X-Rollups 以 Wanchain 作为以太坊的 Layer 2,以确保足够的效率和低延迟的优势。

原文标题:《Wanchain 发布 X-Rollups 以太坊二层方案白皮书》
撰文:Wanchain

2021 年 4 月 19 日,Wanchain 团队发布了 X-Rollups 二层方案白皮书,旨在从理论入手,往后逐步落实到工程实践,全面解决当前以太坊上交易量大、交易成本高等一系列诟病。

X-Rollups 是全新的以太坊二层解决方案,以 Wanchain 作为以太坊的 Layer 2,确保 Layer 2 方案保持高效率和低延迟的优势。

当前,Wanchain 团队与正与 FinNexus 等生态项目团队开展紧锣密鼓地合作,计划在将来共同推出基于 X-Rollups 机制的二层 DeFi 应用。

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下面,我们不妨一起领略一下 X-Rollups 二层方案的魅力吧。

有关 X-Rollups 的更详细技术细节,请参见 白皮书原文

以太坊现状 & 痛点:低吞吐量、高交易费

随着 DeFi 应用的爆炸式发展,以太坊上已经部署了大量的去中心化应用。不幸的是,以太坊作为最广泛使用的智能合约平台却受限于可扩展性无法满足终端用户的海量需求。具体而言,以太坊目前存在以下几大问题:

  • 较低的交易吞吐量:以太坊的出块速度不高(当前约 13 秒一个块)和区块大小受限(每个块无法包含足够多数量的交易),导致了以太坊网络的交易吞吐量较低。

  • 高额的交易费用:随着区块链生态系统的迅速增长,链上交互的频率越来越高。以太坊对链上所有交易都要收取一定的 Gas 费,而这笔费用目前已经足够高昂到限制了链上 DeFi 应用的操作。

  • 较差的用户体验:由于较低的交易吞吐量以及高额的交易费用,导致以太坊上 DApp 的交互成本高且存在相当程度的延迟。因此用户在使用 DeFi 产品时体验较差。

X-Rollups,全面解决以太坊上的痛点

X-Rollups 是由 Wanchain 团队推出的全新以太坊二层解决方案,旨在解决以太坊目前存在的痛点,同时该方案秉持了完全去中心化的设计理念,并充分考虑到与现有开发者社区和生态应用的完全兼容。因此,与已有的二层扩容方案相比,X-Rollups 在去中心化、安全性、兼容性、可扩展性和延迟性上均具备一定优势。

X-Rollups 二层方案介绍

X-Rollups 整体框架

我们前面介绍过,作为 Layer 1 (一层)的以太坊,存在有限交易吞吐量和高额交易费的缺陷。所以 Layer 2 (二层)方案就是要解决这一缺陷。该方案是以 Wanchain 作为以太坊的 Layer 2,因为 Wanchain 作为公链兼具 高交易吞吐量和低交易费用的优势。

不久前,Wanchain 进行了木星版本的升级,至此,Wanchain 全面兼容了以太坊 EVM。因此,以太坊(即 Layer 1)上的 Dapp 都可以根据需要再在 Wanchain (即 Layer 2)上部署一套对应的应用。同时,Layer 1 上的资产和代币可以无缝迁移至 Layer 2,以获取更好的用户体验,享受更低的 Gas 费。

Layer Connector 处于 Layer 1 和 Layer 2 之间,它是连接 Layer 1 和 Layer 2 的纽带,通过 Layer Connector 完成资产在 Layer 1 和 Layer 2 之间资产的安全转移以及信息在一二层间的有效验证。

下图展示了 Ethereum (Layer 1)、Wanchain (Layer 2)和 Layer Connector 相互之间的关系。

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Layer Connector,连接一二层的纽带

Layer Connector 由两大角色运行,即 Storeman Group 和 Voucher Group。它们各司其职,分别承担着资产的转移和信息的验证。

当用户发起将资产从 Layer 1 转移至 Layer 2 的交易时,Storeman Group 会将用户的资产锁定在 Layer 1 上,并在 Layer 2 上铸造等量的映射资产。反之亦然。

Voucher Group 负责将 Layer 2 的区块信息注入 Layer 1,保证 Layer 1 能够对 Layer 2 的任意交易进行合法性验证。通过这些注入的信息,Layer 2 自动地与 Layer 1 达成锚定。

需要强调的是,Storeman Group 和 Voucher Group 的节点成员是由社区随机选择产生的,且每个成员需要预先存入一定量的押金作保证,防止节点作恶。因此,两大关键角色是完全去中心化的,整个 X-Rollups 方案也是完全去中心化的方案。

核心算法

X-Rollups 二层方案借鉴并创新了业内的部分主流密码学算法。

  • 基于门限签名的共识算法:基于门限签名的共识算法(TSS-based Consensus ,简称 TBC)用于在 Storeman 组和 Voucher 组节点成员内部对 Layer 1 和 Layer 2 上的数据达成共识。
  • 增强压缩算法:增强压缩算法(Enhanced Compression Algorithm,简称 ECA)用于完成对注入 Layer 1 数据的压缩。数据压缩一致是决定 Rollups 方案可扩展性的关键因素。
  • 2-Stage Proof:通过对 Layer 1 上的已注入的 Layer 2 信息来验证 Layer 2 上任意交易的合法性。

X-Rollups 二层方案如何运行

部署阶段

  • 在 X-Rollups 的 Layer 1 和 Layer 2 部署五项智能合约(具体参见白皮书),实现对资产和信息在 Layer 1 和 Layer 2 之间的有效管理。

  • 通过节点竞选的方式,完成 Storeman Group 和 Voucher Group 的选举。(选举的方式参考目前跨链节点 Storeman Group 的月度选举)

  • 对于第三方 Dapp 来讲,除了原先在以太坊上部署的 Dapp 外,需要在 Layer 2 上根据实际需求再部署一套相应的 Dapp。(由于 Layer 2 完全兼容 Layer 1 的 EVM,因此部署过程将变得极为简单高效)

使用阶段

资产从 Layer 1 到 Layer 2,参与 Layer 2 的 DeFi 应用

当用户在 Layer 1 上发起将 ETH 或 ERC20 转移至 Layer 2 时,Storeman Group 在接收到用户的交易请求后会将用户的资产锁定在 Layer 1 上,并在 Layer 2 的目标地址上映射出相同数量的资产。

这时,用户便可拿着 Layer 2 上的映射资产,以更低的成本、更好的体验参与到 Layer 2 上的 DeFi 应用。

资产从 Layer 2 回到 Layer 1

当用户在 Layer 2 上发起将映射资产转移回 Layer 1,拿回 ETH 或 ERC20 时,Storeman Group 在接收到用户的交易请求后会将用户在 Layer 2 上的资产销毁,并释放 Layer 1 上被锁定的 ETH 或 ERC20 资产。

当然,在这一过程中,Layer Connector 中的 Voucher Group 会对来自 Layer 2 上的信息进行合法性验证,只有验证通过的交易才能最终在 Layer 1 上释放被锁定的资产。

X-Rollups 二层方案的优势

与目前以太坊上主流的 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups 二层方案相比,X-Rollups 在数据可用性、交易合法性、兼容性、可扩展性和延迟性等方面均表现出了相应的优势。

数据可用性

当前流行的二层方案都是将 Layer 2 的交易压缩后存入 Layer 1 以实现数据的可用性。在 X-Rollups 中,Voucher 组定期向 Layer 1 注入压缩后的 Layer 2 区块数据头,极大节省了成本但同样实现了数据可用性。不仅如此,Layer 2 的基础设施是 Wanchain,其作为公链的活性和韧性进一步提升了数据的可用性。

交易合法性

在 Optimistic Rollups 中,Layer 2 交易的合法性是由欺诈证明保证的。因此至少需要一个诚实节点执行完所有 Optimistic Rollups 的交易并且当有非法交易提交到 Layer 1 时提交对应的欺诈证明,这使得 Optimistic Rollups 容易遭受拒绝服务攻击。在 ZK Rollups 中,状态的迁移只有当 Rollups 智能合约对其零知识证明验证通过后才是有效的。不幸的是,零知识证明系统的建立需要授信建立的过程,并且计算复杂度很高。在 X-Rollups 中,Layer 2 交易的合法性是由 2-Stage Proof 保证的,通过存在 Layer 1 中的区块头 Merkel 根可以完成验证。由于诚实大多数假设,Voucher 组能够始终在 Layer 1 中维护一个合法的区块头 Merkel 根。因此,没有任何一个非法交易能够通过 Layer 1 的验证。

兼容性

Optimistic Rollups 的虚拟机 OVM 能够实现任意的智能合约逻辑,因此几乎所有以太坊上应用均可被支持,可以基于 EVM、EWASM 或者其他任何虚拟机。ZK Rollups 则具备较低的兼容性,因为已有的零知识证明是为特定的应用所设计,如通证转移或者原子交换。X-Rollups 具有极高的兼容性,因为 Wanchain 完全兼容以太坊 EVM,因此所有以太坊上的生态应用均可到万维链上,甚至无需修改代码。

可扩展性

可扩展性的决定因素是压缩效率,高压缩效率意味着高可扩展性。Optimistic Rollups 和 ZK Rollups 都是将交易作为压缩的对象。Optimistic Rollups 的吞吐量为 450 TPS,而 ZK Rollups 的吞吐量约为 680 TPS。作为对比,X-Rollups 使用 ECA 作为数据压缩算法,选取区块头作为压缩对象而不是交易,因此实现了更高的压缩比率,更高的可扩展性。理论上 X-Rollups 能够达到 10000 以上 TPS。

延迟性

Optimistic Rollups 为保证安全性,为欺诈证明提供了一个 1 到 2 周时间窗口。在此期间,无论是内部 Rollups 交易还是退出交易都不具备最终确定性。因此 Optimistic Rollups 存在 1 到 2 周的延迟性。而零知识证明目前需要大量的计算量,据测试在普通计算平台上生成 1000 笔交易的零知识证明需要大约 20 分钟。因此 ZK Rollups 的延迟性大概为 20 分组。X-Rollups 中,延迟来源于 Voucher 组提交区块头的时间段,少于 5 分组。因此 X-Rollups 的延迟性约为 5 分钟。

结论

X-Rollups 是一个全新的以太坊 Layer 2 解决方案,具备高效率和低延迟的优势。它可以为第三方的去中心化应用构建一个可扩展的、用户友好的平台。潜在的应用包括支付、原子交换、流动性、去中心化交易所、借贷等。我们相信 X-Rollups 会是 DeFi 时代中一个具有竞争力的 Rollups 扩容方案。