什麼是 Layer 1 區塊鏈及其角色？

理解去中心化的基石：第一層（Layer 1）區塊鏈

在去中心化革命的核心，存在著一種被稱為「第一層（Layer 1）區塊鏈」的基礎技術。這些網路通常被稱為底層鏈（Base Chains）或基礎協定，是構建整個加密貨幣生態系統、去中心化應用程式（dApps）以及更廣泛 Web3 願景的基石。如果沒有強大、安全且功能完備的 Layer 1，真正去中心化網路的數位基礎設施將不復存在。

定義底層鏈協定

Layer 1 區塊鏈是一個自成體系、獨立的網路協定，旨在執行分散式帳本的核心功能。這些功能包括：

• 驗證（Validation）： 根據網路預定義的規則，確保交易和區塊的合法性。
• 排序（Ordering）： 為交易和區塊建立確定的序列，防止雙重支出（Double-spending）等問題。
• 最終確認（Finalization）： 實現交易的不可逆確認，這意味著一旦記錄，資料就無法被更改或刪除。

與構建在現有 Layer 1 之上 的 Layer 2 解決方案不同，Layer 1 區塊鏈作為一個主權網路運作。它直接處理自身的安全性、共識機制和資料可用性。可以將 Layer 1 區塊鏈想像成去中心化電腦的作業系統。正如 Windows 或 macOS 為應用程式運行提供核心環境一樣，Layer 1 區塊鏈為去中心化應用程式和其他區塊鏈解決方案提供了安全且透明的運作基礎。

Layer 1 區塊鏈的著名例子包括比特幣（Bitcoin, BTC）和以太坊（Ethereum, ETH），每一者都為不同類型的去中心化能力提供了藍圖。比特幣開創了安全、不可篡改的數位貨幣概念，而以太坊則引入了可編程的智能合約，將區塊鏈的效用擴展到了簡單的價值轉移之外。

Layer 1 網路不可或缺的作用

Layer 1 區塊鏈執行的功能不僅僅是技術規格；它們是整個加密空間的關鍵推動者。其角色可以細分為以下幾個關鍵領域：

1. 提供基礎安全性和不可篡改性： Layer 1 經過精密設計，主要透過其分散特性和密碼學原理來高度抵禦攻擊。一旦交易在 Layer 1 上完成最終確認，它就成為區塊鏈歷史中不可篡改的一部分，極難（甚至不可能）被篡改。這種安全性對於維持數位資產和去中心化協議的信任至關重要。
2. 確保資料可用性： 記錄在 Layer 1 區塊鏈上的每筆交易和每項資料都是公開可查的，任何人都可以驗證。這種透明度和資料可用性對於審計、維持問責制以及促進網路內的信任至關重要。這意味著歷史記錄是公開接受監督的，能防止隱藏活動或中心化操縱。
3. 實現資產發行與交易結算： Layer 1 是創建和轉移數位資產的主要軌道，無論是加密貨幣、穩定幣、非同質化代幣（NFT）還是代幣化的現實世界資產。它們提供確定的所有權記錄並促進這些交易的結算。當您發送 BTC 或 ETH 時，Layer 1 網路正直接處理並最終確認該筆轉帳。
4. 作為 Layer 2 和去中心化應用程式（dApps）的基礎： 許多創新專案和擴展解決方案（即 Layer 2）都建立在 Layer 1 的安全性與最終性保證之上。同樣地，在區塊鏈上運行的 dApps，其安全性與抗審查性也源於底層的 Layer 1。Layer 1 充當最終的仲裁層，確保 Layer 2 和 dApps 繼承其核心安全屬性。

本質上，Layer 1 區塊鏈是獨立、自給自足的生態系統，確保了去中心化世界中所有後續層級和應用程式的完整性、安全性與功能性。

Layer 1 區塊鏈的核心組成部分與特性

要理解 Layer 1 區塊鏈如何履行其職責，研究其基本組成部分和固有特性非常重要。這些元素決定了它們的性能、安全性和效用。

共識機制：信任的心跳

共識機制可以說是任何 Layer 1 區塊鏈中最關鍵的部分。它是網路中所有節點對帳本當前狀態達成一致的一套規則和流程，確保所有參與者都持有一份一致且同步的區塊鏈副本。不同的機制在安全性、去中心化程度和可擴展性方面提供了不同的權衡。

• 工作量證明 (Proof of Work, PoW)：
  • 解釋： 在 PoW 中，被稱為「礦工」的參與者競爭解決複雜的密碼學謎題。第一個找到解答的礦工可以提議下一個交易區塊，並獲得獎勵（新鑄造的代幣和交易手續費）。所涉及的「工作」使得產生無效區塊或攻擊網路的經濟成本極高。
  • 優點： 極高的安全性和去中心化程度，因為攻擊成本在計算上非常昂貴。比特幣是主要的例子。
  • 缺點： 能源消耗大，交易吞吐量可能較慢，且在網路擁塞期間通常會導致較高的交易費用。
• 權益證明 (Proof of Stake, PoS)：
  • 解釋： 在 PoS 中，被稱為「驗證者」的參與者「質押」（鎖定）一定數量的網路原生加密貨幣作為抵押品。驗證者不是透過挖礦，而是根據其持有的質押量被隨機選中來提議和驗證新區塊。惡意行為可能導致其質押資產被「罰沒」（Slashing）。
  • 優點： 比 PoW 更具能源效率，通常允許更高的交易速度和更低的費用。以太坊已從 PoW 轉向 PoS，而 Cardano 和 Solana 等網路則使用 PoS 的變體。
  • 缺點： 如果質押權益過於集中，可能導致中心化；存在「無利害關係」（Nothing at stake）問題（儘管已透過罰沒機制緩解），且要求參與者鎖定資本。
• 其他變體： 許多 Layer 1 實施了變體或完全不同的共識機制，例如 EOS 和 Tron 使用的委託權益證明 (DPoS)、Solana 使用的歷史證明 (PoH)，或 Avalanche 和 Fantom 使用的各種拜占庭容錯 (BFT) 衍生機制。每一種都旨在針對特定性能特徵進行優化。

可擴展性難題：一項根本挑戰

Layer 1 區塊鏈的設計通常透過「可擴展性難題」（Scalability Trilemma）的視角來描述。這一概念主張，區塊鏈在任何給定時間只能優化三個理想屬性中的兩個：

1. 去中心化： 網路控制權和參與權分布在眾多獨立實體中的程度。更高的去中心化意味著更強的抗審查性和安全性。
2. 安全性： 網路抵禦攻擊並保護其資料完整性的能力。
3. 可擴展性： 網路快速且低成本地處理大量交易的能力。

大多數 Layer 1 區塊鏈都必須做出權衡。比特幣優先考慮去中心化和安全性，而非可擴展性。以太坊歷史上在保持高去中心化和安全性的同時，也一直在與可擴展性作鬥爭。較新的 Layer 1 往往尋求突破這一難題的界限，有時會透過在一個領域做出計算後的妥協，以在另一個領域獲得顯著優勢。例如，一些較新的 Layer 1 透過減少驗證者數量來實現高吞吐量，但這可能會影響去中心化。

原生加密貨幣及其效用

每個 Layer 1 區塊鏈都擁有一種原生加密貨幣，這對其運作和價值主張至關重要。這些代幣具有多項關鍵功能：

• 交易費用 (Gas)： 使用者以原生貨幣支付費用來執行交易或與智能合約互動。這些費用補償了驗證者/礦工的工作，並防止網路垃圾郵件。
• 質押與網路安全： 在 PoS 網路中，驗證者質押原生貨幣以參與區塊驗證並確保網路安全。
• 治理： 原生貨幣持有者通常擁有治理權，允許他們對 Layer 1 協定的提議變更和升級進行投票。
• 計價單位與價值轉移： 原生貨幣通常作為其生態系統內的主要交換媒介，並可用於一般的價值轉移。

例如，比特幣的 BTC 用於交易費和價值儲存；以太坊的 ETH 用於「Gas」費、質押，並為龐大的 dApp 生態系統提供動力。

智能合約能力與虛擬機

以太坊引入的智能合約徹底改變了 Layer 1 的功能。智能合約是條款直接寫入程式碼的自動執行協議，實現了可編程金錢和複雜的去中心化應用程式。

• 以太坊虛擬機 (EVM)： EVM 是一個圖靈完備的虛擬機，在以太坊區塊鏈上執行智能合約。它的普及導致許多其他 Layer 1（如 Avalanche、Fantom、Binance Smart Chain）構建了 EVM 相容環境，使開發者更容易移植 dApps 並利用現有工具。
• 非 EVM 智能合約平台： 其他 Layer 1 開發了各自的虛擬機和智能合約語言，提供替代的編程模型或性能特徵。例子包括 Solana（基於 Rust）、Cardano（基於 Haskell, Plutus）和 Near Protocol（WebAssembly）。這些平台通常旨在追求更高的效率或特殊功能。

Layer 1 實施的多樣性

儘管共享共同原則，但 Layer 1 區塊鏈在設計、側重點和技術路徑上展現出顯著的多樣性。

比特幣：開創性的 Layer 1

比特幣於 2009 年推出，是原始且最受認可的 Layer 1 區塊鏈。其主要設計目標是創建一個點對點的電子現金系統。

• 側重點： 價值儲存、數位黃金。
• 共識機制： 工作量證明 (PoW)。
• 腳本： 相對簡單的腳本語言（非圖靈完備智能合約），主要用於基本交易。使用未花費交易輸出 (UTXO) 模型。
• 特性： 無與倫比的安全性和去中心化、保守的開發風格、強大的不可篡改性。其設計刻意將這些特性置於高交易吞吐量之上。

以太坊：智能合約的強大引擎

以太坊於 2015 年推出，透過引入智能合約和去中心化世界電腦的概念，擴展了區塊鏈的效用。

• 側重點： 可編程性、dApp 平台、去中心化金融 (DeFi)、NFT。
• 共識機制： 歷史上為 PoW，在 2022 年透過「合併」（The Merge）成功過渡到權益證明 (PoS)。
• 智能合約： 利用以太坊虛擬機 (EVM) 執行複雜的智能合約，主要使用 Solidity 編寫。
• 特性： 最大的 dApp 生態系統、龐大的開發者社群，在積極追求分片（Ethereum 2.0）等擴展解決方案的同時，致力於高度去中心化和安全性。

新興 Layer 1 網路及其方法

除了比特幣和以太坊，新一代 Layer 1 已經湧現，每一種都試圖解決特定問題或達到不同的性能基準。

• Solana (SOL)： 以其驚人的高交易吞吐量和低廉費用著稱。它透過歷史證明 (PoH) 共識與並行交易處理的獨特結合來實現這一點。然而，這種設計有時會導致網路停機，並引發對其長期去中心化程度的質疑。
• Avalanche (AVAX)： 專為可擴展性和可定制性設計。它使用了一種新型共識機制（Avalanche 共識）和多鏈架構（用於資產交易的 X 鏈、用於 EVM 相容智能合約的 C 鏈、用於協調驗證者和子網的 P 鏈）。其「子網」（subnets）允許建立高度專業化、特定於應用程式的區塊鏈。
• Cardano (ADA)： 強調以研究驅動、同行評審的區塊鏈開發方法。它使用 Ouroboros PoS 共識協定，旨在為 dApps 提供高度安全且可擴展的平台，專注於形式化驗證和學術嚴謹性。
• Polkadot (DOT)： 並非單一區塊鏈，而是一個「Layer 0」元協定，旨在連接多個被稱為「平行鏈」（parachains）的專門 Layer 1 區塊鏈。平行鏈共享來自中央「中繼鏈」（Relay Chain）的安全性，並可透過其跨鏈共識訊息格式 (XCMP) 進行通訊，專注於互操作性和共享安全性。
• Cosmos (ATOM)： 旨在創建「區塊鏈互聯網」。它為開發者提供了一個框架 (Cosmos SDK)，用於構建獨立且特定於應用的區塊鏈，稱為「分區」（zones）或「應用鏈」。這些分區可以透過區塊鏈間通訊協定 (IBC) 相互通訊，實現主權性與不同鏈之間無縫的資產轉移。
• Near Protocol (NEAR)： 透過分片技術和獨特的共識機制，專注於開發者和使用者友好性，並具備高可擴展性。
• Algorand (ALGO)： 提供純粹的權益證明共識，專注於速度、安全性和即時交易最終性，特別適用於金融應用。

這種多樣性突顯了 Layer 1 設計中不斷進行的創新，每個網路都做出獨特的選擇，以優化特定用例或克服區塊鏈技術的內在挑戰。

解決 Layer 1 的局限性：演進之路

雖然 Layer 1 區塊鏈構成了基礎，但它們並非沒有局限。主要的挑戰，尤其是對於早期設計而言，是在不犧牲去中心化和安全性的情況下實現高可擴展性。

擴展挑戰及其影響

「可擴展性難題」在 Layer 1 的實務中表現為多個問題，尤其是在網路需求高峰期：

• 高昂的交易成本 (Gas Fees)： 當網路擁塞時，對區塊空間的需求超過供給，推高了交易費用。這可能會將普通用戶拒之門外，並使微型交易變得不切實際。
• 緩慢的交易最終性： 許多 Layer 1，尤其是 PoW 鏈，交易確認時間相對較慢。對於需要近乎即時結算的應用程式來說，這可能是一個問題。
• 網路擁塞： 大量的交易會阻塞網路，導致處理延遲和不良的使用者體驗。
• 環境問題 (PoW)： 比特幣等 PoW 區塊鏈的能源消耗引起了廣泛批評，促使業界轉向更節能的替代方案。

Layer 1 的內部擴展解決方案

Layer 1 開發者不斷創新以提高網路固有的可擴展性。這些「鏈上」擴展解決方案旨在增強協定本身：

• 分片 (Sharding)： 這涉及將區塊鏈網路劃分為更小、更易於管理的片段，稱為「分片」。每個分片處理一部分交易並維持自身的狀態，但它們都相互通訊並共享主鏈的安全性。以太坊的長期路線圖包括分片，以顯著提高其交易吞吐量。
• 優化的區塊傳播與大小： 調整區塊的創建方式、傳播方式及其最大大小，可以提高交易處理效率。
• 並行交易處理： 一些較新的 Layer 1（如 Solana 和 Aptos/Sui）設計其架構以允許同時處理多個交易，而非按順序處理，這極大地提高了吞吐量。
• 新型共識機制： 如前所述，PoS 及其衍生機制天生比 PoW 更具可擴展性，促使許多網路採用或過渡到這些機制。

互操作性的必要性

早期的 Layer 1 區塊鏈像孤島一樣運作。在它們之間轉移資產或資料非常複雜、危險，且通常需要中心化中介。這種缺乏互操作性的情況導致了生態破碎，阻礙了多鏈生態系統的整體成長。

• 橋 (Bridges)： 早期解決方案涉及「橋」，即允許資產在不同區塊鏈之間移動的協定。然而，這些橋經常成為高知名度駭客攻擊的目標，凸顯了其安全漏洞。
• 原生互操作性協定： 較新的 Layer 1 設計，如 Polkadot 的平行鏈（配備 XCMP）或 Cosmos 的 IBC，正將互操作性直接構建到其核心架構中。這些解決方案旨在為各主權鏈之間提供更安全、無縫的通訊和資產轉移，為真正互聯的區塊鏈互聯網鋪平道路。

與 Layer 2 解決方案的共生關係

在 Layer 1 努力提高其內部可擴展性的同時，Layer 2 解決方案透過在不改變核心協定的情況下擴展其能力，發揮了關鍵的補充作用。這創造了一種共生關係，由 Layer 2 處理交易量，而 Layer 1 提供最終的安全性與最終性。

擴展 Layer 1 的能力

Layer 2 解決方案是構建在 Layer 1 區塊鏈之上的協定，旨在透過在主鏈之外處理交易來提高其可擴展性和效率。隨後，它們會定期將這些交易結算回 Layer 1，從而繼承其安全性保證。

• Rollups (Optimistic 和 ZK)： 這是最突出的 Layer 2 擴展解決方案。它們將數百或數千筆鏈外交易打包（或稱「捲起」）成一筆單一交易，然後提交給 Layer 1。
  • Optimistic Rollups： 預設假設交易是有效的，並提供一個「挑戰期」，期間任何人都可以對欺詐交易提出異議。
  • 零知識 Rollups (ZK-Rollups)： 使用密碼學證明（零知識證明）即時驗證鏈外交易的有效性，而無需透露其詳細資訊。
• 狀態通道 (State Channels)： 允許參與者在鏈外進行多次交易，最後僅將最終狀態提交給 Layer 1。例子包括比特幣的閃電網路（Lightning Network）。
• 側鏈 (Sidechains)： 擁有自身共識機制、與 Layer 1 平行運行的獨立區塊鏈。它們透過雙向掛鉤連接到主鏈，允許資產在兩者之間移動。
• Plasma： 一個用於構建可擴展鏈外計算的框架，依靠 Layer 1 進行安全保障和爭議解決。

Layer 1 作為結算層

Layer 2 解決方案的關鍵在於它們依賴 Layer 1 獲得最終的安全性與最終性。無論在鏈外處理了多少交易，Layer 1 區塊鏈始終充當：

• 資料可用性層： Layer 2 定期將其壓縮的交易資料或有效性證明發送到 Layer 1，確保歷史記錄是公開且可審計的。
• 爭議解決層： 如果 Layer 2 發生欺詐或意見分歧，Layer 1 充當最終仲裁者，利用其安全性保證來強制執行正確的狀態。
• 最終性層： 雖然 Layer 2 提供快速的交易處理，但這些交易的最終、不可逆轉的確認是在它們結算到 Layer 1 時發生的。

這種架構使 Layer 1 能夠保持高度去中心化和安全，專注於其核心角色，而 Layer 2 則分擔交易量，提供大規模採用所需的高吞吐量。

Layer 1 區塊鏈的未來格局

Layer 1 區塊鏈的演進是一個持續創新的過程，由對更高效率、更廣泛效用和更佳使用者體驗的追求所驅動。

持續創新與專業化

未來可能會看到現有 Layer 1 的持續優化以及新 Layer 1 的湧現，每一種都在挑戰可能性的極限：

• 專業化： 隨著生態系統趨於成熟，我們可能會看到更多針對特定用例設計的 Layer 1。例如，有些可能純粹為遊戲優化，有些針對企業供應鏈，另一些則針對高頻去中心化金融 (DeFi) 交易。這種專業化可以提供高效且量身定制的解決方案。
• 使用者體驗： 未來的 Layer 1 可能會優先抽象化區塊鏈的複雜性，使交互對一般用戶而言無縫且直觀，類似於目前的網際網路體驗。
• 能源效率： 對永續區塊鏈技術的追求將繼續，PoS 和其他節能共識機制將成為標準。

多鏈生態系統

越來越清楚的是，區塊鏈的未來並非「贏家通吃」。相反，一個多鏈（multi-chain）或跨鏈（interchain）的生態系統正在成形，多個 Layer 1 在其中共存並互動。

• 沒有單一主導鏈： 不同的 Layer 1 可能在不同的領域表現出色，迎合多樣化的需求和偏好。
• 互操作性至關重要： Layer 1 之間無縫通訊和轉移資產的能力將是關鍵。Polkadot 和 Cosmos 等專案在構建這些基礎互操作層方面處於領先地位。
• 以使用者為中心： 使用者和開發者將有權根據成本、速度、安全性和功能等因素，選擇最適合其特定需求的 Layer 1。

治理與可升級性

Layer 1 區塊鏈適應和演進的能力對其長期生存至關重要。這在很大程度上取決於它們的治理模型。

• 社群參與： 去中心化治理機制（代幣持有者或質押者可以提議並投票表決協定升級）確保 Layer 1 保持適應性，並能對社群的需求做出回應。
• 分叉與演進： 大多數 Layer 1 的開源特性允許硬分叉，這可以引入重大變更甚至產生新鏈，展現了這些基礎協定的動態本質。

總結來說，Layer 1 區塊鏈是去中心化世界的基礎引擎。它們提供了核心安全性、不可篡改性和資料可用性，這是所有後續層級和應用程式運作的必要條件。隨著生態系統的成熟，這些基礎網路將繼續發展，透過內部創新以及與 Layer 2 解決方案的共生關係來應對其固有的挑戰，為一個更具擴展性、互聯且去中心化的未來鋪平道路。