可組合性壁壘將導致不同類型 DeFi 應用選擇不同 Layer2 方案。去中心化交易所選擇 ZK Rollup,借貸類、合成資產類項目向 Optimistic Rollup 聚集,兩類項目分別在兩種網絡內部實現可組合性。

原文標題:《D1 Ventures:DeFi 應用 Layer2 擴容方案選擇指南》
撰文:D1 Ventures,專注於原生區塊鏈領域的風險投資機構,通過提供全球化的市場洞察、構建跨市場的流動性、提供戰略諮詢和 Meme 傳播策略,支持加密經濟的未來發展。重點投資的項目包括 NEAR、Polkadot、Ethereum、Handshake 以及生態上的原生場景應用等。

DeFi 熱潮,再次突顯以太坊性能問題

以太坊是目前最去中心化的智能合約與應用平臺,任何一筆交易或者一個合約的執行都會被分佈在全球的 8000 餘個節點所驗證和儲存。

足量的冗餘是工作量證明機制下網絡安全的保證,但由於節點間同步速度受網絡通信帶寬的限制,整個網絡在一定時間內可以達成共識的狀態變化(State Transition)有限。交易發起者和合約運行者需要通過競價來獲得這些資源。

具體地,以太坊目前每秒可以處理的交易數可以按以下公式計算:

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇

公式中,以太坊區塊的 Gas limit 以 12,500,000 計,平均區塊間隔以 13.2 秒計,可以得出以下表格:

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇

從表格中可以看出,向 Compound 存入 ETH 等複雜的合約交互的 Gas 開銷大於數十筆 Ether 轉賬,一筆複雜交易的轉賬費用可以高達數十美金。當以太坊收到越來越多 DeFi 等應用的複雜交易時,每秒可處理的交易數將快速下降。而這也正是目前正在發生在以太坊上的變化,下圖顯示了與主要 DeFi 項目賬戶數的變化趨勢。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇與 DeFi 應用交互過的賬戶總數,來源:@richardchen39

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇區塊 Gas limit 和 Gas used,來源:@alex_kroeger

儘管區塊 Gas limit 在 6 月 19 日的礦工投票後增加了 25%,區塊的使用率仍然居高不下。用戶被動地支付更加昂貴的 Gas Price 來競爭 Layer1 緊張的處理能力,Gas Price 正在 DeFi 應用爆發式增長的推動下同步上漲。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇Gas Price 中位數週線,單位:GWei,來源:@alex_kroeger

儘管競價打包的機制提高了礦工收益,維護了以太坊的穩定運行,但成本的提高同時顯著地限制了 DeFi 應用的發展和用戶的進一步增長。按照目前的以太坊 Gas Price (85GWei),將 1ETH 在 Uniswap V2 中兌換爲 LEND 所需要的 Gas fee 爲 0.04544ETH,向流動性提供者支付比例爲 0.3%,相加起來是中心化交易所一般收取的 0.2% 手續費的 24.22 倍(儘管在 DEX 上交易的 Gas fee 是一固定值,當交易數額增大時所佔百分比將快速下降,但 AMM 交易所的流動性同樣會顯著地提高滑點,進一步增大在去中心化交易所交易的額外成本)。

高昂的手續費使用戶望而卻步,DeFi 應用開發者和投資者正在急切地尋求合適的擴容方案。

欺詐證明(Fraud Proof)還是有效性證明(Validity Proof)?

Layer2 擴容的思路簡而言之是將許多筆交易用一個證明所取代以節省 Layer1 的資源,相應的,這個應該可以證明對應的多筆交易的有效性。自然地,證明的方式可以分爲兩種:

  • 欺詐證明,提出證據以證明鏈上的狀態轉換並不正確;
  • 有效性證明,提出證據以證明鏈上的狀態轉換正確。

欺詐證明對應的 Layer2 擴容方案樂觀地假設鏈下交易均真實有效,直到某方提出證據證明其存在錯誤。多數我們熟悉的擴容方案都屬於欺詐證明類方案,其中包括狀態通道(State Channel)、Plasma、Optimistic Rollup 等,這些方案在作惡者爲少數的系統中非常高效,因爲多數交易無需證明即被樂觀地認爲是真實有效的,證明這些交易真實有效所需要的開銷被節省了。

但爲了避免惡意交易成爲漏網之魚,採用欺詐證明的系統必須留出足夠的「容錯時間」或者說「質疑時間」來接收欺詐證明以證明某些交易並不真正有效而將之取消。在質疑時間之內,Layer2 上的交易仍然有被修改的可能,關聯賬戶的餘額在 Layer1 上仍將被鎖定,無法退出。同時,這種機制的有效建立在被害者有能力在「質疑時間」內認識到系統的錯誤並提交欺詐證明以糾正的「在線假設」(Liveness Assumption)基礎之上。在這一假設中,對錯誤的沉默等同於對錯誤的默許。攻擊者常常通過各種手段阻止利益相關方在質疑時間之內提交欺詐證明而完成攻擊。欺詐證明類方案必須在質疑時間的長短上做出取捨。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇

有效性證明類方案,如 ZK Rollup 與 Validium 等,相比欺詐證明穩重許多,系統每次在 Layer1 上進行狀態轉換時都提交足以證明其轉換真實有效的證明供 Layer1 節點驗證。有效性證明因此無需設置質疑時間,從 Layer2 退出無額外延遲。如何節約生產證明的開銷是有效性證明類擴容方案的藝術。

零知識證明是一種精巧有效性證明方式,它使得 Layer1 的驗證節點無需獲取鏈下交易的全部信息並進行重複計算即可證明其有效性。零知識證明算法的研究一直處在密碼學領域的前沿,由於涉及複雜的數學和安全性證明,零知識證明的研究進展相較應用技術緩慢許多。目前主流的零知識證明算法包括 zk-SNARK、zk-STARK、PLONK 和 SONIC 等。好的零知識證明算法應該是驗證開銷低、生產快的。值得注意的是,目前實用的零知識證明算法生成證明的時間大約在 1~10 分鐘,這是額外的無法消除的交易確認延遲。另外,由於零知識證明的生產需要大量計算,開發者通常通過開發電路(由低級語言編寫的特定邏輯運行程序)減少計算時間,這使得零知識證明更傾向於運算格式一致的交易,也因此更適用於去中心交易所等需要處理的交易類型固定、合約簡單的應用

數據可用性(Data Availability)的解決

D1 Ventures 對於數據可用性的關注,始於對 Plasma 的討論,Plasma 是一種通過建立錨定以太坊主鏈的側鏈而實現擴容的方法。Plasma 在以太坊主鏈之外開啓一條或多條側鏈,週期性地在主鏈上記錄側鏈所有的區塊頭的快照(不包含具體交易信息),以此將側鏈的狀態納入主鏈的安全保護傘下。但由於快照中不含具體交易信息,主鏈無法得知用戶在 Layer2 的狀態,在側鏈運營商仍然保有隨意停止向主鏈同步信息或者拒絕打包某些交易的權利時,用戶必須獨立存儲側鏈上的全部數據並提交至主鏈才能保護自身財產的絕對安全,而這一數據量對於主鏈的處理能力而言並不現實。

Rollup 改進了這一問題,將 Layer2 交易連同整個側鏈的狀態一同錨定到以太坊主鏈之上,從而實現了數據可用性。這一改進使得用戶可以輕鬆地向 Layer1 的驗證節點證明其在 Layer2 的全部交易真實有效,因此,可以隨時退出 Layer2。

實現數據可用性的同時必須避免過度佔用 Layer1 空間,Rollup 靈活、立足實用地將單個交易在鏈上的存儲空間壓縮到 11 個字節(Nonce 和 Signature 並不會存在鏈上),748Gas,是 Layer1 普通轉賬的 1/28,其中:

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇Rollup 交易中各個字段字節數,來源:Scalable blockchains as data layers, Vitalik Buterin

  • 縮小賬戶空間到 23*8 (大於 1677 萬個),按照預設的 Merkle Tree 將以太坊主鏈上的 20 字節的賬戶地址轉爲 3 字節的葉節點索引作爲壓縮後的地址;
  • 縮小金額分度爲 0.001ETH,分別將 32 字節的空間壓縮爲 4 字節和 1 字節以表示轉賬金額及手續費;
  • 假設一個賬戶的轉賬次數不會超過 2 萬,以兩個字節表示 Nonce。

實現數據可用性的實質在於對 Layer2 網絡交易數據的儲存和檢索,在主鏈上壓縮數據並存儲可能是最簡單的方式,但並非唯一。Rollup 方案下的 Layer2 的交易可以像 Layer1 的交易一樣在區塊鏈瀏覽器中被解析和查閱,這對 DEX 中不想暴露交易策略的專業交易者造成了困擾。StarkEx 建立了鏈外的許可型數據可用性委員會(DAC)來存儲數據並對不斷對整個賬本的新狀態進行簽字確認。隨着 Filecoin、Lazyledger 等去中心化存儲平臺的逐漸成熟,數據可用性將會找到成本最低,隱私最好的解決方案。

主流 Layer2 擴容方案矩陣

D1 Ventures 將目前主流的擴容方案和代表性應用按照上述的欺詐證明 / 有效性證明和鏈上 / 鏈下數據有效性分爲四個象限。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇擴容方案提供商(開放網絡)

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇應用(定製化網絡)

zkSync 是 Matter Labs 在 ZK Rollup 的基礎上開發的以太坊 Layer2 開放網絡。在實現 ZK Rollup 的高 TPS 和低手續費的基礎指標外,zkSync 建立了一個更加實用和獨立的網絡:

  • 亞秒級交易確認。zkSync 引入了即時交易收據(Instant TX Receipts)設計,網絡驗證人會在對一筆交易形成共識後預先使用質押資金確保這筆交易將被包含在下一個 zkSync 區塊之中;
  • 抗審查。爲了保護網絡的隱私性,zkSync 設置了守護者(Guardian)的角色,用以監控驗證節點見的點對點通信流量和探測審查行爲,守護者可以頻繁更換一部分驗證者。
  • 零知識智能合約框架。zkSync 推出了安全且高效的編程框架和基於虛擬機的運行環境 Zinc,爲基於零知識證明的智能合約而設計,可以將 Layer1 上的智能合約快速編譯爲零知識證明算法善於處理的程序,以此作爲 Layer1 上 DeFi 等大量消耗資源的應用轉移到 Layer2 的橋樑。但由於零知識證明本身過於複雜,安全性仍然需要大量嘗試驗證。

zkSync 是目前最成熟的 ZK Rollup 開放網絡,普通交易之外,zkSync 正在努力支持更加複雜的 DeFi 應用在其上運行。未來,zkSync 將在 Layer2 引入代幣治理以更好地實現去中心化,Matter Labs 還計劃推出 zk Porter 將網絡分片,使得不同邏輯類型的應用的智能合約在不同分片上得到更好的支持。成熟的 Layer2 開放網絡與一條獨立的區塊鏈看起來愈發相似。

Optimistic Rollup 是欺詐證明與去掉零知識證明的 Rollup 的結合,由 Optimism (原 Plasma Group)最先開始研發。OVM (Optimistic Virtual Machine)是 Optimism 推出的一個搭建在 Layer2 上的與 EVM 完全兼容的執行環境。它允許用戶在 Layer2 的 Rollup 網絡中進行以太坊主鏈上能做的所有操作,包括編寫 Solidity 智能合約、通過 Web3 API 交互等。將 Dapp 移植到 OVM 上除去部署合約之外不需要進行額外操作。Optimism 已與 Synthetix 展開合作,在 OVM 上部署和測試整個 Synthetix 應用。下列初步測試數據顯示了 OVM 對於主鏈 DeFi 應用性能顯著的提升。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇來源:Optimism blog post

除 Optimism 外,Fuel Labs 開發的 Fuel 是另一個值得注意的 Optimistic Rollup 擴容網絡。Fuel 的側鏈採用了 UTXO 和 HTLC 等設計,支持任意兩種 ERC-20 Token 的無抵押(Non-custodial)互換。

Optimistic Rollup 不需要零知識證明,可以在 Layer2 上直接運行 EVM 以方便地支持 Layer1 上的各種邏輯的智能合約,Dapp 的遷移成本小。作爲代價,退出 Layer2 仍然需要等待一週左右的質疑時間,不過在具體項目中仍然可以通過建立資金池等不那麼優雅的方式消除小額提款的延遲,爲用戶提供便利。

在象限的左下角,Validium 即是鏈下數據可用性和有效性證明的組合,由 Starkware 在去中心化交易所引擎產品 StarkEx 中集成。實際上,StarkEx 設計了靈活的數據存儲結構(解決方案被稱爲 Volition),用戶每次交易時都可以自由地選擇數據存儲位置,並且由於 DAC 的支持,StarkEx 中的數據無論在鏈上鍊下都可以獲得數據可用性支持,用戶可以在無許可的情況下自由退出 Layer2。

我們考量了上述 Layer2 擴容方案的一些關鍵指標,通過下面的表格對他們做橫向比較:

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇來源:Matter Labs

三種主要的 Layer2 擴容方案均可充分滿足應用對 TPS 和交易手續費的要求。對智能合約兼容度最好的是 Optimistic Rollup,在 OVM 上移植 Dapp 不需要額外修改,並且 Synthetix 已經被部署在其上測試;ZK Rollup 其次,儘管 Zinc 已經開始測試,但由零知識證明引入複雜性風險與開發門檻仍然使許多開發者難以嘗試;Validium 仍然是一個集成在 StarkEx 交易引擎中的方案,尚無拓展爲開放網絡的計劃。ZK Rollup 對交易密集型應用支持最好,數據可用性帶來的快速退出相較欺詐證明類方案以周計的退出期限相比優勢十分明顯。

可組合性限制與功能分區

Layer2 擴容方案可以輕易地將 TPS 與交易成本優化數十倍,其代價是可組合性的丟失。Layer2 網絡類似法幣體系中的大型購物商城,而 Layer2 網絡中的 DeFi 項目就像商場中的一家商鋪。用戶需要購物則必須辦卡(Layer2 開戶),充入資金,消費,最後將餘額取出。用戶無法使用一家商場中的購物卡到另一家商場的商鋪中消費,可組合性難題成爲商場之間無法打破的隔閡。

在某些應用場景中,可組合性是去中心化應用領先於中心化應用的主導因素之一。以 DeFi 應用爲例,去中心化交易所可以輕鬆地進行流動性聚合並形成聚集效應,將整個生態內的流動性越做越大,相比中心化交易所激烈的流動性內卷化競爭顯然更加高效。

D1 Ventures:簡析以太坊 Layer 2 方案與 DeFi 擴容選擇各去中心化交易所月交易量,來源:@hagaetc

而在今年 DEX 交易量大漲的熱潮中,Loopring、IDEX 等應用 Layer2 擴容技術的去中心化交易所交易量增長並沒有分享到頭部 AMM 交易所交易量增長的紅利。儘管 Loopring 積極地設計了中間人(Mediator)機制使得用戶無法感受到資產在 Layer2 賬戶中與 Layer1 錢包交互中繁瑣的步驟,但仍然使 1inch 等去中心化交易所聚合器難以集成。

D1 Ventures 認爲可組合性壁壘將導致不同類型的 DeFi 應用選擇不同種類的 Layer2 擴容方案而形成不同的分區,例如去中心化交易所選擇 ZK Rollup 網絡,智能合約執行任務較大的借貸類、合成資產類項目向 Optimistic Rollup 網絡聚集,兩類項目分別在兩種網絡內部實現可組合性。DeFi 中借貸和合成資產類應用除了智能合約外還需要大量的資產,資產沉澱將會成爲各個側鏈的先發優勢和競爭壁壘。

除此之外,我們也注意到許多獨立的區塊鏈正在與以太坊 Layer2 側鏈殊途同歸,Ava Labs 推出的 Athereum 和與以太坊社區關係緊密的 NEAR 都提供了對以太坊良好的兼容性,並致力於建立 Ether 與 ERC-20 資產跨鏈橋。在以 DeFi 爲代表的去中心化應用快速發展的趨勢中,不同類型的應用將會在不同的取向主導下重新劃分陣營。