以太坊二層方案會沿着差異化路勁發展,對開發者和用戶的爭奪是核心。

撰文:崔晨, 就職於 HashKey Capital Research
審覈:鄒傳偉,萬向區塊鏈首席經濟學家

以太坊的擴容問題迫在眉睫,而以太坊 2.0 分片規劃開發緩慢,Layer 2 上的擴容解決方案在短期內最有可能改變以太坊的擁堵現狀。以太坊中踐行 Layer 2 擴容的團隊基於相同或不同的技術方案,例如 Rollup 和 Plasma,進行相應的產品化落地。目前大部分產品還處於開發階段,它們之間的格局將影響到以太坊生態的格局。本文根據 Layer 2 開發團隊對外披露的方案,對其實用性進行解讀和評估,總結 Layer 2 項目的發展趨勢以及目前 Layer 2 方案面臨的問題。

如何理解 Layer 2 方案以及競爭力

Layer 2:底層與應用的中間商

Layer 2 解決方案的思路是將本應該在 Layer 1 上運行的計算過程放到鏈下,將結果傳回鏈上確認。無論是普通的轉賬,還是複雜的智能合約,都可以通過 Layer 2 方案實現快速交易以節約 Gas 費。Layer 2 作爲以太坊中的擴容工具,也是連接底層網絡和上層應用的中間層。從這個角度看,人們對 Layer 2 有兩方面的要求:應用需要 Layer 2 進行快速清算;主網和用戶需要 Layer 2 保證計算結果的正確性以及資金安全。

一般來說,例如 Rollup 和 Plasma 技術,是通過主鏈上的智能合約來實現 Layer 2 層和主鏈之間的交流,用戶通過與智能合約交互實現在 Layer 2 層上的充值與提現,Layer 2 通過更新狀態將結果傳回主鏈上。但是狀態更新不是自動進行的,需要指定負責人來執行,也就是 Layer 2 的運營商。以 Rollup 爲例,雖然任何人都可以進行 Rollup 的操作,但在鏈下進行計算和主鏈上更新需要花費資源,因此需要對運營商進行經濟激勵才能保證 Rollup 運行。尤其是對於需要欺詐證明和挑戰期的方案來說,如果沒有合適的激勵方式,那麼很難維持項目的可持續。Layer 2 上的交易費用由用戶承擔,運營商會收到這些獎勵。側鏈作爲廣義上的 Layer 2 方式也是通過這種方式運行,側鏈有獨立的驗證節點,用戶在使用側鏈或進行跨鏈時要向側鏈的節點發出請求。Layer 2 是底層與網絡應用之間的中間商,會因提供便利而收取費用。

Layer 2 方案競爭力的體現

換一個角度考慮,Layer 2 與底層網絡和應用這兩者的發展都相關,如果底層網絡以太坊出現問題,導致無人使用也就無需 Layer 2 擴容。如果 Layer 2 上沒有繁榮的應用生態,也不會有用戶使用,那同樣沒有存在的必要。既涉及到應用又涉及到用戶,這樣來說,Layer 2 方案之間的競爭頗具公鏈競爭的態勢。但不同的是,用戶退出公鏈生態就幾乎無法轉移到其他生態中使用,除非賣出所有公鏈中所有資產,而 Layer 2 上的用戶可以自由在 Layer 2 上進入和退出。如果 Layer 2 上的應用不具有吸引力,用戶可以隨時轉移到其他 Layer 2 上的應用中。在現在的環境下,對於用戶來說 Layer 2 本身沒有吸引力,使用 Layer 2 關注的更多是上面的應用。所以對於 Layer 2 要注重兩個方面的體驗,開發者的體驗和用戶的體驗。

以太坊在開發者社區已經形成了護城河效應,因此對於 Layer 2 來說,越接近以太坊的開發環境,就越能獲得開發者的青睞。尤其是 Layer 2 的很多目標應用都已經部署在主網上,如果需要開發者再針對 Layer 2 環境進行開發,那麼十分耗費時間精力。就像每一種新技術,Layer 2 方案也具有先發優勢,尤其是以太坊用戶都在期待 Layer 2 網絡上線,因此儘快地開發 Layer 2 解決方案並部署熱門應用是 Layer 2 目前提高競爭力最有效的途徑。

在提高用戶體驗方面,首先要做的是保護用戶的資金安全。其次,要讓用戶無感地在主網和 Layer 2 之間移動,如果其中操作繁瑣,則會造成用戶門檻進而影響使用人數。還有 Layer 2 的立足之本,用戶需要在 Layer 2 達到比主網更流暢的用戶體驗,並且能有效節約 Gas 費。

綜合來說,人們爲使用 Layer 2 付出的成本以及得到的便利的綜合評估,就是各 Layer 2 的競爭力。

Layer 2 解決方案及特點

Layer 2 的技術解決方案可以分爲幾種,例如狀態通道、側鏈、Plasma 和 Rollup 等,同一種技術也會由不同的團隊開發成不同的版本。下面是目前熱門 Layer 2 解決方案及特點。

Optimistic Ethereum

Optimistic Ethereum (OE)是由 Optimism 公司開發實現的基於 Optimistic Rollup 技術的 Layer 2 網絡,計劃主網於 2021 年 7 月上線。目前測試網上已經有 Synthetix 和 Unipig (Uniswap 的 Layer 2 版本)兩個應用的 Demo 版本,他們也將成爲主網上線後的第一批應用。

OE 上使用了自創的 OVM 虛擬機,相當於 Layer 2 上 EVM 的代替版。由於執行環境不同這兩者不完全相同,在主鏈上執行的智能合約需要轉義成適用於 OVM 的操作碼。在 OE 中,需要通過欺詐證明和挑戰期來確定狀態的正確性,其中涉及在 Layer 1 上的多次交易,而且需要一定的時間。Layer 2 上狀態的最終確認需要 7 天的時間,如果存在欺詐交易則會回滾。OE 的安全性也來源於欺詐證明的保證,那些揭示錯誤交易並在 OE 上提交證明的用戶會因此受到獎勵。爲了防止運營者無成本作惡,成爲運營者需要在以太坊上存入誠信保證金。如果他們的欺詐行爲被驗證者發現,那運營者的保證金就會部分交給驗證者,部分被銷燬,這是出於運營者可以在驗證者提出證明前搶跑的考慮。

由於欺詐證明的存在和挑戰期的限制,用戶提現時有一週的等待時間,這也是 OE 現在的弊端,可以通過流動性提供者的方案解決。如果 OE 中的一個驗證者證明了用戶的一筆交易是正確的,在規定時間後會真實提現,那麼他就可以充當流動性提供者,提前將資金預支給用戶,等待用戶提現完成再償還,以賺取挑戰期內的利息。或者用戶所需的應用都在 OE 上,用戶也就無需提現到主鏈上。

在費用方面,用戶在向 OE 智能合約轉賬和提現時需要消耗 Gas 費,在 OE 中進行交易時也許支付 Gas 費給運營者。OE 中的 Gas 費計算方式與主網有所不同,例如在 OE 上的 Gas Price 是固定的常數,目前初始值爲 1Gwei,無需用戶再進行設置。

Arbitrum Rollup

Arbitrum Rollup 由 Offchain Labs 團隊實現,同樣基於 Optimistic Rollup 技術,目前發佈了測試網 V4 版本,這是未來主網的候選版本。Arbitrum 在 Offchain Labs 的規劃中除了 Rollup 之外,還有未上線的適用於其他應用的狀態通道和側鏈。目前 Arbitrum Rollup 的測試網生態版圖包括 Bancor,Balancer,Bounce,MCDEX 和 Arbiswap (Uniswap 的 Arbitrum 版本)等應用,也包括 Chainlink 和 The Graph 這樣的基礎設施。

HashKey 崔晨:解讀以太坊 Layer 2 競爭格局及趨勢圖 1:Arbitrum 架構

如上圖所示,Arbitrum 建立在以太坊之上,使用 EthBridge 維繫 Layer 1 和 Layer 2 之間的連接,調用 EthBridge 合約可以實現主網與 Arbitrum 鏈的交互。AVM Architecture 之上是 Arbitrum 底層運行的虛擬機 AVM,ArbOS 完全在 AVM 中運行,負責管理和執行智能合約。最重要的是,ArbOS 爲智能合約提供了與 EVM 兼容的執行環境。左上方的用戶在使用錢包或前端工具與 Arbitrum 進行交互時,無需使用新的工具,開發人員也無需進行額外開發,可以直接將現有的 Solidity 合約轉移到 Arbitrum 中。

與 Optimistic Rollup 的思路相同,Arbitrum Rollup 使用欺詐證明保證網絡安全。相同的,Arbitrum 中也會有專門的運營者和驗證者,運營者需要繳納押金防止作惡。專門的驗證者對運營者錯誤行爲進行監督,否則每個交易參與者都親自驗證監督的話,會影響用戶體驗。在進行爭端仲裁時,Arbitrum 會在鏈下對爭議內容進行拆分,在確定了最小的爭議範圍之後再調用以太坊合約進行決策。因此在 Layer 1 層面的驗證上,Arbitrum 的效率會更高。

在 Arbitrum 中,同樣需要爲使用虛擬機支付 Gas,這體現爲 ArbGas,也是對 Arbitrum 運營者的經濟補償。ArbGas 用於評估 AVM 中執行計算所花費的時間,1 億 ArbGas 大約等於 2020 年初 Offchain Labs 開發者電腦的 1 秒 CPU 時間。每條 AVM 指令的 ArbGas 成本是通過測量設置的,與以太坊中的 Gas 計算有所不同。目前在測試版本中,默認的費用設置爲零。

zkSync

zkSync 由 Matter Labs 開發實現,基於 ZK Rollup 技術,通過密碼學證明鏈上數據的真實性保證資產安全。運營者在上傳數據時會附加有效性證明,主網可以在數據上傳時即時驗證信息,所以讓 Layer 2 達到和主網同等的安全性。目前 zkSync 的生態包括 Curve、AAVE、Balancer、1inch 等,已經上線了主網,2.0 版本的主網預計在 2021 年 8 月上線。

zkSync 以用戶資金安全爲首要目標,使用了加密技術 PLONK 和 RedShift。其中 RedShift 是一種透明通用的 SNARK,由紐約大學的 Assimakis 和 Matter Labs 的 Konstantin、Alexander 研究發現。在使用 zkSync 時,交易有兩部分成本:1. Layer 2 上的狀態儲存和 SNARK 生成成本,這取決於硬件的使用;2. 運營者支付將數據傳回以太坊主網上的成本以及驗證 SNARK 證明的成本,這取決於以太坊上的 Gas Price 價格。ZK Rollup 最大的阻礙就是與智能合約相關的有效性證明的驗證成本過高,因此不適用於智能合約的場景。zkSync 通過重新對智能合約編寫讓其適用在 ZK Rollup 中使用。但需要開發者重新使用 Zinc 語言部署合約,這將是目前 zkSync 未來最重要的計劃之一。

涉及 zkSync 中的交易轉賬時,用戶可以使用轉賬的代幣支付 Gas 費,沒有必須使用 ETH 的要求。目前 zkSync 網絡是由集中管理的方式運營,未來將引入多個角色讓網絡更分散,例如引入 PoS 共識機制等。爲了維持運營者的收支平衡,zkSync 中的費用會隨着主網 Gas 費改變,但保證 zkSync 的使用費用始終比以太坊網絡低,ETH 轉賬低 20 倍以上,ERC20 代幣轉賬低 100 倍以上。未來 zkSync 還將推出自己的代幣用於治理和抵押,並上線手續費更低的平臺 zkPorter。

zkPorter 將和 zkSync 2.0 版本主網一同上線,zkPorter 中的數據將被轉移到鏈下,可以與 zkSync 賬戶無縫交互,其中賬戶的數據可得性將由守護者(Guardian)的 zkSync 代幣持有者保障。守護者需要抵押 zkSync 代幣並參與 PoS,如果數據不可得,他們將失去抵押的資金。

StarkWare

StarkWare 是基於 ZK Rollup 技術實現的擴容方案,目前的客戶有 DeversiFi、iMMUTABLE,dYdX。不同於 zkSync,StarkWare 使用的是 STARK 技術,一種簡潔全透明的零知識證明。Cairo 是 StarkWare 推出的圖靈完備使用 STARK 證明的平臺,以上的應用也是基於 Cairo 搭建的。除此之外,StarkWare 還推出了交易平臺 StarkEx。

StarkWare 還開發了一種名爲 Validium 的模式,在這種方案下,用戶將交易數據發給委員會成員,他們的數據會被儲存在鏈下,降低了 ZK Rollup 中的資金的安全性,但由此效率會有所提高,更適用於高頻的場景。

Polygon

Polygon 是 Matic 網絡的升級產品,與 Matic 成爲兩個不同的擴容解決方案。Matic 使用了 Plasma 框架,來保證側鏈的去中心化和安全性。Matic 在 Plasma 鏈中應用了基於賬戶的模型,不同於其他 Plasma 中的 UTXO 系統,這讓 Plasma Matic 適用於以太坊系統,支持 EVM。Plasma 側鏈使用 PoS 共識機制,質押 Matic 代幣可以成爲網絡中的驗證者。
Polygon 的獨立側鏈完全與以太坊適配,因此用戶和開發者的學習成本爲零,通過橋鏈接支持互操作性,側鏈中有獨立的驗證者保證安全。Polygon (Matic)目前上線了側鏈和 Plasma 兩個以太坊擴容方式, ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 產品在未來的規劃中。這是爲了實現不同用戶的擴容需求,例如企業級應用、初創公司和專注網絡安全的公司等。Aavegotchi、Easyfi、SportX、Aave 等應用使用了 Polygon 的架構。

HashKey 崔晨:解讀以太坊 Layer 2 競爭格局及趨勢圖 2:Polygon 中的固定鏈模式(左)和獨立鏈模式(右)

xDai Chain

xDai Chain 是 MakerDAO 基金會推出的以太坊兼容側鏈,以 xDAI 爲網絡交易的支付工具,xDAI 與 DAI 同比例兌換。由於兼容 EVM,以太坊中所有應用都可以直接遷移到側鏈上。目前 xDAI 的生態應用有很多,包括 1Hive,Honeyswap,Perpetual Protocol,Sushiswap,Unique.one 等等。

xDai 側鏈使用了權益證明機制 POSDAO 進行記賬和治理,採用了雙層代幣模型,除了 xDai 作爲支付代幣外,還發行了 STAKE 代幣作爲治理代幣。目前的驗證節點還是中心化的受信任的節點,未來會逐漸開放。在以太坊 2.0 節點,xDai Chain 將成爲一個分片或者 Rollup 加入到以太坊網路中。

其他類 Layer 2 項目

除了專注以太坊 Layer 2 領域的項目外,還有一些原本目標是高速可擴展的公鏈,但實際中與以太坊運行環境不斷靠近讓其逐漸有了 Layer 2 項目的影子,如 Harmony,Celer Network,BSC,Heco 等。跨鏈協議 Polkadot 上的項目也在探索與以太坊上應用的適配,例如 Acala EVM 成功部署了 Uniswap 合約並運行。

最典型的例子是 BSC 和 Heco,這兩者使用的虛擬機和以太坊相同,開發者可以直接將智能合約從以太坊上遷移過來。而且 BSC 和 Heco 在底層改變了公鏈的共識機制等參數,出塊速度更快並實現了更大的承載量,用戶可以在節約交易花費。如果其他公鏈在兼容性與以太坊相稱的話,就可以被視爲以太坊上的側鏈,也就是廣義上的 Layer 2。

Layer 2 的發展趨勢及問題

Layer 2 的發展預期

各種 Layer 2 方案層出不窮,我們在第一部分指出,Layer 2 的競爭力在於降低開發者難度以及提高用戶體驗,因此未來所有 Layer 2 還將朝着這兩個方向進行,例如 Optimistic Rollup 類產品改善欺詐證明和挑戰期的用戶體驗,ZK Rollup 對虛擬機和智能合約方面進行開發,讓其更適用於目前的 DeFi 應用。側鏈的實現雖然較爲容易,但要提高資金安全和去中心化方面的保證。

Layer 2 層面上,很難在降低手續費、可擴展性、去中心化、數據可得性這幾方面同時實現平衡。隨着 Layer 2 技術的不斷髮展,例如最新的 Rollup 技術,如果忽視挑戰期或智能合約造成的不便,已經在去中心化和數據可能性方面實現了進步。然而爲了追求更快的交易速度和降低手續費,比如 zkPorter 和 Validium 模式中,只能靠犧牲數據可得性來實現,不得不將數據轉移到鏈下儲存。不難理解,爲了達成更高的效率,只能儘可能少地使用鏈上資源,也就是交給運營節點更多的權力,所以需要更完善的機制設計避免節點作惡。未來 Layer 2 方案會在速度、費用、去中心化和數據可得性這幾方面進行取捨,針對不同的場景會出現不同的解決方案。

對於 Layer 2 的運營者或驗證者來說,進行相關工作需要經濟上的激勵。對於大多數 Layer 2 網絡來說,發行代幣也是未來趨勢,主要用於治理或激勵。但對於使用同一種技術的項目來說,例如 OE 和 Arbitrum,經濟激勵的設計也是他們的競爭力之一。就像 DeFi 生態中的競爭,如果 Layer 2 的對參與者的激勵更多,那就會因此吸引更多的運營者和驗證者來保證網絡安全。

Layer 2 只是以太坊上的工具,更重要還是運行在 Layer 2 上的應用。可以看出,與 Layer 2 項目合作最多的是需要高頻交易的 DEX。隨着 DEX 項目的升級,例如 Uniswap 的 V3 版本,在 Layer 2 上運行的需求就更強烈。未來 Layer 2 上的競爭也是 Layer 2 上應用之間的競爭,因此對於 Layer 2 來說爭奪應用更爲關鍵,尤其是需要高頻交易的應用。

Layer 2 方案面臨的問題

除了側鏈網絡,Rollup 技術的 Layer 2 解決方案的開發進度是低於預期的,因此難以判斷上線之後是否能真正符合預期,開發難度是目前 Layer 2 面臨的問題。Layer 2 之間的互操作性也是目前 Layer 2 方案面臨的問題,不同的 Layer 2 是由不同智能合約控制的,因此在相同 Layer 2 中應用進行交互才能降低手續費。如果同一應用部署在不同的 Layer 2 中,則會影響它的流動性。因此跨 Layer 2 解決方案也是目前的研究方向。

思考與總結

上文是對目前以太坊 Layer 2 中主流項目競爭格局和趨勢的分析,Layer 2 作爲連接以太坊底層和應用的中間層,也是以太坊主鏈上的擴容工具。最需要關注的就是爲應用開發者和用戶層面上的使用體驗,尤其是對應用的爭奪。由於在不同的 Layer 2 會影響應用的交互性,形成 Layer 2 層面上完整的生態是理想的狀態。

雖然各 Layer 2 方案都朝着提高可用性的方向發展,但最後不會出現統一的勝出者,這是因爲在不同場景中會出現不同需求。例如在高頻交易場景下人們會更對手續費更敏感,這就可以犧牲掉部分的數據可用性以經濟機制來防止作惡。但在其他更需要安全性的場景下,就可以使用完全數據可用的方案。

爲了維持 Layer 2 方案的可持續性,處理運營者和用戶之間的關係同樣重要。如果對運營者的激勵過少,那麼可能沒有足夠的運營者和驗證者維持網絡的去中心化和安全。如果對用戶收費過多,也可能造成用戶和應用的流失。尤其是大部分 Rollup 方案都採用了與主網不同的 Gas 費收取方式,是否能實現運營者收支平衡還需上線後再做評估。