探索區塊鏈的分層結構 - Layer1 Layer2 Layer3 有什麼差別？
探索區塊鏈的分層結構 - Layer1 Layer2 Layer3 有什麼差別？
區塊鏈技術以其去中心化、透明和安全的特性，正在迅速改變各行各業。然而，隨著區塊鏈應用的增多和交易量的增加，單層架構的區塊鏈系統在可擴展性和性能方面面臨著挑戰。為了解決這些問題，區塊鏈技術採用了分層架構的設計，通過模塊化和專業化的層級分工，提升了系統的靈活性和效率。
區塊鏈架構分層
區塊鏈技術通過採用分層設計來滿足不同層級的需求，這種設計方式旨在優化性能並增強系統的靈活性和可擴展性。每一層都有其特定的功能和目標，透過模塊化設計提高了系統的整體效率和適應性。這種分層結構不僅使得系統的維護和升級更加便捷，還能讓各層獨立發展和優化，彼此不受干擾。
數據層（Data Layer）
數據層作為區塊鏈的最底層，負責儲存、加密和驗證底層資料。這些資料包括交易紀錄、公私鑰、時間戳記等資訊。數據層以鏈式結構將這些資料封裝起來，使得數據能夠按照一定的順序和規則進行連接和驗證，形成一個不斷增長的區塊鏈。這種鏈式結構確保了數據的不可篡改性和透明度，為區塊鏈的安全性和完整性提供了堅實的基礎。網路層（Network Layer）
網路層由區塊鏈中的所有節點構成，形成一個龐大的分散式點對點（P2P）網路。這一層負責節點之間的互動機制，包括數據傳輸、區塊廣播和共識消息的傳遞。網路層的分散性確保了系統的去中心化和抗審查能力，使得區塊鏈可以在沒有中央控制的情況下運行。同時，網路層的高效運作也是實現區塊鏈高可用性和健壯性的關鍵。 區塊鏈中所有的節點構成一個龐大的分散式點對點（P2P）網路，網路層負責節點之間的互動機制。共識層（Consensus Layer）
共識層則確立了記帳的責任和方式，建立了區塊鏈節點之間達成共識的規則，例如工作量證明（PoW）、權益證明（PoS）、委託權益證明（DPoS）等。共識層決定了誰是下一個區塊的生成者，並負責驗證交易的合法性，維持數據的一致性。這一層的共識機制是區塊鏈去中心化信任的基礎，確保了各節點對區塊鏈狀態的一致認同，從而保障了系統的穩定和安全。激勵層（Actuator Layer）
激勵層主要出現在公有鏈中，是區塊鏈的獎勵機制。這一層通過發放代幣獎勵，激勵節點參與網路維護和記帳。節點通過完成區塊驗證和生成等工作來爭取記帳權，並獲得相應的獎勵。激勵層的設計旨在調動節點的積極性，來維持網路的活躍性和安全性，使區塊鏈系統能夠長期穩定運作。合約層（Contract Layer）
合約層是區塊鏈的可程式設計基礎，它封裝了各種指令碼、演算法和智能合約。智能合約是一種自動執行的合約，當特定條件被滿足時，它們能夠自動在區塊鏈上執行。合約層的存在使得區塊鏈不僅能用於數據記錄，還能支援複雜的業務邏輯和應用程序，擴展了區塊鏈的應用範圍和價值。應用層（Application Layer）
應用層是區塊鏈技術的最上層，涵蓋了各種區塊鏈的應用場景和案例。在這一層，區塊鏈技術被應用於各個領域，如金融、供應鏈管理、醫療、政府服務等。應用層的開發和運行，使區塊鏈技術能夠真正地進入人們的日常生活中，帶來更多的創新和便利。這一層的成功取決於底層技術的穩定性和可擴展性，以及開發者社群的活躍度和創新力。
這六層分層架構與 Layer 0 - 4 的對應關係。
圖片來源：https://school.gugu.fund/blog/virtual-currency/5063476452
Layer 0 - 4
Layer 0（實現不同鏈之間數據通信和交互）
Layer 0 是區塊鏈技術的基礎設施，主要負責實現跨鏈通信和模塊化區塊鏈的協作。它相當於區塊鏈的基礎，為開發者提供了構建和連接多條區塊鏈的工具和協議。例如，Cosmos 就是一個典型的 Layer 0 解決方案，旨在成為區塊鏈的網際網路。Cosmos 提供了一套工具，使各社區能夠基於 Cosmos 的系統與規則輕鬆創建自己的 L1 區塊鏈，這些獨立的區塊鏈之間可以實現跨鏈數據通信和交互，從而達成「多鏈」之間的互動和協作。
Layer 1（單鏈驗證、共識和交易執行）
Layer 1 是指單體區塊鏈，即是一條鏈承擔了數據驗證、共識機制和交易執行的功能。這一層是區塊鏈的核心，確保系統的安全性和穩定性。比特幣和以太坊都是非常典型的 L1 區塊鏈，它們各自擁有獨立的規則和運作方式，因此無法直接進行數據和信息的交互。L1 區塊鏈可以單獨存在，不一定需要依賴 Layer 0 的支援才可運行。每個 L1 區塊鏈通過其特有的共識算法，如 PoW 或 PoS，來確保交易的安全性和不可篡改性。
Layer 2（鏈下擴容解決方案）
Layer 2 是建立在 Layer 1 之上的擴展解決方案，旨在提高區塊鏈的可擴展性和交易處理效率。隨著區塊鏈應用的普及，Layer 1 區塊鏈可能會面臨交易擁塞和高手續費的問題。Layer 2 通過將一部分交易或數據移至鏈下操作，顯著提升了交易速度和降低了交易成本，同時減輕了主網的負擔。例如，Polygon（前身為 Matic Network）是一個建立在以太坊上的 L2 解決方案，它使用側鏈技術來提高交易速度和可擴展性。比特幣的閃電網路（Lightning Network）也是一個著名的 L2 解決方案，透過建立離鏈的支付通道，實現即時且低成本的比特幣交易，因而提高了比特幣網絡的交易量。
Layer 3（應用層）
Layer 3 是區塊鏈的應用層，主要面向一般用戶而非開發者。這一層建立在 Layer 1 或 Layer 2 之上，相當於在智慧型手機的操作系統上的各種應用程式，如讀文章、聽音樂、玩遊戲等。Layer 3 涵蓋了廣泛的應用方向，包括去中心化交易所（DEX）、去中心化金融（DeFi）、去中心化自治組織（DAO）和非同質化代幣（NFT）等多元服務，這些服務都是透過智能合約實現的。Layer 3 的發展促進了區塊鏈技術的普及，使其應用更加多樣化和深入。
Layer 4（單一產品的 Web3 友好介面和工具）
Layer 4 專注於單一產品的使用者介面開發，旨在於提升用戶體驗，讓區塊鏈技術得以更容易地進入日常生活之中。這一層類似於手機上的不同應用程式，如 Netflix、Disney+ 和 HBO GO 等，在提供相同功能時帶來不同的用戶體驗。Layer 4 的目標是打造友好的使用者介面，使人們能夠專注於完成特定任務，而不需要了解底層的技術細節。例如，使用者在使用 iPhone 發送簡訊時，只需簡單操作即可完成，不需要了解背後的技術原理。透過這樣的設計能夠促進區塊鏈技術的廣泛應用，讓更多人得以受益於其便利性和創新性。
Layer 0 - 4 的一些具體代表案例。
圖片來源：https://www.blocktempo.com/what-is-l0-l1-l2-l3/
Layer 1 和 Layer 2 之間的互動
Layer 1 和 Layer 2 之間的互動關係主要體現在提升區塊鏈系統的可擴展性和交易處理效率上。Layer 2 建立在 Layer 1 的基礎上，通過將大量交易移到鏈外進行處理，減少 Layer 1 的負荷，同時保有了區塊鏈的安全性和去中心化特性。Layer 2 通常會定期的將處理結果提交回 Layer 1，這樣可以確保所有交易的最終性和透明度，並在需要時提供有效的爭議解決機制。
Layer 2 通過與 Layer 1 的互動，實現了高效的交易處理和低成本的交易費用。這種互動關係可以透過各種技術手段實現，例如閃電網絡（Lightning Network）利用狀態通道來實現快速且低成本的比特幣交易，而以太坊的 Rollups 技術則將大量交易打包成一個批次，並壓縮數據後提交到 Layer 1 進行記錄和驗證。這些技術在提高交易速度的同時，也降低了網絡擁堵和交易成本，讓區塊鏈能夠支持更大規模的應用場景。
此外，Layer 1 和 Layer 2 之間的互動還涉及到安全性和信任的傳遞。Layer 2 的運行仰賴於 Layer 1 的安全性，Layer 1 通過共識機制確保了交易的不可篡改性和合法性。Layer 2 則在此基礎上進行擴展，提供更靈活和高效的交易處理能力。當 Layer 2 將交易結果提交回 Layer 1 時，Layer 1 會對這些結果進行驗證和記錄，確保數據的一致性和完整性。這種雙層結構的設計，使得區塊鏈系統既能保持高安全性，又能實現良好的擴展性能。
比較 Layer 1 和 Layer 2
Layer 1 和 Layer 2 是區塊鏈技術中的兩個不同層級，用於提升區塊鏈網路的效能和可擴展性。Layer 1 是指基礎區塊鏈協議本身，例如比特幣或以太坊，這些協議負責交易的驗證和記錄。Layer 1 通常面臨的挑戰是處理速度和交易量有限，這會導致網絡擁塞和高交易費用。為了解決這些問題，開發者會進行協議升級，如比特幣的 SegWit 或以太坊的以太坊 2.0，這些升級旨在提高網絡的效率和吞吐量。
Layer 2 則是在 Layer 1之上建構的解決方案，旨在提高區塊鏈的可擴展性而不改變底層協議。這些解決方案包括狀態通道（如比特幣的Lightning Network）和側鏈（如以太坊的Plasma）。Layer 2 技術透過將大量交易從 Layer 1 移至 Layer 2，僅在必要時將結果提交回 Layer 1 來減少主網的負荷，從而顯著提高處理速度和降低交易成本。這些技術允許用戶進行快速且低成本的交易，同時仍保持 Layer 1 的安全性和去中心化特性。
簡而言之，Layer 1 主要是著重於改進基礎區塊鏈協議以提升效能，而 Layer 2 則是在現有區塊鏈協議之上構建的解決方案，用於提高可擴展性和交易速度。兩者主要區別在於 Layer 1 是基於協議層面的改進，而 Layer 2 則是通過附加層來分擔交易負擔。這種分層方法可使得區塊鏈技術能夠在保持安全和去中心化的前提下，滿足大規模應用的需求。
Layer 1 和 Layer 2 的實際案例
這些案例展示了 Layer 1 和 Layer 2 技術在區塊鏈系統中的應用，兩者相輔相成，共同推動了區塊鏈技術的發展和普及。Layer 1 提供了堅實的基礎設施和安全保障，而 Layer 2 則通過擴展和優化技術，提升了整個系統的性能和可用性。
Layer 1 實際案例：
比特幣（Bitcoin）
比特幣是最早和最知名的 Layer 1 區塊鏈。它使用工作量證明（Proof of Work，PoW）共識機制來確保網路的安全性和交易的不可篡改性。比特幣的主鏈負責處理所有交易，並將其記錄在公共帳本中。
以太坊（Ethereum）
以太坊是另一個重要的 Layer 1 區塊鏈，支持智能合約和去中心化應用（DApps）。它目前使用 PoW 共識機制，但正逐步過渡到權益證明（Proof of Stake，PoS）共識機制，以提高效率和降低能源消耗。以太坊提供了強大的平台，用於構建和運行各種去中心化應用。
Solana（SOL）
Solana 是一個高效的 Layer 1 區塊鏈，專為實現高速和低成本的交易而設計。它使用了一種名為 Proof of History（PoH）的創新共識機制，結合了 PoS 來確保網路的安全性。Solana 的架構旨在最大化可擴展性，使其能夠支持高吞吐量的應用，如去中心化金融（DeFi）和遊戲等。Solana 的技術設計強調性能和效率，為開發者提供了一個靈活且強大的平台來創建和部署去中心化應用。
Layer 2 實際案例：
閃電網路（Lightning Network）
閃電網路是比特幣的 Layer 2 解決方案，旨在通過建立離鏈的支付通道來提高交易速度和降低交易成本。用戶可以在通道內進行多次交易，僅在關閉通道時將最終交易結果提交到比特幣主鏈。這使得比特幣能夠支持微支付和高頻交易。
Polygon（前身為 Matic Network）
Polygon 是一個為以太坊設計的 Layer 2 解決方案，通過使用側鏈（SideChains）技術來提高交易速度和可擴展性。Polygon 允許開發者在以太坊網路上構建更高效和低成本的應用，並且能夠實現快速的交易確認。
Optimistic Rollups 和 zk-Rollups
這兩種 Rollups 技術都是以太坊的 Layer 2 解決方案，通過將大量交易打包並壓縮後提交到主鏈來提高交易效率。Optimistic Rollups 依賴於欺詐證明來確保數據的正確性，而 zk-Rollups 則使用零知識證明技術來保證數據的隱私性和安全性。這些技術可以顯著提升以太坊網路的可擴展性。
在不同領域中的實際案例：
金融科技（FinTech）- 去中心化金融（DeFi）
DeFi 是金融科技領域中最具創新性的應用之一，它利用區塊鏈技術提供無需信任的金融服務。以太坊（Ethereum）作為一個主要的 Layer 1 平台，支撐了眾多 DeFi 應用，例如去中心化交易所（DEX）如 Uniswap 和借貸平台如 Aave。
這些應用使用智能合約（合約層）自動執行交易和金融合約，確保透明和不可篡改。同時，為了解決高交易費和網絡擁堵問題，DeFi 應用經常採用 Layer 2 解決方案，如 Optimistic Rollups 和 zk-Rollups，通過將大量交易移到鏈外處理來提高效率和降低成本。這些技術使 DeFi 能夠支持高頻交易和大規模應用，提供更好的用戶體驗。
醫療健康 - 醫療數據共享
在醫療健康領域，區塊鏈技術被用於提升數據共享的安全性和透明度。MedRec 是一個基於區塊鏈的電子病歷系統，使用以太坊區塊鏈（Layer 1）來管理和驗證醫療數據的存取。
數據層和網絡層確保了病人數據的完整性和安全性，而智能合約（合約層）則控制數據的訪問權限和共享規則。為了提高系統的效率和可擴展性，Layer 2 技術如狀態通道（State Channels）可以用於處理高頻的數據查詢和更新操作，減少主鏈的負擔，確保數據能在需要時快速且安全地共享。
供應鏈管理 - 食品溯源
VeChain 是一個專注於供應鏈管理的區塊鏈平台，它提供了端到端的食品溯源解決方案。VeChainThor 區塊鏈（Layer 1）被用於記錄食品從生產到銷售的整個生命周期，以確保每個環節的數據透明和不可篡改。
智能合約（合約層）用於自動執行和驗證供應鏈過程中的關鍵操作，如品質檢查和運輸追蹤。為了應對大量數據的處理需求，Layer 2 技術如側鏈（SideChains）和 Rollups 可以用於分擔主鏈的負載，提升交易速度和降低成本。這些技術的結合使得企業能夠高效地管理供應鏈，提升產品品質和消費者信任。
物聯網（IoT） - 智能家居
在物聯網領域中，區塊鏈技術被用於增強設備之間的互操作性和安全性。IOTA 是一個專為物聯網設計的區塊鏈平台，使用無塊鏈結構（Tangle）來記錄和驗證設備之間的交易（Layer 1）。
數據層確保了設備數據的安全存儲和傳輸，而網路層則提供了去中心化的設備間通信。智能合約（合約層）用於管理設備之間的交互和自動化操作，例如智能鎖的遠程控制和能源管理。為了提升交易速度和降低成本，Layer 2 技術如閃電網路（Lightning Network）和微支付通道（MicroPayment Channels）可以被用於支持高頻小額交易，使智能家居系統更加高效和可靠。
首圖來源：https://vegavid.com/blog/blockchain-layer1-vs-layer2/