区块链是一个开放的网路系统，任何人都有权利担任节点参与记帐。而如何制定一套遊戏规则，让所有节点共同遵守，使区块链能够顺利运作便是一个相当重要的问题。
Layer 1 是区块链系统的底层，包含了所有矿工都必须遵守的规则，其设计是为了让区块链能够保持状态的「帐本一致性」与「交易最终性」，让节点以不可窜改的方式记录数据，并在没有中央审查的情况下以加密的方式达成共识。简单来说 Layer 1 就是区块链的底层协议，大家常听到的共识机制、区块、私钥或地址等等，都是 Layer 1 范畴。在本文中，我们将详细阐述和探讨Layer 1。
Layer 1的定义
Layer 1是实现区块链协议的底层网络，Layer1扩容，又称为链上扩容。目前多数的公链都属于 Layer1 这个层级。
Layer 1协议能够在自身的区块链上处理并完成交易，同时自带用于支付交易费用的原生代币。因此，Layer 1区块链一般可以通过销售代币获得巨额资金，并以此与以太坊竞争。Layer 1区块链能够通过代币激励来吸引用户，但随着以太坊通过Rollups 提高自身的可扩展性，Layer 2和Layer 1之间的差异也越来越小。
Layer 1发展历程
十年前，比特币作为第一种加密货币走进了我们的视野。中本聪发表了名为《比特币：点对点电子现金系统》的白皮书，书中介绍了比特币区块链网络的强大功能。 这一天是比特币发展史上的重要时间点，也为随后区块链兴起开辟了道路。四个月后，中本聪（其真实身份至今仍是不解之谜）开采出了比特币网络的首个区块，又名创世区块。
2015 年 7 月 30 日，以太坊主网正式启动。 作为目前市值第二大的加密资产，以太坊给加密货币世界带来了智能合约以及去中心化金融（DeFi）。 这些成果让以太坊得以在其区块链上运行整个生态系统，而这一生态系统也支撑起了以太坊自己的原生货币：以太币 ETH。
2018 年 1 月，比特币价格创下历史新高，此后涌现出了许多新兴加密资产，其中包括 EOS（2017 年 7 月）、波场 Tron（2017 年 9 月）和卡尔达诺 Cardano（2017 年 10 月）。
2021年是以太坊之外的公链爆发的一年，基于区块链的各种应用也逐渐进入了大众视野。以太坊以及智能合约带来了DeFi、NFT、GameFi，以至于metaverse等领域。但以太坊链上应用的爆炸式增长也导致了链上容量不足的问题，并由此导致了居高不下的gas fee。任何一笔以太坊上的普通交易都需要支付几十美元的gas fee交易费用，这对于绝大多数普通使用者来说都是无法接受的。
以太坊正在由PoW区块链转变为PoS区块链，升级后的以太坊2.0将会大幅提高容量和速度。但是以太坊2.0迟迟未能上线，令使用者在2021年全年都在承受高昂的gas费。这也催生出了一大批基于PoS技术，交易速度更快，容量更高的支持智能合约的Layer 1区块链，包括了Binance Smart Chain, Solana, Avalanche, Terra, Cardano, Polkadot等。上述每一个Layer 1公链都在2021年间吸引了大量资金，大批的开发者在这些有着不同特点的智能合约平台上推出DeFi、NFT、GameFi、DEX等等各种应用，这些公链逐渐抢夺了以太坊所占有的部分市场。
随着以太坊网络用户量的与日俱增，网络拥堵以及高gas fee成为各应用的首要问题。市场对以太坊网络的需求逐渐加大，缓解gas fee问题也就成了重中之重。10月26日，以太坊创始人V神在会上发表《通往以Layer 2为中心的以太坊之路》，称Layer 2为以太坊扩展的未来。
在数据量增大且网络拥堵的情况下，通过扩大容量，缓解当前网络所受的压力，Layer（层级）的概念就油然而生。Layer 2是一个为提升以太坊网络（Layer 1）性能的整体扩容解决方案。
区块链彼此独立，每条链都有自己的架构，不与其他链互通。比如，以太坊链上的ETH无法被Solana辨识，因为ETH并不是 Solana 架构下的产物。若要转移它，只能使用跨链协议（IBC）。
这一局面已被LayerZero改变。2022年3月31日，LayerZero Labs以10亿美元估值获得1.35亿美元的A+轮投资。LayerZero由加拿大团队LayerZero Labs开发，是一个全能互操作协议，能够串联不同的区块链上的资产、讯息、数据和合约，形成一条全能链（Omnichain）。LayerZero最早的协议支持Ethereum、Arbitrum、Avalanche, BSC, Fantom, Optimism, Polygon七个链，兼容EVM。开发团队也计划把Cosmos Hub、Terra和Cronos等非EVM链纳入路线图。
图源： layerzero.network
Stargate是基于LayerZero开发的跨链DEX项目，由LayerZero Lab推出。目前，它支持以太坊、Avalanche、BSC、Polygon、Fantom、Arbitrum和Optimism的稳定币跨链。Stargate跨链桥由LayerZero Labs团队开发，也是根据LayerZero开发出来的第一个生态应用。上线几天内项目TVL达到30多亿，目前仍有7亿多。所有Stargate上的跨链资产都是原生资产，不过目前仅支持稳定币和生态代币STG。
“区块链不可能三角”问题
区块链自诞生之初一直伴随着一个“不可能三角”问题，即安全、可扩展性、去中心化。区块链技术与互联网最大的不同就在于去中心的特质，而让资产真正掌握在自己手中，是由于区块链足够安全才能做到的，最终只能牺牲拓展性，去实现另外两个。
随着区块链应用的增长，越来越多的人参与进来，网络的拥堵导致低下的交易速度，交易手续费也变得高企难忍，尤其是随着越来越多的交易发生在比特币网络上，无数的 Dapps 被部署在以太坊上，手续费、交易性能的矛盾越发突出，人们只能寻求更佳的解决方案，来处理这个问题。
为“解决”这个不可能三角问题，人们开始探索各种可能性，在涌现出来许许多多的解决方案中，其中之一便是 Layer 2（二层网络）。
Layer 1区块链示例
比特币作为已经诞生10年的技术，尽管共识最强大，但在性能方面确实有些跟不上时代；以太坊作为当前共识最强、最多创新的Layer 1区块链，催生出非常多代表性的应用，不过作为2014年问世的公链，期间虽经数次升级，但仍无法满足快速增长的性能需求，许多团队开始着手寻找、甚至构建替代方案。以下是一些值得注意的Layer 1区块链示例：
号称每秒负载6万笔交易的高性能公链Solana
图源：solana.com
Solana由主要科技公司高通、英特尔和Dropbox的前软件工程师于2017年底创立，其代币于2020年3月正式向公众发布。
Solana是一个layer 1区块链网络，开发者可通过智能合约构建项目和整个生态系统。由于其优越的架构，Solana可以说是加密领域最快的区块链平台。它每秒交易量约为65000个，与其他顶级项目相比，Solana的交易可以说是一骑绝尘。Solana也是迄今为止最环保的区块链平台。根据研究，Solana中的每一笔交易消耗的能量仅与两次谷歌搜索相当。
兼具可扩展性及互操作性的Avalanche
图源： avax.network
Avalanche ($AVAX) 是一个可以提供智能合约的区块链平台，专注于交易速度、低成本和生态友好性。然而， Avalanche 真正想要的是在不影响去中心化或安全性的前提下提供极高扩展性。
自2020年Ava Labs推出Avalanche后，AVAX在加密货币中的排名迅速攀升，如今已成为最受欢迎的币种之一。Avalanche的市值也一路飞涨，现在Avalanche生态已遍布dapp，总价值接近140亿美元。Avalanche dapps是建立在Avalanche生态系统内的各种去中心化应用程序，也被称为Web3.0应用程序或简称dapps。下图展示了Avalanche的增长，其中列出了Avalanche生态系统及其仅在一年内创建的所有dapps。
图源： avaxholic.com
顶流IP入驻的公链Flow
图源：flow.com
Flow则是2021年崛起的新晋NFT公链黑马，旨在为下一代应用程序、游戏以及数字资产打造一个更加具有适用性的新式公链。2020年10月，Flow在Coinlist上进行公募。
2022年2月6日，Flow链上NFT交易额突破9亿美元，创下历史新高。Flow公链的开发商Dapper Labs，也是2017年在以太坊上爆火一时的加密猫（CryptoKitties）的开发商。与Solana、Avalanche此类旨在成为“以太坊杀手”的高性能公链不同，Flow公链自开始便旨在为下一代应用程序、游戏以及数字资产打造一个更加具有适用性的新式公链。
打造区块链网际网路的Cosmos
图源：cosmos.network
Cosmos区块链创建于2014年，于2019年正式推出。Cosmos是一个layer 0区块链，这意味着layer 1区块链可以在其上运行。作为一个layer 0区块链，Cosmos拥有一个layer 1区块链可以用来创建生态系统的基础设施。目前，Cosmos生态内存在着260多个区块链，这就是人们称之为“区块链互联网”的原因。Cosmos上的数字资产交易量现已超过1,500亿美元，考虑到相关区块链所承载着的许多dApp、游戏、市场和项目，这一发展并不令人惊讶。Cosmos增强了区块链之间的快速交易最终性、扩容性、安全性和互操作性。
兼容以太坊开发语言的Polygon
图源：polygon.technology
Polygon是一种框架，可用于创建与以太坊兼容的区块链网络和扩展解决方案。它更像是一种协议，而不是单一的解决方案。该生态系统中的一项主要产品正是Polygon SDK，它能够协助开发人员创建兼容以太坊的网络。该项目最初起步时名为“MATIC网络”。随着项目范围从单一的Layer 2 (L2)解决方案扩展为“网络的网络(network of networks)”，最终更名为“Polygon”。
Polygon支持以太坊虚拟机(EVM)，现有的应用程序均可相对轻松地迁移至此。除了获得与以太坊相匹敌的体验，用户还能享受到上文提到的高吞吐量和低廉交易费用。Polygon已经部署了一些最热门的去中心化金融(DeFi) DApp，例如：Aave、1INCH、Curve以及Sushi。当然，还有一些Polygon独有的原生应用程序，包括QuickSwap和Slingshot。
今后，Polygon平台希望支持类型更广泛的扩展解决方案，包括：零知识汇总(ZK Rollup)、乐观汇总(Optimistic Rollup)以及Validum链。随着扩展解决方案陆续问世，开发人员将获得更多工具，不断开发创新型应用程序、解决方案和产品。此外，所有方案都能与现有的以太坊工具和钱包兼容（例如MetaMask）。
Layer 1 — EVM, Layer 2
所有Layer 1网络皆在相互竞争以吸引开发者及用户，但若没有类似以太坊的工具及基础设施，使其易于建构及使用，将很难吸引新人进驻并发展生态。为弭平差距，许多Layer 1网络会考虑兼容EVM。
EVM意指以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine），可以视作是以太坊执行计算并达成交易的大脑。透过使Layer 1网络与EVM兼容，以太坊开发者可以方便地将现有的以太坊应用部署到新的Layer 1网络。用户现有钱包也可轻易访问EVM兼容的Layer 1网络，这使得资产在链与链间的转移变得更简单。
以BSC为例，在推出兼容EVM的网络，调整共识获得更高的吞吐量及更低的交易费后，BSC使用量剧增，其上出现了几十种DeFi协议，而这些协议大部分与以太坊上的热门协议（Uniswap、Curve）相似。Avalanche、Fantom、Tron及Celo皆采取相同做法。而Terra及Solana目前并不与EVM兼容。
Layer 1网络及侧链都面临着一个显著的挑战：如何确保区块链的安全性。为达到这一目标，他们必须支付矿工及验证人奖励，以确保交易正常，通常奖励为链上的基础代币（Polygon的MATIC，Avalanche的AVAX）。
然而，这一方案有两个缺点：拥有基础代币自然会使生态系统成为以太坊的竞争者，而非与以太坊互补；验证及确保交易是一项复杂且具有挑战性的任务，网络将至始至终为其负责。
而Layer 2网络的目标则是创建可扩容的生态系统，并借用以太坊的安全性。Layer 2主要利用「rollups」技术实现。简单来说，Layer 2网络是位于以太坊上的独立生态系统，且一般没有原生代币，本质上是以太坊的一部分。
Rollups运行原理
Layer 2网络通常被称为Rollup，因为他们将交易「卷起来」或「捆绑」在一起，并在新的环境中执行，之后再将更新后的数据传回以太坊。与其让以太坊网络单独处理1000笔Uniswap交易（较昂贵），不如在将结果提交给以太坊之前将计算堆叠在Rollup上处理（较便宜）。
然而，当结果发送回以太坊后，以太坊如何知道这些数据是正确及有效的？以及以太坊如何防止任何人发布不正确的讯息？如何解决这些关键问题区分了两类Rollup：Optimistic rollups及ZK rollups。
Optimistic Rollups
当提交结果回以太坊时，optimistic rollups乐观地假设它们是有效的。换句话说，rollup验证者可以提交任何数据（包括潜在的错误/欺诈性数据），并假设它是正确的。
但与此同时，有一些方法可以打击欺诈行为。在任何提款后皆有一个时间段，任何挑战者都可以检查是否有欺诈行为（区块链是透明的，任何人都可以在链上观察正在发生的事情）。如果这些挑战者能从数学上证明发生了欺诈行为（通过提交欺诈证明），rollup网络将恢复欺诈性交易，并惩罚不良行为者，奖励挑战者。
Optimistic Rollups的缺点在于当资金在rollup网路及以太坊之间移动时，会有短暂的延迟，需要等待看是否有挑战者发现任何欺诈活动。在某些情况下，这可能长达一个星期，但预计这些延迟会随着项目的发展而减少。
Arbitrum及Optimistic
Arbitrum（由Off-chain Labs管理）及Optimistic（由Optimism管理）是目前采用optimistic rollups技术的两个主要项目。值得注意的是，这两个项目仍处于早期阶段，两家公司都保持着中心化运营，但计划随着时间的推移将逐步实现去中心化。
当技术发展成熟，optimistic rollups估计可提供以太坊10-100倍的可扩容性。即使在早期，Arbitrum及Optimism上的DeFi应用也已经积累了数十亿的网络价值。
Optimism尚在采用发展早期阶段，目前已在七个DeFi应用上有超过3亿美元的总锁定价值（TVL），包括Uniswap、Synthetix及1inch等等。
ZK Rollups
与Optimistic rollups不同，ZK rollups向以太坊网络实际证明交易为有效的，而不是用假设的方式。
在提交捆绑后的交易结果的同时，他们向以太坊智能合约提及所谓的有效性证明（validity proof）。顾名思义，有效性证明让以太坊网络验证此交易是否有效，使中继节点无法欺骗系统。这消除了验证交易是否为欺诈的等待期，因此在以太坊及ZK rollups网络间移动资金实际上是即时的。
虽然即时结算、没有提款时间听起来很诱人，但ZK rollups并不是没有代价的。首先，生成有效性证明是计算密集型的工作，需要高功率的机器才能实现。其次，有效性证明的复杂性使得实现EVM兼容更加困难，也限制了可以部署到ZK rollups的智能合约类型。因此，虽然Optimistic rollups已率先进入市场，并且更有能力解决以太坊当前的扩容困境，但从长远来看，ZK rollups可能为一个较好的技术解决方案。
Layer 1链总锁仓量变化
图源：defillama.com/chains
以太坊在DeFi的总锁仓量(TVL)占比，从2021年Q4的62.43%上升到2022年Q2的63.35%。
以太坊当今的交易延迟(time-to-finality)大约是12-60秒，每秒能处理15-30笔交易（tps）。这样的tps远低于传统支付系统，例如Visa每秒能处理1700笔交易。
以太坊的Layer 2 扩容方案则能将交易性能提高到每秒2000-4000笔交易。
相较之下，2021年从以太坊手中夺走DeFi市场份额的Layer 1协议--Solana、BSC和Avalanche，已达到了更高的交易吞吐量。在你考虑分片技术和Layer 2之前，Avalanche已经实现了小于1秒的交易延迟(time-to-finality)与每秒4500笔交易。
Solana每秒能处理2000多笔交易(tps)，交易延迟(time-to-finality)约13秒，币安智能链则是150 tps，区块时间为3秒。
下列图标展示了部分区块链的总锁仓量与价值；以太坊从2020年9月开始一直是表现最好的。
图源：defillama.com/chains
下列图表展示了部分链的总锁仓量(TVL)。绝大部分TVL集中在以太坊 (ETH)、BSC (BNB) 和Tron (TRON)。
图源：defillama.com/chains
结语
比特币和区块链展现了颠覆全球金融体系的巨大潜力。以太坊智能合约的引入使分布式应用程序（dApps）超跃了中心化公司的控制。然而，由于比特币和以太坊的性能有限，许多人认为区块链在本质上速度缓慢、费用昂贵且难以扩展。
幸运的是，得益于一系列Layer 1协议的涌现，不少相关缺点得以解决。因此，掌握相关概念可以帮助我们更好地了解网络互操作性、跨链解决方案，同时帮助我们研究新项目。目前，大多数Layer 1协议与EVM类似。毕竟，对于已经是Web3的用户来说，更容易使用，同时准入门槛也更低。