什么是区块链中的Layer 1？

在众多的区块链协议中，不是所有的协议都能够自成一体。有些协议需要依托于一个基础层，而有些则能够独立运作。能独立运作的这类区块链即为Layer 1区块链。

这类区块链能够独立处理共识机制、安全性和交易处理等区块链操作的所有方面。Layer 1区块链相当于建筑的地基，为所有其他区块链应用程序和协议的构建提供了基础设施和架构。

除了充当基础层，Layer 1区块链还制定了区块链网络功能的规则，指导交易验证过程，并维护区块链的分布式账本。

此外，Layer 1区块链具备自己的原生代币，这些代币用以促进区块链交易和奖励矿工。比特币、以太坊、卡尔达诺和波卡是其中一些流行的Layer 1区块链，分别使用BTC、ETH、ADA和DOT作为代币。

Layer 1区块链的历史与发展

比特币首次亮相于2008年10月31日，由一位化名为中本聪的人物发布了名为《比特币：一种点对点的电子现金系统》的九页白皮书。该白皮书详细概述了比特币的概念及其技术细节。尽管区块链技术的概念并非全新，但比特币白皮书对构建该货币的技术进行了深入阐述，并突出了其在比特币去中心化过程中的关键作用。起初，只有技术爱好者能够理解比特币，但其交易的不可变性、透明性和安全性，也使得它逐渐在技术新手中流行起来。这一切的成就都得益于比特币背后的区块链技术。

比特币的创建和推出为区块链技术的进一步探索铺平了道路。2011年，前谷歌工程师兼麻省理工学院（MIT）毕业生查尔斯·“查理”·李发布了第一个所谓的替代加密货币（altcoin）——莱特币。莱特币虽然在许多方面与比特币相似，但它的交易处理速度更快。与比特币大约需要10分钟的交易确认时间不同，莱特币的交易可以在2.5分钟内得到确认。

莱特币和比特币一样，采用了工作量证明（Proof-of-Work）共识机制，要求矿工解决复杂的数学难题。成功解题的矿工将获得6.25莱特币作为奖励，以鼓励他们的努力。在莱特币出现之前，只有拥有专业挖矿设备的用户才能参与到比特币挖矿中。然而，莱特币的推出使用了Scrypt挖矿算法，这一变化使得更多人能够参与挖矿。

Scrypt挖掘算法的主要优势在于其提高了安全性，并允许那些使用较少专业化（非ASIC）硬件的用户参与挖掘过程。莱特币，作为众多加密货币之一，也经历了显著的发展。特别是在2017年实施分离见证（SegWit）之后，莱特币区块链的可扩展性得到了显著提升。

随着区块链技术的不断发展，开发者们开始创造新的区块链和加密货币来满足不同的需求，同时也试图克服比特币所面临的挑战。2012年，Jed McCaleb、Arthur Britto和Chris Larsen共同创立了一家最初名为OpenCoin的公司，后更名为Ripple Labs。他们创建了Ripple支付协议及其原生加密货币XRP，主要目的是为了实现快速、低成本的跨境支付。XRP区块链，也称为XRP账本，采用了与比特币工作量证明共识算法不同的Ripple协议共识算法（RPCA），通过所谓的唯一节点列表来验证并确认交易。尽管莱特币和Ripple在市值上一直位居比特币之后，但这一局面正处于变化之中。

2013年，计算机程序员Vitalik Buterin发布了《以太坊：下一代智能合约和去中心化应用平台》白皮书，向世界介绍了以太坊。以太坊不仅可以用于加密货币交易，还提供了一个平台，使用户能够构建去中心化应用，其应用范围远比比特币更为广泛。

Vitalik Buteri）发布以太坊白皮书之后，一群杰出的计算机科学家，包括Gavin Wood、Charles Hoskinson、Amir Chetrit、Anthony Di Iorio、Jeffrey Wilcke和Joseph Lubin等，纷纷加入了以太坊项目的研发行列。该项目的创始团队在2014年发起了首次币（ICO）募资活动。在2014年7月22日至9月2日期间，通过ICO成功募集了高达1800万美元的资金。参与投资的人士通过比特币交换以太坊的原生代币——以太币（ETH），期待其未来价值的潜在增长。

虽然以太币可以被购买，但直到2015年7月30日以太坊的首个版本——Frontier正式发布之前，该项目并未正式启动。此次启动标志着用户和开发者开始能够执行各种任务，从加密货币交易到创建智能合约等，均通过以太坊区块链完成。Frontier版本发布后，以太坊经历了数次关键升级。

2022年9月15日，以太坊网络实施了一项重大升级，采纳了权益证明（Proof-of-Stake）共识机制。这一变革之所以重要，是因为与最初采用的工作量证明（Proof-of-Work）相比，权益证明机制在安全性、可扩展性和能效上都有显著优势，更加节能且要求更低。

比特币和以太坊区块链的问世，为开发具有显著改进功能的第一层（Layer 1）区块链奠定了基础。例如，Gate.io交易所开发的GateChain解决了资产盗窃和私钥丢失的问题。Solana区块链由Anatoly Yakovenko于2020年开发，它不仅提供了更佳的可扩展性，还能处理约65000笔交易每秒（TPS），此外还有许多其他Layer 1区块链技术也已经问世。

理解区块链的三大挑战

区块链的三大挑战是一个关键概念，由以太坊联合创始人Vitalik Buterin于2017年3月首次提出。这一挑战涉及到区块链技术在实现去中心化、安全性和可扩展性方面的困难。这意味着区块链系统很难同时满足这三个条件，通常需要在其中一个方面做出妥协。

去中心化

去中心化是公共区块链最核心的特点之一，它允许用户之间直接进行点对点的交易，无需通过任何中介机构或中央权威。去中心化的重要性在于，它使用户能够完全掌握他们的数字资产。随着更多的参与者加入网络，区块链的去中心化程度会进一步增强，因为控制权被平均分配给了网络中的所有参与者。

安全性

安全性是公共区块链的另一个关键特点。公共区块链必须能够抵御恶意攻击和操纵，确保网络的安全。为此，区块链采用了密码学和共识机制。通过密码学，可以保护用户的隐私并确保数据的一致性。例如，工作量证明（PoW）共识机制能够阻止恶意攻击者篡改区块链网络；而在权益证明（PoS）共识机制中，验证者需要质押特定数量的ETH来参与交易验证，这样做的目的是确保验证者的行为诚实，否则他们将面临资产损失的风险。

可扩展性

可扩展性描述了区块链网络在不牺牲性能的情况下处理大量交易的能力。对于区块链技术来说，若要与传统的金融系统竞争，提高网络的可扩展性至关重要。虽然可扩展性曾是第一代区块链面临的一大挑战，但通过持续的研究和改进，人们正在努力提升第一代区块链的扩展能力。

解决Layer 1区块链的可扩展性问题

为了增强Layer 1区块链的可扩展性及其处理能力，开发者们提出了多种解决策略，包括扩大区块尺寸、改进共识机制、应用分片技术(sharding)以及采用隔离见证(SegWit)等方法。

增加区块大小

一个可扩展的区块链是指其区块能够包含和处理大量的区块链交易。通过增加区块大小进行扩展的两种著名方式是：

• 更新区块链的代码
• 隔离见证（SegWit）

更新区块链的代码

通过修改区块链的代码来增加区块的大小，是提升区块链处理交易速度的有效手段。

比如，2017年8月1日比特币现金（Bitcoin Cash, BCH）的诞生，就直接源于此。由于比特币的可扩展性限制，社区中部分成员认为有必要把比特币的区块大小从1MB提升至8MB。尽管这一提议并未得到全部社区成员的认同，但支持者仍然推进了这一计划。

这最终导致了比特币现金的分离，它作为比特币的一个分支，能够处理的交易量大于比特币，实现了每秒100笔交易，而比特币是每秒7笔。尽管比特币现金在可扩展性方面有所改进，但其去中心化程度较低的问题也引发了一些争议。

隔离见证（SegWit）

隔离见证通过减少区块中交易数据的量来提升区块链的可扩展性。它将交易的数字签名及其他证据数据从主区块中剥离，并存放于一个专门的SegWit区块中，这样主区块就能够容纳更多的交易。隔离见证已在比特币区块链中实施，以加快交易速度。

一个标准的区块链交易包括三个主要部分：

• 输入：交易的发起方，即启动交易的人。
• 输出：交易的接收方，通常包括接收方的钱包地址和所发送的加密货币金额。
• 数字签名：用以证明交易中使用的加密货币属于发送方，验证发送方的身份。

更改共识机制

共识机制指的是区块链网络中的参与者如何达成一致的方式。更改共识机制是提高区块链可扩展性的一种极好方式。这是以太坊从工作量证明共识机制更改为权益证明共识机制的原因之一。

尽管工作量证明共识机制为区块链网络提供了更多的安全性，但它限制了可扩展性。更改共识机制是将区块链网络扩展的一种极好方式。然而，开发新的共识机制通常需要多年的研究和精准规划。

Layer 1分片

分片是一种数据库分区方式，其中区块链数据库被分解成更小的部分以同时处理交易。这意味着在分片中，一个区块链网络被分割成被称为碎片的子集。每个碎片由一组节点或计算机组成。分割后，每个碎片被分配不同的交易进行验证。

所以，假设一个区块链网络由1000个节点或计算机组成。这些节点可以被分成10个碎片，每个碎片大约有100个节点。假设需要验证10笔交易。每个由100个节点组成的碎片将验证一笔交易，直到所有10笔交易都被验证。通过这种方式，交易被同时且快速地验证。

Layer 1区块链的例子

比特币和以太坊是最知名的Layer 1区块链平台。比特币基于工作量证明（PoW）共识机制运行，而以太坊则已转向采用权益证明（PoS）共识机制。其他著名的Layer 1区块链包括Solana、Avalanche、Flow、Cardano和Cosmos。

Solana

Solana由高通公司前员工Anatoly Yakovenko于2017年创建，旨在解决现有区块链协议的可扩展性问题。Solana采用了权益证明和历史证明相结合的共识算法。通过为Solana区块链上的每笔交易创建时间戳，历史证明算法进一步提升了其可扩展性。

Source:Solana.com

得益于其出色的可扩展性，Solana能够每秒处理数千至数万笔交易。Solana的原生代币SOL于2020年3月推出，作为交易媒介，在加密货币市场中的市值已超过470亿美元，成为前10大加密货币之一。

Avalanche

Avalanche是由Avalabs的CEO Emin Gun Sirer于2020年推出的另一种Layer 1区块链，采用Snow共识算法，并拥有自己的原生加密货币AVAX，用于促进Avalanche区块链网络上的交易。

Source. avax.network

自2020年发布以来，Avalanche的市值已达到约140亿美元，其币AVAX在前10大加密货币中排名。Avalanche区块链旨在提高区块链和其他区块链协议的可扩展性和交易处理速度。

Flow

Flow区块链由Dapper Labs创建，Dapper Labs是cryptokitties区块链游戏的创建者，于2009年创建。Flow区块链旨在为区块链游戏、NFT以及区块链网络上的其他应用提供可扩展解决方案。

Source: Flow.com

Flow区块链使用权益证明共识算法，并拥有自己的原生加密货币代币，称为FLOW，用于在flow区块链上促进交易。Flow的市值已增长到10.5亿美元。

Cardano

Cardano是一个开源的Layer 1区块链，由以太坊的共同创始人Charles Hoskinson创建。虽然它于2015年创建，但直到2017年才推出。Cardano旨在解决现有区块链协议的可扩展性和互操作性问题。

Source: Cardanofeed.com

Cardano允许开发者和用户构建去中心化应用（DApps）并支持智能合约。Cardano区块链拥有自己的原生代币ADA。凭借约190亿美元的市值，Cardano在区块链行业获得了极大的流行，其原生代币ADA在前10大加密货币中排名。

Cosmos

Cosmos区块链于2014年创建并于2019年推出。Cosmos是一个第0层区块链，意味着Layer 1区块链可以在其上存在。作为一个第0层区块链，Cosmos拥有Layer 1区块链可以用来创建自己生态系统的基础设施。目前，Cosmos生态系统中存在着超过260个区块链，这就是人们称其为“区块链的互联网”的原因。

Source: cosmos.network

Cosmos通过支持快速交易结算、可扩展性、安全性和互操作性，增强了区块链间的互联互通。目前，Cosmos协议上交易的数字资产总量已超过1500亿美元，鉴于其托管了众多dApps、游戏、市场和项目，这一发展并不令人意外。

Layer 1与Layer 2区块链对比

除了作为加密货币网络基础的第一层（Layer 1）区块链之外，还存在所谓的第二层（Layer 2）区块链。这些第二层区块链构建于Layer 1区块链之上。尽管它们依托于Layer 1区块链以确保安全性和去中心化特性，但第二层区块链在可扩展性方面远远超越了第一层。因此，第二层区块链在处理吞吐量或交易速度方面，都显著高于Layer 1区块链。

像Layer 1区块链一样，第二层区块链也拥有各自的扩展方案，使其能够在自己的网络上处理更多的交易量。这些扩展方案包括Rollups、Side Chains（侧链）和State Channels（状态通道）。

Rollups

Rollup是一种将多个交易捆绑成单一交易进行处理的技术。在这个过程中，区块链网络并不是分别处理每一笔交易，而是将多个交易一起从区块链上摘除，在链下作为一个单一交易进行处理，之后再将它们整体带回并记录在主区块链上。Rollup作为一种扩展方案，之所以有效，是因为它大幅增加了区块链每秒能处理的交易数。

Side Chains（侧链）

侧链是能够独立处理交易的区块链网络。它们拥有自己的共识机制和验证节点集合，使其能够独立于主链进行交易处理。通过侧链，第二层区块链能在一定时间内处理更多的交易量。

State Channels（状态通道）

状态通道在功能上与侧链类似，它们在链下进行交易记录。然而，这些交易通常是以批量形式进行记录的。当一批交易完全处理结束后，这个“已完成”的状态就会被广播到主链，随后这批交易会被记录在主链上。通过这种方式，第二层区块链能够在其主链或网络上处理更多的交易。

Layer 1与Layer 2区块链扩容方案概述

结论

通过本文的探讨，我们深入了解到Layer 1区块链作为所有区块链网络的基础层，它们奠定了区块链运作的根本规则。这些区块链虽然在安全性和去中心化方面表现优异，但面对的一个主要挑战便是扩展性问题。然而，随着对于提高Layer 1区块链扩展性研究的不断深入，我们有理由期待，在不久的将来，这些区块链技术将实现显著进步，能够高效处理庞大数量的加密货币交易。