2015年，以太坊与智能合约的出现，使现有商业模式的优化变成了可能，但是，以太坊每秒处理交易（TPS）约为15笔，远低于VISA等现有交易处理中心。于是，区块链性能的提升，将是未来相当长一段时间区块链发展与投资的主旋律之一。但是区块链原始设计机制存在不可能三角，即公链如需保证去中心化与安全性，就不得不将大多数节点的算力闲置而丧失高性能。为此，区块链社群先后提出了如下扩容方案。
区块链性能的提升大致分为以下三种：Layer0(跨链交互) ，Layer1(链上扩容，对公链本身进行改造)，Layer2（链下扩容，将链上工作转移至链下）。
1. Layer 2(链下扩容)
链下扩容，主要指在公链之外建立一个二层的交易处理平台，负责具体交易的处理。公链只负责总体存取款结算及验证链下上传信息的有效性。链下扩容主要有状态通道（State Channels）、等离子体（Plasma）和卷叠（Rollup）三种方式。
1.1 状态通道（State Channels）
使用者在需要交易时，在链下建立交易通道，在交易结束后，与链上进行整体结算。
1.1.1 具体操作流程：
（1）通道开启：交易双方各自将一定数量资产存入通道（类比购物卡、ETC等）
（2）交易：双方在通道内进行交易
（3）通道关闭：交易完成后，一方可以申请关闭通道并将剩余资产提现至链上。另一方如有异议，可以在规定时间内提请仲裁。
1.1.2 适用范围：
状态通道适合用户在一定时间内频繁进行小额交易的场合。如博彩类游戏、物联网支付等。
1.1.3 方案优势：
（1）无需对公链整体进行改造
（2）即时交易
（3）理论上可以无限扩展交易量
1.1.4 方案缺陷：
（1）开通关闭通道较为复杂
（2）需要交易双方保持在线状态
（3）需要锁定保证金，存在机会成本
（4）无法使用智能合约
1.2 等离子体（Plasma）
1.2.1 具体操作流程：
不同于“小额免密支付”的状态通道，Plasma扩容方案致力于区块链各场合的普遍扩容，Plasma的方案可以概括为，
（1）在原公链之外生成若干子链（Child Chain）用于交易结算
（2）资产从主链转移到子链
（3）子链可以采取相对更高效低安全性的机制迅速处理交易
（4）子链将交易结果上传回高安全性机制的主链验证
1.2.2 主链验证：
本方案最大的重点在于：“将子链的交易结果交给主链验证”。Plasma上传的是压缩后的数据。具体来说，一般是采用默克尔树压缩。如图，将很多笔交易经过运算后获得一个根（root），再将根（root）上传。
1.2.3 欺诈证明：
由于以太坊主链只收到了一个压缩后的根（root）而无法检查和验证每一笔交易记录，Plasma设置了欺诈证明机制，过程是：
（1）Plasma的使用者想提现时，发送一个自己的交易记录和提现申请。
（2）提现设置挑战期，任何质疑这条交易记录的人都可以发起挑战。
（3）挑战期结算且未被他人挑战，则取现成功。
1.2.4 方案劣势：
本方案非常明显的劣势在主链验证和欺诈证明。首先，侧链的低安全性，攻击侧链制造虚假信息的难度相对较低，因此需要主链保证安全性。由于主链无法直接获取子链的完整交易数据（数据可得性不足），用户往往需要自己保留完整交易记录，并且每次提现需要长达一周的挑战期，非常低效。
此外，本方案无法使用智能合约。
1.2.5 方案现状：
2020年1月9日，以太坊扩容方案研究组织Plasma Group宣布终止对Plasma方案的探索，基本宣告了Plasma方案的终结。
1.3 Rollup（卷叠）
Rollup(卷叠)是当前最为流行的以太坊扩容方案。其基本思维在于，进一步优化Plasma的验证和挑战流程。
Rollup主要有以下两类基本思路：ZK Rollup(零知卷叠)与Optimistic Rollup（乐观卷叠）。
1.3.1 ZK Rollup（零知卷叠）
首先来复习一下零知识证明，从纯科普的角度举例：
零知识证明就是：证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。
借用Mina Protocol的案例：
一群人在这张图中找一只熊猫，小A率先发现了熊猫位置，但是他不能立马公开指出来，因为这样就破坏了其他人的游戏体验。
有没有什么办法，即能够证明小A知道熊猫在哪儿，又不会让其他任何人知道答案呢？
于是小A找来一张超级大的白纸，并把这张纸随意的覆盖在有熊猫的图片上。然后，小A在白纸上剪一个小洞，只让熊猫露出来。
这样，熊猫位置作为关键信息，是被保护起来的，但小A还是能够在不让其他人知道熊猫在哪儿的前提下，证明自己找到了熊猫，这就是零知识证明。
这套算法将有效解决Plasma的验证效率问题。
ZK Rollup网络中，Relayer（运营者）负责验证每一笔交易，随后将所有交易记录打包生成证明后，交主链处理。与Plasma压缩后无法检验原始信息不同，ZK Rollup网络中压缩后的证明，是可以验证原先信息有效性的。
于是，ZK Rollup的使用者无需挑战期，依靠强大的验证技术做到与主链即时结算。
目前，这类解决方案仍存在潜在风险点：
（1）当前零知识证明算法仍处于相对早期，生成证明本身需要消耗相当数量的算力资源。
（2）目前基于传统智能合约的交易与零知识证明算法尚未兼容。
初步预计，ZK Rollup可以将以太坊网络的TPS提升至约3000。
1.3.2 Optimistic Rollup(乐观卷叠)
Optimistic Rollup可以近似看作Plasma与Rollup的结合，事实上，此前宣布放弃Plasma的Plasma Group团队，此时已经转为研究Optimistic Rollup。
Optimistic Rollup相对于Plasma的改变同样在于：
（1）**验证者。**Optimistic Rollup网络中增加了验证者（Sequencer），验证者需要质押一定数量资产才能上岗，并且每7天（不同项目可能设置不同时间）将链下交易数据提交一次主网。与ZK rollup的操作者不同，Optimistic Rollup的操作员无需负责验证，而是直接默认交易记录真实。
（2）已经支持智能合约（EVM）。
相同之处在于，交易同样基于挑战机制。链下验证者上传的交易记录需要经历挑战期。如质疑者挑战成功，将获得验证者质押的资产。
具体按照挑战和检验的机制可以分为Optimism与Arbitrum两类算法。
小结：
按照以太坊社区文献，layer2扩容（链下扩容）方案基本可以分为状态通道(State Channels)、等离子体(Plasma)和卷叠（Rollup）。其中状态通道这种类似购物卡等小额结算通道使用场景过于有限。Plasma由于数据可用性基本遭到淘汰。当前流行的Rollup方案中，ZK Rollup方案技术含量与成本较高，但做到了即时与主链结算。Optimistic Rollup方案采用通过质押验证者资产的方式低成本结算，且已经支持智能合约，但是需要较长挑战期。未来二者的优劣，可能取决于ZK Rollup的项目方优化零知识证明成本和匹配智能合约（EVM）的能力。