主流区块链扩容方案：Rollup、侧链、通道与分片

以太坊主网每秒大约处理 15 笔交易。像 Visa 这样的支付网络则能处理数万笔。这个差距正是区块链需要扩容的原因：在不要求每位参与者都在基础链上验证每笔交易的前提下，完成更多工作的方法。过去数年，业界逐渐形成了几种截然不同的方案——Rollup、侧链、支付通道和分片——它们对安全性、去中心化和成本作出了不同取舍。

本指南将讲解主要扩容方案、说明各自背后的机制，并将它们并列比较；下次你在某个项目文档中看到这些术语时，就能清楚区分它们。

可扩展性三难困境

Vitalik Buterin 对可扩展性三难困境的阐释，是这个领域大部分设计所依赖的思维模型。区块链希望同时具备三种属性：“可扩展性：链能够处理的交易多于单个普通节点……所能验证的数量”“去中心化：链无需依赖少数大型中心化参与者的信任即可运行”，以及“安全性：链能够抵御相当大比例的参与节点试图攻击它”——但传统设计通常只能同时实现其中两项（vitalik.eth.limo）。比特币和早期以太坊选择了去中心化与安全性，而非吞吐量；依赖少数强大验证者的高 TPS 链获得了可扩展性和安全性，却牺牲了去中心化；朴素的多链设计可以扩展并保持去中心化，但如果攻击者只需攻破其中一条链，它们就会变得不安全。

下文的每一种方案，本质上都在回答同一个问题：如何在不放弃三角形另外两个顶点的前提下提高吞吐量？

Rollup：链下执行，链上结算

许多小型交易凭证汇入一个标有“Rollup Compressor”的压缩器，被压成一个批次立方体，再发布到由相连区块组成的基础层链上的扁平矢量图

Rollup 在第一层（L1）之外执行交易，随后将精简摘要及底层交易数据发布回基础链。此类系统的主要追踪平台 L2BEAT 将 Rollup 定义为“定期向以太坊发布状态承诺的 L2”，这些承诺“要么由有效性证明验证，要么以乐观方式接受，并可在特定的欺诈证明窗口内通过欺诈证明机制提出挑战”（l2beat.com）。由于数据和承诺都会落在 L1 上，任何人都能仅凭以太坊重建 Rollup 的状态；这使 Rollup 继承 L1 的安全性，而不必要求用户信任一套新的验证者集合。这正是当今大多数人接触的 Layer 2 网络所采用的技术：Base、Arbitrum、Optimism、zkSync 和 Starknet 都是 Rollup。

Rollup 会根据如何证明链下执行正确无误，分为两大类。

乐观 Rollup

两扇并列的门的扁平矢量图：橙色“Optimistic”门配有 7 天时钟和代表欺诈证明窗口的挑战期旗帜；绿色“ZK”门配有即时有效性证明的绿色对勾

乐观 Rollup“假定链下交易有效，且不为交易批次发布有效性证明”（ethereum.org）。运营者将交易打包、在链下执行，再把压缩数据发布到以太坊。随后会开启一个挑战窗口，任何运行全节点的人都可在此期间用欺诈证明质疑该批次；从 L2 将资金提回 L1 必须等到“挑战期——约持续七天——结束”（ethereum.org）。因此，普通的乐观 Rollup 提款大约需要一周；除非借助第三方流动性提供者，以付费方式更快退出。

乐观 Rollup 只需要欺诈证明系统，而不需要完整的密码学证明管线；从历史上看，这使它们更容易支持通用智能合约。Arbitrum、Optimism 和 Base 是当今按使用量计规模最大的乐观 Rollup；ethereum.org 将 Coinbase 的 Rollup Base 描述为“使用 OP Stack 构建的乐观 Rollup”（ethereum.org）。

ZK Rollup

ZK Rollup采取相反的方法：它不假定有效性并设置挑战期，而是在每个批次旁提交有效性证明——即证明该批次状态转换正确的密码学证明。由于以太坊会在链上验证该证明，“从 ZK Rollup 向以太坊转移资金不会有延迟……因为退出交易会在 ZK Rollup 合约验证有效性证明后执行”（ethereum.org）。ZK Rollup“可在一个批次中处理数千笔交易，然后只向主网发布少量摘要数据”（ethereum.org），所用证明系统包括 zk-SNARK（证明小、验证快）和 zk-STARK（透明且无需可信设置）。zkSync Era、Starknet——ethereum.org 将其描述为“基于 STARK 和 Cairo VM 的通用 ZK Rollup”（ethereum.org）——以及 Linea 都是重要的 ZK Rollup；Polygon zkEVM 和 Scroll 也实现了 zkEVM，以便在可由 ZK 证明的环境中运行现有的以太坊智能合约。

其代价在于：生成有效性证明需要大量计算资源，而且要实现完整的 EVM 等价性，其技术构建难度也高于欺诈证明系统——这也是为什么尽管 ZK Rollup 提供更快的终局性，乐观 Rollup 仍更早获得主流采用。

侧链

侧链“是一条独立于以太坊运行、通过双向桥与以太坊主网连接的独立区块链”；与 Rollup 不同，“侧链采用独立的共识机制，无法获得以太坊的安全保障”（ethereum.org）。这正是它与 Layer 2 的核心区别：侧链以继承安全性换取独立的设计自由度，通常也带来更低的费用和更快的出块速度，因为它依赖自身的验证者集合，而非以太坊。

Polygon PoS 是最知名的例子。Polygon 的产品页面将其描述为“以太坊使用最广泛的侧链——经受实战检验，保障数十亿美元价值，交易近乎即时，费用低于一美分”（polygon.technology）。它由自己的权益证明验证者集合保障，而非以太坊。Gnosis Chain（原 xDai）也是一条广泛使用的侧链，此外还有 Skale 和 Metis Andromeda。由于你信任的是一套不同且通常规模更小的验证者集合，侧链的安全性只能与该集合一样强；这与 Rollup 的保障实质不同，后者原则上可以利用锚定在 L1 上的数据发现并回滚无效状态。

状态通道与支付通道

状态通道允许两个或更多参与方将资金锁定在共享合约中，并直接交换经签名的更新来进行链下交易。因此，“通道对等方可以进行任意数量的链下交易，同时只提交两笔链上交易来开启和关闭通道”（ethereum.org）。支付通道则将这种模式专用于简单的余额转移，它“最恰当的描述是由两名用户共同维护的‘双向账本’”（ethereum.org）。参与者之间可以在链下即时交易任意多次，只有在开启通道（锁定抵押品）和关闭通道（结算最终余额）时才会触及基础链。

最著名的实现是比特币的 Lightning Network。其官网将它描述为“利用区块链中的智能合约功能、使参与者网络能够进行即时支付的去中心化网络”，由“可双向使用的支付通道”构成，支付会像数据包在互联网中路由一样被转发（lightning.network）。但它也有局限：通道只能扩展彼此之间存在已开启通道路径的参与方之间的交易；开启通道必须预先承诺资金；通道网络要在大规模下良好运行，还需要流动性路由。通用 Rollup 可为任何人运行任意智能合约，这些限制则不适用。

分片与数据可用性层

交易被拆分至四条并行分片通道（分片 1 至分片 4）的扁平矢量图；每条通道独立处理自己的区块链，所有通道都汇入下方的数据可用性层

分片将区块链的验证工作分配给多个并行的节点子集（“分片”），使任何单一节点都不必处理整个网络的交易负载。Vitalik Buterin 认为“分片是一种能同时获得三者的技术”（vitalik.eth.limo）：它使用随机抽样的验证者委员会并行验证不同分片。使分片能够安全运作、又无需每个节点下载每个分片全部数据的技术是数据可用性抽样（DAS）——“让网络检查数据是否可用，同时又不会给任何单个节点带来过多负担的方法”（ethereum.org）：轻节点只下载区块数据中随机选取的小部分，借助纠删码，仍可确信完整数据已被发布。

同样的数据可用性问题也直接适用于 Rollup，这正是专用数据可用性层成为独立基础设施类别的原因。Celestia 是一条专门构建的模块化区块链，旨在让“Rollup 和 L2 将 Celestia 用作发布交易数据并让任何人都可下载这些数据的网络”（celestia.org），让 Rollup 能将数据发布到比以太坊主网更便宜、为此目的打造的 DA 层。构建在 EigenLayer 再质押基础设施上的 EigenDA 提供类似服务，其安全性来自选择同时保障该 DA 层的以太坊质押者。将数据发布到外部 DA 层而非以太坊 L1 的 Rollup，有时会被称为 validium 或 optimium，而非“纯”Rollup；L2BEAT 将它们作为与 Rollup 及其他 L2 方案并列的独立类别进行追踪（l2beat.com）。它们以一部分锚定于 L1 的安全保障，换取更低的数据发布成本。

方案对比

方案	计算执行位置	继承 L1 安全性？	数据可用性	主要取舍	示例
乐观 Rollup	链下（L2）	是——数据与欺诈证明位于 L1	完整数据发布到 L1	约 7 天的提款挑战期	Arbitrum、Optimism、Base
ZK Rollup	链下（L2）	是——数据与有效性证明位于 L1	完整数据发布到 L1	证明生成昂贵；实现完整 EVM 等价性更难	zkSync、Starknet、Linea
侧链	独立链	否——使用自身共识与验证者	自有链，不发布到 L1	安全性只与自身验证者集合一样强	Polygon PoS、Gnosis Chain
状态／支付通道	链下，在参与方之间	间接继承——资金锁定在 L1	不发布；只有最终状态上链	只能扩展通道连通的参与方之间的交易；资金必须预先锁定	Lightning Network
分片／DA 层	并行分片，或独立 DA 网络	不一——L1 分片继承安全性；外部 DA 层引入新的信任假设	通过数据可用性抽样验证	外部 DA 可降低成本，但会增加 L1 之外的依赖	以太坊的分片路线图、Celestia、EigenDA

没有一种方案能在每个维度上胜出，因此生产系统越来越多地将它们结合使用。例如，一个将数据发布到 Celestia 而非以太坊的 ZK Rollup，可以从一层借用有效性证明带来的安全性，再从另一层获得更低成本的数据可用性。

与代币化域名的关联

扩容选择会影响代币化域名，因为每次铸造、转移、DNS 更新或抵押品操作都是链上交易，其成本和终局性时间取决于它在何处结算。在乐观 Rollup 上确认的代币化 .com 转移，在 L2 上看起来费用低、速度快，但该 Rollup 交易只有在 Rollup 区块被以太坊接受后才达到终局性。快速退出桥不会让 Rollup 状态更早在 L1 上达到终局性：对于提款，流动性提供者会接手待处理的 L2 提款，并在 L1 上向用户付款，通常会收取费用，而标准提款仍须等待挑战期结束。同一笔转移若在 ZK Rollup 上进行，则会在有效性证明上链后立即相对于 L1 达到终局性。侧链的成本可能更低，但若域名 NFT 只存在于某条侧链上，它继承的是该侧链规模更小的验证者集合的安全性，而非以太坊的安全性。理解这些取舍，是理解域名以链上形式表示时你实际拥有何物的一部分；这也是理解Web3 基础知识时应具备的同一种尽职调查习惯。