Layer 2 作爲解決以太坊可拓展性問題最有效的路徑之一,還需要不斷地優化和開發。

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原文標題:《市場熱度再起,Layer 2 能否解決以太坊擁堵問題》
撰文:imToken

金融是區塊鏈最容易落地的場景。過去的一年,我們在以太坊生態中看到的各種去中心化的金融產品,很多都帶着傳統金融產品的影子,像是去中心化的借貸,交易,衍生品等。而金融追求效率,比特幣網絡每秒 5 筆,以太坊 15 筆的交易處理能力,相較於 Visa 網絡均值 2000 筆,峯值數萬的效率,彷彿不同時代的產品。

區塊鏈的 TPS (每秒可處理交易)在很大程度上限制了區塊鏈的普及,由此也限制了普惠金融。最近出現了一個新詞叫 DeFi 後現代,而我以爲 DeFi 的現代還未到來,過去半年間流行的 DeFi 可能只是公元前。受限於 TPS,價高者得的交易處理機制使 DeFi 熱潮時以太坊網絡貴且擁堵,最擁堵時 gas 值突破了 1000 gwei,單筆交易花費幾十上百美元成爲家常便飯。這樣的交易代價也將很多人拒於 DeFi 門外。

面對當前可拓展性極其有限的難題,以太坊社區和開發者提出了兩個方向的解決方案,Layer2 和分片(Eth2 的一個重要升級)。Layer2 字面意思是二層網絡,相對的,當前的以太坊主網也稱爲一層網絡(Layer1),二層網絡也就是基於當前以太坊主網的一個系統。

Layer2 方案主要是從減輕 Layer1 負擔的角度出發,將 Layer1 的大量計算需求搬到 Layer2 上;分片則是從更基礎的角度,通過增加 Layer1 數量達到提升基礎帶寬的目的。Eth2 預計總共將分爲 4 個階段實施,目前處於階段 0 存款合約的啓動階段,關於 Eth2 的具體信息不在本文展開,後續我們會對 Eth2 的最新進展持續跟進。這篇文章接下來將和大家介紹 Layer2 的常見方案和主要進展。

在 DeFi 擁堵時,Layer2 作爲解決擁堵的救星之一也被熱炒,相關概念代幣價格也一路走高。在這背後,Layer2 到底是如何解決以太坊交易處理效率低下的問題呢?

簡述以太坊二層擴容方案 Rollup 與 Plasma 原理及採用現狀

我們知道當前以太坊交易處理能力主要受限於區塊體積和出塊時間。區塊體積決定了當前以太坊網絡單個區塊可容納的交易筆數;出塊時間決定了平均每 12 秒才能產生一個區塊。

目前主流的 Layer2 方案有很多,本文重點介紹 Plasma、Rollup 兩種,其中 Rollup 又可細分爲 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup,這些方案從不同角度來解決以太坊交易處理能力有限的問題。

Plasma

Plasma 是以太坊社區中出現的第一個試圖解決網絡處理問題的方案,早在 2017 年被提出,也被寄予厚望。

在介紹 Plasma 前需要先了解「側鏈」的概念。由於以太坊主網拓展不易,開發者就想到了創建一個連接到主網的獨立區塊鏈,也就是側鏈,通過在側鏈上高效處理交易來實現對主網的擴容。而側鏈的潛在問題是安全性,作爲一個獨立的區塊鏈,側鏈需要有自己的礦工,建立足夠的算力來保障安全,而足夠的算力和不作惡的礦工,對於當前除比特幣和以太坊之外的區塊鏈來說,都是一個不小的門檻。

不同於側鏈,Plasma 將 Layer2 交易數據處理後提交到 Layer1,並且增加了欺詐性證明的退出機制,通過這種方式利用 Layer1 算力保障 Layer2 安全性。

理論狀態下,Plasma 可將以太坊的 TPS 提升至 1-9k。由此 Plasma 受到了廣泛關注。但在隨後的開發中,更多現實問題暴露出來:

  1. 用戶從中取出資金的週期過長
  2. 所有用戶都被要求監控 Plasma 鏈上的所有交易

再往後,Plasma 的發展陷入停滯,進展緩慢,不過近期我們也觀察到一些項目基於 Plasma 再繼續探索並有所突破,下文中將介紹相關項目的進展。

Rollup

Rollup 是當前最受關注,也是最有可能真正落地的 Layer2 方案。上面提到以太坊網絡每個區塊中可包含的交易數量是有限的,而 Rollup 則是通過將數千筆交易打包壓縮,然後將處理後簡潔的數據同步到以太坊主網中實現 TPS 的提升,解決網絡交易處理能力有限的問題。

和 Plasma 的區別在於,Plasma 是將交易處理後的結果同步到 Layer1,我們無法直接通過它上傳 Layer1 的數據瞭解到每一筆交易的信息,而 Rollup 壓縮處理後同步到 Layer1 的交易數據中包含了每筆交易的基本信息。

通過上面的描述也可以瞭解到,Rollup 方案對交易處理能力的提升是線性的,打包壓縮的交易數量越多,打包後的數據也就越大。在實際測試中,Rollup 可將 TPS 提升 100 倍。在當前的以太坊網絡下(即第一代以太坊),TPS 最高可達到 2k,也就是 Visa 處理能力均值;和 Eth2 的分片結合後,理論 TPS 可達到 20k+,接近或超過 Visa 網絡峯值水平。

根據如何確保壓縮數據的正確性,Rollup 又可分爲 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。

ZK Rollup

ZK Rollup 通過零知識證明 zk-SNARKs 的密碼學技術來確保安全性,ZK 是 zero knowledge (零知識)的縮寫。

零知識證明:證明者能夠在不向驗證者提供任何有用信息的情況下,使驗證者相信某個論斷是正確的。

ZK Rollup = 交易壓縮 + 零知識證明(zk-SNARK)

ZK Rollup 核心思想是在鏈下達成交易共識,並通過零知識證明保證鏈下交易狀態的安全性,同時壓縮交易數據,最後將數據同步至主鏈。

通過下圖對比,可以更直觀地認識零知識證明是如何壓縮交易數據的:

簡述以太坊二層擴容方案 Rollup 與 Plasma 原理及採用現狀

通過將每筆交易中的簽名信息等進行零知識證明處理,來達到壓縮交易數據的目的。目前的 ZK Rollup 方案可將當前以太坊網絡的 TPS 提升 30 倍,達到每秒約 500 筆交易的處理能力。

但由於對智能合約創建零知識證明的過程較長,所以目前零知識證明算法對通用型的智能合約支持不友好。當前 ZK Rollup 方案更適用於普通轉賬交易等場景。

Optimistic Rollup

由於 ZK Rollup 存在無法良好支持智能合約,生成零知識證明耗時較長的問題,2019 年 6 月,Optimistic Rollup 方案被提出,這個方案中去除了零知識證明,增加了懲罰機制,來達到保障數據安全性(略低於 ZK Rollup 方案)的同時又可以更方便地支持通用性智能合約的目的。

Optimistic Rollup 方案採用了 OVM (Optimistic 虛擬機),OVM 是功能完備、與 EVM (以太坊虛擬機)基本兼容的環境。通過 OVM,將 DApp 移植到 Layer2 變得簡單,而且也使得項目方無需部署各種 Layer2 擴容方案,而只需接入 OVM,就可以使用其中的各類 Layer2 結構。

因此,目前 Optimistic Rollup 更適合於 DeFi 應用,此方案可將 TPS 提升至 100,通過 BLS 簽名聚合技術可進一步提升至 500。

各方案的採用情況

目前基於 Plasma 方案的團隊主要有 OmiseGo (OMG),其 Plasma MVP 已上線主網,Tether (USDT 發行方)已確定將與其合作。

基於 ZK Rollup 方案的團隊的有 Matter Labs,Hermez 等,以其中採用最廣泛的 Matter Labs 團隊爲例,其開發的 zkSync 已上線主網,並且預計將於 2021 年推出通用兼容 Solidity 的代碼。目前生態合作項目有 Curve、Gitcoin 和 Balancer 等。

基於 Optimistic Rollup 方案的團隊主要是 Optimism,他們開發的 OVM 已於 9 月 25 日上線測試網,並且已經和 Uniswap、Synthetix 和 Coinbase Wallet 達成生態合作。

簡述以太坊二層擴容方案 Rollup 與 Plasma 原理及採用現狀Photo by Nick Fewings on Unsplash

未來會怎麼樣?Layer2 作爲解決以太坊可拓展性問題最有效的路徑之一,還需要不斷地優化和開發。希望當 Layer2 進一步流行和採納後,可以幫助當前的以太坊網絡從狹窄小路升級爲寬闊車道,讓更多人可以使用 DeFi 產品,體驗到去中心化金融。再往後,當 Eth2 分片上線,我們期待見到以太坊網絡從地面交通成長爲海陸空運輸系統。

到時,我們或許將真正進入 DeFi 的現代。

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