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Layer2的4种扩容方案,Rollup为何成为主导?

在回顾Layer2的4种扩容方案发展历史之前,我们先来看看L2数据分析网站 l2beat 的Layer2 TVL 数据。

仅从TVL的角度来说,排名前15的项目所应用的扩容方案几乎都是Rollup,而Plasma与Validium各占一名。当前 Rollups 技术路线技术路线的 TVL 占比已经超过 95%,其中 OP Rollup 的两大头部项目 Arbitrum、Optimism 更是占了整个 Layer2 的近 80%。这从事实应用上说明了 Rollup 在当前 Layer2 中的主导地位。

值得注意的是,有 $1.3B TVL 的 Polygon PoS 并未包含在 l2beat 的统计之内。这和 L2 的定义进一步精确化、一般侧链在 l2beat 中不被视为 L2 有关。

从技术发展、社区共识的视角来看,V 神等以太坊社区成员不仅已多次表达对 Rollups 的认可,更是公开宣布以太坊主链的后续更新将执行 “Rollup-centric” 路线。

为什么Rollup最终脱颖而出?其他扩容方案是如何被淘汰的?

1.状态通道:场景有限

状态通道(State Channels)是最早出现的 L2 扩容技术方案,也是大家接触到 L2 方案的时候可能都了解过的:对于频繁交易的双方,可以给他们专门在链下构建一个” 交易通道 “,等他们做完一个阶段的频繁交易后再进行结算,以避免对每笔交易单独上链对网络的占用和费用消耗。

这个方案在以支付场景为绝对核心的比特币上得到了发展和应用,不断演进成为了现在的闪电网络;但对于遍布智能合约、应用场景繁多的以太坊而言,它的局限性就相当强了。另外,它能做的事后续的技术方案也能做,有更好的替代。

2.侧链:安全性问题与 “真正的 L2”

侧链(Side Chain),指的是在主链上构建一条新的区块链,来分担主链的交易。侧链的机制、共识节点、运转都是独立于主链的,某种程度上可以把它看作一条独立的公链,只不过在创建之初就天然和以太坊主链建立了比较紧密的数据通道。当下,比较知名的侧链项目有 Polygon PoS(即大家平时看到的 Polygon 链)、Ronin(专门为 Axie Infinity 设计运行的侧链)、xDai。

一般来说,侧链在机制设计上会聚焦于更好的性能,但它们的安全性比主链要低很多。如果你的资产转移到侧链上之后侧链受到攻击,你的资产是没有办法拿回来的,而后续的几种 L2 并不会发生这种事情。例如,在 2022 年 3 月 23 日 Ronin 网络受黑客攻击事件中,超过 17.36 万个 ETH 和 2550 万个 USDC 被盗。对于这些资产的拥有者而言,他们的资产就永久丢失了。

以太坊之所以能够稳居应用公链第一的位置,其远超其它公链的去中心化程度和安全性保证是一个核心原因。侧链作为一个不能继承以太坊主链安全性的 L2 方案,是难以有发展前景的。

事实上,当前在一些 L2 技术讨论的分类之中,已经出现有了 “真正的 L2” 这个概念,其对 L2 进行了更加明确的限定:扩容方案需要继承主链的安全性;即如果 L2 由于漏洞、基础设施故障而宕机,L1 也会在智能合约桥接内安全地保护用户的资产。在这种定义下,普通的侧链就不再属于 L2 的范畴了。

3.Plasma:恶意攻击与取款等待

2017 年初,Vitalik Buterin 和 Joseph Poon 发表了一篇论文,介绍了一种名为「Plasma」的新第 2 层扩容解决方案。

最初的 Plasma 白皮书描述了一种构造 MapReduce 「区块链树」的机制。树中的每个节点都代表一个唯一的区块链,这个区块链连接到它的父节点,所有这些区块链被安排在一个巨大的层次结构中。Plasma 的设计最大限度地降低了侧链运营商的信任要求。也就是说,即使运营商(或共识中的多数)行为不端,Plasma 也能防止资金被盗。但在现实世界的部署中,Plasma 构成的问题比解决方案还多。2018年,以太坊的研究社区继续尝试改进 Plasma,提出的新版本 Plasma Cash,Plasma Cash 将允许每秒任意高的交易量,并解决困扰其前身的问题。

然而,Plasma Cash 还是带来了一系列新的问题,比如:

  1. 首先,恶意用户或代币过去的所有者可能会做出错误的取款尝试。因为用户需要证明他们拥有自己的代币,所以实际上是由这些用户来发现并质疑自己的钱被骗走。因此,和 Plasma MVP 一样,Plasma Cash 要求用户每两周至少上线一次,以及时在挑战期内发现错误取款。
  2. 此外,为了证明代币的所有权,用户必须维护该代币的全部历史记录和相应的包含 / 排除证明,导致存储需求不断增加。

「区块链树」 直到现在只是一个白日梦,大多数为 Plasma Cash 开发客户端的公司都已经将工作搁置,而且其实现都处于半完成状态。

4.Rollup:OP Rollup 与 ZK Rollup

Rollup 的扩容原理是将数百个已处理的交易汇总成一个批次并在与以太坊主网平行的L2链上按批次执行交易,最终完成的交易再按批次一次性发布到底层(L1, Layer 1)区块链,以此来提升交易速度,降低交易GAS费。

在不同的 Rollup方案中,Optimistic Rollup 和零知识证明 Rollup 都取得了不同程度的成果,他们执行原理差不多,主要区别在于交易验证过程。

什么是Optimistic Rollup?

与字面意思一样,Optimistic 扩容方案是基于“乐观”机制的,采用的是欺诈证明(Fraud proofs),即系统乐观的相信交易数据的正确性,数据不经过有效验证,但会直接进入一个等待期,等待期里如果有任何节点提出异议并佐证恶意交易,则交易取消;若无异议,等待期结束,交易自动完成并写入区块。这种“欺诈证明”方案不需要在每笔交易中部署验证,大大节省了网络计算资源跟成本,同时也保证了及时的最终确定性。

OptimisticRollup最突出的两个方案是 Arbitrum 和 Optimism,目前 Arbitrum 排名第一,Optimism 排名第二。事实上 Optimism 是第一个发明与EVM 兼容的 Optimistic Rollup 协议的公司,但是由于它的主网启动延迟使得 Arbitrum 获得了后发优势。这两个方案在结构上差不多,关键区别在于他们的防欺诈逻辑,以及未来处理兼容性问题的方式上也略有差异。

Optimism:采用的是单轮非交互式欺诈证明

L2 验证人将压缩后的数据同步到 L1 ,同时质押保证金,如果有人对该 Rollup 区块的交易数据存在争议,则需发起挑战且同样质押保证金。然后 Rollup 协议将在L1链上重新计算该区块中所有交易来判定对错。错误方的保证金将被罚没,正确方将获得奖励。

这个方案的优点在于只需进行一轮交互,它在设计上要简单得多,并消除了有关各方之间协调的需要,使欺诈证明瞬间完成,所需时间更短。

缺点是:虽然相对与以太坊主链的成本要少很多,但是相对与交互式最终的单一性计算,其链上计算的成本要更高,甚至如果需要重新计算的交易过多,可能还会受到 L1 区块大小(gas limit)的限制。

Arbitrum :采用多轮交互型欺诈性证明

L2 的验证人将压缩后的数据同步到 L1,同时质押保证金,如果有人对该 Rollup 区块的交易数据存在争议,则需发起挑战且同样质押保证金。验证人和挑战者在链下通过二分法的方式不断拆分存在争议的步骤,直至将争议范围缩减到一个具体的步骤,再到 L1 链上对该步骤进行判定,以此高效解决争议。

这种方式的优点:因为只验证单步,不面临这种限制 gas limit 限制,并且能以较低的成本在链上解决争议。采用多轮交互型设计也使 Arbitrum 可以更容易支持复杂的智能合约,在复杂的以太坊生态应用中互操作性更高。

多轮交互型设计的相对缺点:由于增加了交互次数,对应的争议窗口设计相较于单轮交互型设计也更长更复杂,并且交互式欺诈证明需要多方合作来剖析挑战,需要更长的时间来解决。

什么是 ZK Rollup?

零知识证明(Zero—Knowledge Proof,ZKPs)是一种证明方法,通过这种方法,一方(证明者)可以在不透露任何实际信息的情况下,向另一方(验证者)证明它知道一个秘密或一个声明是真实的。这个概念在1980年被麻省理工学院的研究人员引入,人们一直认为 ZKPs 过于复杂,幽默地称其为“月亮数学”。

ZK Rollup 即通过零知识有效性证明的扩容方案。ZK Rollup分批处理链下交易,并生成加密有效性证明来验证每批交易的真实性。有效性证明将批量交易添加到 L1 区块链。当交易批次被提交时,该证明可以被L1合约快速验证,无效的批次可以被直接拒绝。

此外,ZK扩容方案的证明策略有很多,像 SNARK、STARK、PLONK 和 DARK,它们都有包括数据足迹、证明时间、验证时间、串通风险等方面各自安全强度和风险。

目前涉足 ZK Rollup 的方案有很多,这边先简要列举两个。

Hermez(现为Polygon Hermez)

Hermez 有两个版本:1.0 是一个支付平台,目前正在运行;2.0目前还在开发中,将利用ZK-SNARK 证明开发零知识以太坊虚拟机(zkEVM),这是一个以透明的方式执行以太坊交易虚拟机,包括具有零知识证明验证的智能合约。因为Hermez 2.0 开创性的举措,去年8月被在去年8月被 Polygon 以2.5亿美元收购,并将其品牌统一的为 Polygon Hermez。

Starkware

Starkware通过 ZK-STARK 零知识证明协议来保护区块链隐私数据,在无需耗费大量算力和专门部署安装软件的前提下验证隐私信息,而且还能把数据压缩的更小,提高了效率、透明度和安全性。

两种方案的优劣势:

OP 优势:成本更低,开发门槛更低,互操作性更好,可自动执行智能合约;吞吐量更高;扩展性更强。

OP 劣势:有约为一周的挑战等待期;验证安全性通过押金和等待期来保证,而不是算法,恶意串通操作风险更高。

ZK 优势:没有挑战期等待期,时间更快;安全性更高;提供更强的隐私保护。

ZK 劣势:技术复杂程度高,开发成本高;需要更大的算力,使用成本更高;无法直接执行智能合约。

OP Rollup 与 ZK Rollup 之争,背后本质其实是证明类型之争——有效性证明 vs 欺诈证明。现在以太坊社区基本已经对这个问题达成了共识:从长期来看,能够实时确保交易有效性、确定交易状态的 ZK Rollup 会胜出;但中短期内,由于 ZK 技术本身的困难和 EVM 兼容实现的进一步挑战,其生态发展会落后于硬件需求更低、能够更好的兼容 EVM 的 OP Rollup。

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