以太坊擴容迫在眉捷，Layer2 能否力挽狂瀾？

作者：Mika Honkasal

翻譯：lily 

摘 要

• Ethereum的可擴展性有限，交易費用正在不斷上漲。用戶經常要為與許多常用的智能合約支付約50美元。
• 增加區塊鏈的交易吞吐量是一件具有挑戰性的任務，因為交易必須由參與共識的每個節點處理。
• 最有希望的Layer 2擴展解決方案是ZK Rollup和Optimistic Rollup，它們是為了解決之前Plasma實現的弱點而開發的

用Layer 2技術擴展區塊鏈

 區塊鏈犧牲了計算和存儲的效率以獲得更好的信任。用戶可以相信他們所做的交易在未來是有效的，而開發者可以相信他們的代碼總是可以供用戶使用的。

這是因為區塊鏈上的數據具有極高的冗餘度。交易必須由每一個參與維護區塊鏈的節點來處理，而且不斷擴大的交易數據集必須永遠存儲。在這個過程中保持較低的進入門檻，可以使區塊鏈保持去中心化。

如今，最常用的區塊鏈是比特幣和以太坊。每一個區塊每秒大概可以分別處理5筆和15筆交易。在以太坊中，交易不僅僅是點對點的支付，還有更複雜的智能合約交互，需要比普通交易更多的處理能力。

根據節點實現的不同，以太坊區塊鏈規模為160GB，近期去中心化金融產品的需求加速了增長。昨天，用戶支付了370萬美元的交易費用和450萬美元的通脹補貼來處理和存儲他們的交易。Gas Price上漲導致許多最常用的智能合約交互費用在5-50美元之間，用戶需要支付基本的交互費用。對於比特幣來說，每筆交易的平均費用接近5美元。

如何擴展區塊鏈

 有效的區塊鏈擴展解決方案可以增加數據存儲或計算（交易處理）能力，而不會給維護區塊鏈的節點增加大量成本。

請注意，要想在擴展方面取得進展，需要能夠實現指數級改進的解決方案。以最大的容量運行時，以太坊處理的交易數量微乎其微，相比之下，它上面的活動才能被稱為真正的、可觀的經濟活動。

2015年關於改變比特幣區塊大小的備受矚目的辯論是一個很好的例子，它說明了在宏偉的計劃中，精力被浪費在一個相對微不足道的改進上。2-8倍的改進可能對緩解短期壓力很有用，但它也給所有節點帶來了未來更高的交易處理成本。這就限制了可以參與共識的人群，從而降低了去中心化程度。

在底層擴展區塊鏈的主要解決方案不應該是（大幅）增加所有節點的成本，而是將交易驗證工作分割成更小的碎片（"shards"）。分片是許多頂級區塊鏈項目擴展的方式--包括NEAR、Ethereum 2.0和Polkadot。通過從區塊鏈的全局驗證器池中隨機抽樣和輪換每個碎片的驗證器，可以證明由此產生的安全性與使用整個驗證器池（當前的方法）接近。

"Layer 2 "擴展解決方案的常見定義一般是指任何連接到以太坊的系統，它通過將交易（通過一種或另一種方法）批量化到主區塊鏈，幫助提高交易處理能力。

然而，隨著互操作性解決方案變得越來越普遍，什麼是側鏈（或完全是另一個區塊鏈）和Layer 2技術，更好的分類取決於底層安全模型。側鏈可以是特定於應用的（如去中心化的交換鏈），也可以是通用的，並對自己的安全性負責。Layer 2的安全性來自於底層區塊鏈（如Ethereum）。

Layer 1區塊鏈如NEAR和Solana有自己的驗證人，負責區塊生產，但已經建立了與以太坊的橋樑，將允許在鏈之間進行代幣轉移。tBTC有效地使比特幣成為以太坊的側鏈（或以太坊成為比特幣的側鏈，取決於你的角度）。

從比特幣的角度來看，以太坊的驗證人可以竊取用戶的資金。這意味著如果以太坊是比特幣的側鏈，那麼兩者沒有共享的安全性，因為比特幣無法對以太坊執行其規則。這就是為什麼Liquid不能被認為是比特幣的完全安全的側鏈--它有自己的驗證人，可以竊取用戶的資金。

這些模式一般有兩種不同的類型：狀態通道和非託管側鏈（Plasma和Rollup）。對於這些方法，一般模式大約是：

1. 資產可以從鏈上移動到鏈下環境（如ETH到Plasma鏈）。
2. 交易在鏈外環境中進行。
3. 鏈外發生的快照會提交給底層區塊鏈（如以太坊）。
4. 通過在經濟上激勵參與者（節點和用戶）提交正確的數據--或者通過向底層區塊鏈提供完整（零知識）證明--來保證安全性。

 狀態通道

 狀態通道是支付通道的一般形式，這也是比特幣的閃電網路所建立的技術。

彼此之間要開通一個狀態通道，用戶將區塊鏈的部分狀態（比如他們的ETH）鎖定在一個智能合約中。在通道中，用戶可以通過簽署按順序排列的交易來更新彼此的狀態（如交易）。如果發生糾紛或要退出通道，用戶將最新更新的狀態（如賬戶餘額）發送給底層區塊鏈，最新更新的狀態就是真相。狀態通道可以很好地保護隱私，因為交易對底層區塊鏈是隱藏的，只登記用戶的進入和退出。

從概念上看，狀態通道很簡單，但其設計有一些固有的局限性。

狀態通道需要用戶（或一些值得信賴的第三方）保持在線監控通道，以防其他用戶試圖用舊信息退出。它們也不太容易通用於輕鬆構建智能合約，因為對於開發者來說，與這些渠道進行交互比僅僅部署現有的智能合約代碼更加複雜。

此外，狀態通道的資本使用效率低下，因為它們需要高額的抵押品。

從Plasma到Rollup

 長期來看，可能更重要的一類Layer 2擴展解決方案是非託管側鏈。這是因為它們有可能在上面運行去中心化的金融和其他Web3應用。

非託管側鏈的關鍵在於，用戶可以上鏈和下鏈，其性能容量比L1區塊鏈高得多，而不必信任側鏈的操作者，即擁有與在以太坊主鏈上交易時相同的安全保障。

最初有希望的非託管側鏈設計是Plasma，幾年前它被炒作成擴展區塊鏈的銀彈。以安全和用戶友好的方式實現Plasma的複雜性導致這種模式失寵。

Plasma建立在一個簡單的前提下。如果Plasma鏈上的驗證者試圖向底層區塊鏈提供關於狀態轉換的錯誤信息，即通過提供不正確的餘額帶著用戶資金退出鏈，用戶可以挑戰這些信息，並構建自己的證明，證明Plasma鏈上發生了什麼交易。

在實踐中，Plasma遇到了一系列需要解決的併發症。比如：

• 數據不可用 一種攻擊，Plasma鏈的驗證者可以向底層鏈發布數據，但將交易數據留給自己。這樣一來，用戶就沒有必要的數據來挑戰驗證者提供的信息。
• 在線要求。要求每個用戶必須保持在線，並在惡意Plasma鏈驗證者退出的情況下監控所有交易。
• 大規模退出問題。如果所有用戶都需要退出Plasma鏈，那麼整個Plasma鏈的狀態就必須發布到底層區塊鏈上，對於以太坊來說，這樣的證明規模實際上是不可能處理的。

雖然Plasma現金等新的迭代為現有問題提供了解決方案，但確保用戶資金安全退出的新問題不斷出現。2018年12月，化名BarryWhiteHat以零知識證明的形式提供了這個問題的解決方案。在ZK Rollups中，側鏈的驗證者（"中繼者"）收集--或卷展--許多交易，以生成一個簡潔的zk證明，證明所有進行的交易都是有效的。然後將證明發布在Ethereum鏈上。

這種方法完全避免了用戶能夠安全退出Plasma鏈的複雜性。但是，這種方法也有兩個普遍的缺點：

• 在Ethereum鏈上發布的zk-proof的規模很大--這意味著與Plasma相比，zk-Rollups犧牲了最大的交易吞吐量。
• 以一般的方式構建簡潔的zk-proof來執行智能合約是很困難的。目前，ZK Rollups更多的局限於代幣轉讓等特定操作--雖然，去中心化交易所Loopring已經在主網上線，並建立在ZK-Rollups上。

Optimistic Rollups類似於Plasma，但區別在於所有的交易數據必須在鏈上提供--向底層區塊鏈提供比Plasma更多的交易數據，並允許任何人構建交易有效性證明。具體來說，必須將足夠多的數據發布到以太坊鏈上，以重建整個Optimistic Rollups側鏈的狀態。雖然這種方法犧牲了交易處理的另一個指數（對於智能合約），因為必須在鏈上發布更多的數據，但與ZK Rollups相比，Optimism的方法允許實現智能合約的靈活性和與Ethereum虛擬機的兼容性。

作為一個缺點，Optimistic Rollups需要1-2周（取決於實施情況）的爭議期，以確保用戶有足夠的時間來爭議無效的狀態轉換。加快退出過程的解決方案是建立一個退出市場，用戶可以卸載所持側鏈的風險。

雖然從底層區塊鏈中獲取安全性聽起來是最安全的選擇，但有一種觀點認為，應用程序負責自己的安全，只使用 "Layer 1"區塊鏈作為在特定應用程序鏈之間傳輸消息的方式，是一種模式。

這就是Cosmos設計背後的理念。這個理念是，應用與基礎層相比，可能會因為太有價值而成為基礎層安全的寄生蟲。應用程序（穩定幣、預測市場等）支付的費用不一定會隨著它們所促進的價值轉移而擴展，這些應用程序可能會變得比底層區塊鏈更有價值，導致例如以太坊成為應用程序的安全弱點。

這確實在用戶體驗方面帶來了額外的障礙。在一個側鏈的生態系統中，用戶必須獨立地信任他們與之交互的每個側鏈（及其運營商）的安全性。

在實踐中會起作用（以及效果如何？）

 狀態通道最有可能在處理某些應用的交易中發揮作用。例如，Graph Protocol正計劃為資料庫索引服務實現狀態通道支付--而且狀態通道足夠靈活，也可以為條件支付編碼簡單的規則。

在特定應用鏈中，SKALE計劃在年底前推出，並將帶來與Ethereum互通的特定應用鏈。此外，通往NEAR協議和Solana的橋樑有望為整個生態系統帶來更多的可擴展性--儘管兩者都可以被視為以太坊的競爭對手。

在這些情況下，應用程序可以將其功能擴展到以太坊之外，可能會減少生態系統對單一鏈的依賴。例如，Flux Market--NEAR上的預測市場協議，將在MakerDAO的去中心化穩定幣DAI中提供投注市場。

ZK Rollups和Optimistic Rollups都是將應用拴在以太坊生態系統上的解決方案，因為它們建立在上面並依靠以太坊提供安全保障。例如，去中心化交易所Loopring建立在ZK Rollups上，7月份處理了1760萬美元的交易量（0.4%的市場份額）。

開發Optimistic Rollups最知名的團隊是Optimism之前是Plasma Group，顧名思義，它在之前從事Plasma的實現工作。2020年1月，該團隊從Paradigm和IDEO籌集了350萬美元的風險資金。Optimistic Rollups已經在Ethereum testnet上用Unipig進行了演示，Unipig是Uniswap的一個版本，用於相互交易 "UNI''和 "PIG "代幣。

對於這些解決方案中的每一個，仍然存在的大問題集中在可組合性上。在Ethereum上，智能合約能夠相互同步調用。這種可組合性的缺乏改變了終端用戶的體驗，因為從Rollup鏈上跳上跳下會引入存款與提款的摩擦。

這與當今Web3用戶體驗最好的部分之一形成鮮明對比，用戶可以通過單一的Metamask點擊與所有應用進行交互。

如果應用程序將自己部署到自己的側鏈中，即使是在較差的可擴展性方面，Optimistic Rollups仍然提供了10-30倍的交易處理能力，這應該給以太坊足夠的空間。Ethereum 2.0有助於這些可擴展性解決方案，因為它為數據的發布提供了更多的空間。

Ethereum 2.0將分三個階段推出，其中最後一個階段將啟用智能合約。然而，已經在第二階段之後，使用以太坊作為數據層，可以將交易處理能力提高到每秒5萬筆交易。

目前需求大於供給，什麼樣的方案才能滿足最直接的交易處理需求值得期待。在某種程度上，上述所有技術（包括理論上限最高的Plasma）都有可能在未來某個環節發揮作用，並且在不斷改進。Connext最近推出了Spacefold，它將實現跨不同L2的狀態通道延伸和橋接。

目前，其它區塊鏈有機會吸引以太坊上的服務進入更可擴展的環境。然而，幾乎所有的Layer 2開發都發生在以太坊上，如果這些解決方案找到了產品與市場的契合點，那麼其它競爭者能夠提供的功能就會變得很單薄。