加密貨幣（altcoin）——萊特幣。萊特幣雖然在許多方麵與比特幣相似，但它的交易處理速度更快。與比特幣大約需要10分鐘的交易確認時間不衕，萊特幣的交易可以在2.5分鐘內得到確認。

萊特幣和比特幣一樣，採用了工作量證明（Proof-of-Work）共識機製，要求礦工解決覆雜的數學難題。成功解題的礦工將穫得6.25萊特幣作爲獎勵，以鼓勵他們的努力。在萊特幣出現之前，隻有擁有專業挖礦設備的用戶才能參與到比特幣挖礦中。然而，萊特幣的推出使用了Scrypt挖礦算法，這一變化使得更多人能夠參與挖礦。

Scrypt挖掘算法的主要優勢在於其提高了安全性，併允許那些使用較少專業化（非ASIC）硬件的用戶參與挖掘過程。萊特幣，作爲衆多加密貨幣之一，也經歷了顯著的髮展。特別是在2017年實施分離見證（SegWit）之後，萊特幣區塊鏈的可擴展性得到了顯著提升。

隨著區塊鏈技術的不斷髮展，開髮者們開始創造新的區塊鏈和加密貨幣來滿足不衕的需求，衕時也試圖剋服比特幣所麵臨的挑戰。2012年，Jed McCaleb、Arthur Britto和Chris Larsen共衕創立了一家最初名爲OpenCoin的公司，後更名爲Ripple Labs。他們創建了Ripple支付協議及其原生加密貨幣XRP，主要目的是爲了實現快速、低成本的跨境支付。XRP區塊鏈，也稱爲XRP賬本，採用了與比特幣工作量證明共識算法不衕的Ripple協議共識算法（RPCA），通過所謂的唯一節點列錶來驗證併確認交易。盡管萊特幣和Ripple在市值上一直位居比特幣之後，但這一局麵正處於變化之中。

2013年，計算機程序員Vitalik Buterin髮布了《以太坊：下一代智能合約和去中心化應用平颱》白皮書，曏世界介紹了以太坊。以太坊不僅可以用於加密貨幣交易，還提供了一個平颱，使用戶能夠構建去中心化應用，其應用範圍遠比比特幣更爲廣泛。

Vitalik Buteri）髮布以太坊白皮書之後，一群傑出的計算機科學家，包括Gavin Wood、Charles Hoskinson、Amir Chetrit、Anthony Di Iorio、Jeffrey Wilcke和Joseph Lubin等，紛紛加入了以太坊項目的研髮行列。該項目的創始團隊在2014年髮起了首次幣（ICO）募資活動。在2014年7月22日至9月2日期間，通過ICO成功募集了高達1800萬美元的資金。參與投資的人士通過比特幣交換以太坊的原生代幣——以太幣（ETH），期待其未來價值的潛在增長。

雖然以太幣可以被購買，但直到2015年7月30日以太坊的首個版本——Frontier正式髮布之前，該項目併未正式啟動。此次啟動標誌著用戶和開髮者開始能夠執行各種任務，從加密貨幣交易到創建智能合約等，均通過以太坊區塊鏈完成。Frontier版本髮布後，以太坊經歷了數次關鍵升級。

2022年9月15日，以太坊網絡實施了一項重大升級，採納了權益證明（Proof-of-Stake）共識機製。這一變革之所以重要，是因爲與最初採用的工作量證明（Proof-of-Work）相比，權益證明機製在安全性、可擴展性和能效上都有顯著優勢，更加節能且要求更低。

比特幣和以太坊區塊鏈的問世，爲開髮具有顯著改進功能的第一層（Layer 1）區塊鏈奠定了基礎。例如，Gate.io交易所開髮的GateChain解決了資産盜竊和私鑰丟失的問題。Solana區塊鏈由Anatoly Yakovenko於2020年開髮，它不僅提供了更佳的可擴展性，還能處理約65000筆交易每秒（TPS），此外還有許多其他Layer 1區塊鏈技術也已經問世。

理解區塊鏈的三大挑戰

區塊鏈的三大挑戰是一個關鍵概念，由以太坊聯合創始人Vitalik Buterin於2017年3月首次提出。這一挑戰涉及到區塊鏈技術在實現去中心化、安全性和可擴展性方麵的睏難。這意味著區塊鏈繫統很難衕時滿足這三個條件，通常需要在其中一個方麵做出妥協。

去中心化

去中心化是公共區塊鏈最核心的特點之一，它允許用戶之間直接進行點對點的交易，無需通過任何中介機構或中央權威。去中心化的重要性在於，它使用戶能夠完全掌握他們的數字資産。隨著更多的參與者加入網絡，區塊鏈的去中心化程度會進一步增強，因爲控製權被平均分配給了網絡中的所有參與者。

安全性

安全性是公共區塊鏈的另一個關鍵特點。公共區塊鏈必鬚能夠抵禦惡意攻擊和操縱，確保網絡的安全。爲此，區塊鏈採用了密碼學和共識機製。通過密碼學，可以保護用戶的隱私併確保數據的一緻性。例如，工作量證明（PoW）共識機製能夠阻止惡意攻擊者篡改區塊鏈網絡；而在權益證明（PoS）共識機製中，驗證者需要質押特定數量的ETH來參與交易驗證，這樣做的目的是確保驗證者的行爲誠實，否則他們將麵臨資産損失的風險。

可擴展性

可擴展性描述了區塊鏈網絡在不犧牲性能的情況下處理大量交易的能力。對於區塊鏈技術來説，若要與傳統的金融繫統競爭，提高網絡的可擴展性至關重要。雖然可擴展性曾是第一代區塊鏈麵臨的一大挑戰，但通過持續的研究和改進，人們正在努力提升第一代區塊鏈的擴展能力。

解決Layer 1區塊鏈的可擴展性問題

爲了增強Layer 1區塊鏈的可擴展性及其處理能力，開髮者們提出了多種解決策略，包括擴大區塊尺寸、改進共識機製、應用分片技術(sharding)以及採用隔離見證(SegWit)等方法。

增加區塊大小

一個可擴展的區塊鏈是指其區塊能夠包含和處理大量的區塊鏈交易。通過增加區塊大小進行擴展的兩種著名方式是：

• 更新區塊鏈的代碼
• 隔離見證（SegWit）

更新區塊鏈的代碼

通過修改區塊鏈的代碼來增加區塊的大小，是提升區塊鏈處理交易速度的有效手段。

比如，2017年8月1日比特幣現金（Bitcoin Cash, BCH）的誕生，就直接源於此。由於比特幣的可擴展性限製，社區中部分成員認爲有必要把比特幣的區塊大小從1MB提升至8MB。盡管這一提議併未得到全部社區成員的認衕，但支持者仍然推進了這一計畫。

這最終導緻了比特幣現金的分離，它作爲比特幣的一個分支，能夠處理的交易量大於比特幣，實現了每秒100筆交易，而比特幣是每秒7筆。盡管比特幣現金在可擴展性方麵有所改進，但其去中心化程度較低的問題也引髮了一些爭議。

隔離見證（SegWit）

隔離見證通過減少區塊中交易數據的量來提升區塊鏈的可擴展性。它將交易的數字簽名及其他證據數據從主區塊中剝離，併存放於一個專門的SegWit區塊中，這樣主區塊就能夠容納更多的交易。隔離見證已在比特幣區塊鏈中實施，以加快交易速度。

一個標準的區塊鏈交易包括三個主要部分：

• 輸入：交易的髮起方，即啟動交易的人。
• 輸出：交易的接收方，通常包括接收方的錢包地址和所髮送的加密貨幣金額。
• 數字簽名：用以證明交易中使用的加密貨幣屬於髮送方，驗證髮送方的身份。

更改共識機製

共識機製指的是區塊鏈網絡中的參與者如何達成一緻的方式。更改共識機製是提高區塊鏈可擴展性的一種極好方式。這是以太坊從工作量證明共識機製更改爲權益證明共識機製的原因之一。

盡管工作量證明共識機製爲區塊鏈網絡提供了更多的安全性，但它限製了可擴展性。更改共識機製是將區塊鏈網絡擴展的一種極好方式。然而，開髮新的共識機製通常需要多年的研究和精準規畫。

Layer 1分片

分片是一種數據庫分區方式，其中區塊鏈數據庫被分解成更小的部分以衕時處理交易。這意味著在分片中，一個區塊鏈網絡被分割成被稱爲碎片的子集。每個碎片由一組節點或計算機組成。分割後，每個碎片被分配不衕的交易進行驗證。

所以，假設一個區塊鏈網絡由1000個節點或計算機組成。這些節點可以被分成10個碎片，每個碎片大約有100個節點。假設需要驗證10筆交易。每個由100個節點組成的碎片將驗證一筆交易，直到所有10筆交易都被驗證。通過這種方式，交易被衕時且快速地驗證。

Layer 1區塊鏈的例子

比特幣和以太坊是最知名的Layer 1區塊鏈平颱。比特幣基於工作量證明（PoW）共識機製運行，而以太坊則已轉曏採用權益證明（PoS）共識機製。其他著名的Layer 1區塊鏈包括Solana、Avalanche、Flow、Cardano和Cosmos。

Solana

Solana由高通公司前員工Anatoly Yakovenko於2017年創建，旨在解決現有區塊鏈協議的可擴展性問題。Solana採用了權益證明和歷史證明相結合的共識算法。通過爲Solana區塊鏈上的每筆交易創建時間戳，歷史證明算法進一步提升了其可擴展性。

Source:Solana.com

得益於其出色的可擴展性，Solana能夠每秒處理數千至數萬筆交易。Solana的原生代幣SOL於2020年3月推出，作爲交易媒介，在加密貨幣市場中的市值已超過470億美元，成爲前10大加密貨幣之一。

Avalanche

Avalanche是由Avalabs的CEO Emin Gun Sirer於2020年推出的另一種Layer 1區塊鏈，採用Snow共識算法，併擁有自己的原生加密貨幣AVAX，用於促進Avalanche區塊鏈網絡上的交易。

Source. avax.network

自2020年髮布以來，Avalanche的市值已達到約140億美元，其幣AVAX在前10大加密貨幣中排名。Avalanche區塊鏈旨在提高區塊鏈和其他區塊鏈協議的可擴展性和交易處理速度。

Flow

Flow區塊鏈由Dapper Labs創建，Dapper Labs是cryptokitties區塊鏈游戲的創建者，於2009年創建。Flow區塊鏈旨在爲區塊鏈游戲、NFT以及區塊鏈網絡上的其他應用提供可擴展解決方案。

Source: Flow.com

Flow區塊鏈使用權益證明共識算法，併擁有自己的原生加密貨幣代幣，稱爲FLOW，用於在flow區塊鏈上促進交易。Flow的市值已增長到10.5億美元。

Cardano

Cardano是一個開源的Layer 1區塊鏈，由以太坊的共衕創始人Charles Hoskinson創建。雖然它於2015年創建，但直到2017年才推出。Cardano旨在解決現有區塊鏈協議的可擴展性和互操作性問題。

Source: Cardanofeed.com

Cardano允許開髮者和用戶構建去中心化應用（DApps）併支持智能合約。Cardano區塊鏈擁有自己的原生代幣ADA。憑借約190億美元的市值，Cardano在區塊鏈行業穫得了極大的流行，其原生代幣ADA在前10大加密貨幣中排名。

Cosmos

Cosmos區塊鏈於2014年創建併於2019年推出。Cosmos是一個第0層區塊鏈，意味著Layer 1區塊鏈可以在其上存在。作爲一個第0層區塊鏈，Cosmos擁有Layer 1區塊鏈可以用來創建自己生態繫統的基礎設施。目前，Cosmos生態繫統中存在著超過260個區塊鏈，這就是人們稱其爲“區塊鏈的互聯網”的原因。

Source: cosmos.network

Cosmos通過支持快速交易結算、可擴展性、安全性和互操作性，增強了區塊鏈間的互聯互通。目前，Cosmos協議上交易的數字資産總量已超過1500億美元，鑒於其托管了衆多dApps、游戲、市場和項目，這一髮展併不令人意外。

Layer 1與Layer 2區塊鏈對比

除了作爲加密貨幣網絡基礎的第一層（Layer 1）區塊鏈之外，還存在所謂的第二層（Layer 2）區塊鏈。這些第二層區塊鏈構建於Layer 1區塊鏈之上。盡管它們依托於Layer 1區塊鏈以確保安全性和去中心化特性，但第二層區塊鏈在可擴展性方麵遠遠超越了第一層。因此，第二層區塊鏈在處理吞吐量或交易速度方麵，都顯著高於Layer 1區塊鏈。

像Layer 1區塊鏈一樣，第二層區塊鏈也擁有各自的擴展方案，使其能夠在自己的網絡上處理更多的交易量。這些擴展方案包括Rollups、Side Chains（側鏈）和State Channels（狀態通道）。

Rollups

Rollup是一種將多個交易捆綁成單一交易進行處理的技術。在這個過程中，區塊鏈網絡併不是分別處理每一筆交易，而是將多個交易一起從區塊鏈上摘除，在鏈下作爲一個單一交易進行處理，之後再將它們整體帶回併記録在主區塊鏈上。Rollup作爲一種擴展方案，之所以有效，是因爲它大幅增加了區塊鏈每秒能處理的交易數。

Side Chains（側鏈）

側鏈是能夠獨立處理交易的區塊鏈網絡。它們擁有自己的共識機製和驗證節點集合，使其能夠獨立於主鏈進行交易處理。通過側鏈，第二層區塊鏈能在一定時間內處理更多的交易量。

State Channels（狀態通道）

狀態通道在功能上與側鏈類似，它們在鏈下進行交易記録。然而，這些交易通常是以批量形式進行記録的。當一批交易完全處理結束後，這個“已完成”的狀態就會被廣播到主鏈，隨後這批交易會被記録在主鏈上。通過這種方式，第二層區塊鏈能夠在其主鏈或網絡上處理更多的交易。

Layer 1與Layer 2區塊鏈擴容方案概述

結論

通過本文的探討，我們深入了解到Layer 1區塊鏈作爲所有區塊鏈網絡的基礎層，它們奠定了區塊鏈運作的根本規則。這些區塊鏈雖然在安全性和去中心化方麵錶現優異，但麵對的一個主要挑戰便是擴展性問題。然而，隨著對於提高Layer 1區塊鏈擴展性研究的不斷深入，我們有理由期待，在不久的將來，這些區塊鏈技術將實現顯著進步，能夠高效處理龐大數量的加密貨幣交易。