WOO Network:深度探討 Layer2 擴容解決方案

WOO Network:深度探討 Layer2 擴容解決方案

目前,比特幣平均可以支援每秒 ~5 筆交易(TPS,Transactions Per Second),以太坊支援 ~10 TPS,而跨境支付網絡 VISA 則可以處理超過 1,700 TPS。用戶支付 gas 費用來使用區塊鏈工具,作為每個將新資訊記錄在鏈上的驗證者的報酬。因此,去中心化程度越高的網路將收取更高的 gas 費用,因為它們需要更多的驗證者。

另一方面,TPS 較高的網路在每筆交易上的 gas 費用則更低,因為 gas 費用會由眾多用戶分攤。如果我們希望保持去中心化,又兼顧低廉的 gas 費用,新的區塊鏈就必須支援更高的 TPS,讓全球用戶更容易使用,這就是 Layer 2 擴容方案(L2)的價值所在。

簡而言之,L2 類似傳統銀行中的批量處理交易的概念,讓其交易不會立即在 L1 上結算,以提高處理效率。除了速度之外,L2s 建立了一個去中心化的計算環境,包括不同的成本和安全性選項,應用程式即可從中選擇,以滿足創新的數據處理需求。舉例來說,以太坊上的去中心化自治組織(DAO)允許其成員在 L2 上投票以節省資金,同時在 L1 上處理大額交易,以充分利用其安全性和市場流動性。

比特幣上的 Lightning Network 是第一個區塊鏈擴容方案,構建於 2017 年。從此,開發人員開始提出越來越多的擴容方案,其中當然也包括了 Rollups — 當前以太坊的主要擴容方案,於 2020 年底和 2021 年初在鏈上部署。

本文包含三個部分。在第一部分,我們將回顧 L2 的底層技術;第二部分,則是了解如何探討這些技術。最後,我們將介紹過去 2 年 L2 項目的發展、採用率,以及 ETH 2.0 可能意味著什麼。我們認為,與 L1 相比,儘管 L2s 存在尚未開發的潛力,但顯而易見地仍未被充分利用。此外,L2 的安全性應該集中在實際執行上,而不僅是設計,包括中心化的運營商和升級私鑰。

1. Layer 2 解決方案

目前,以太坊有三種主流擴容的解決方式:狀態通道(State channels)、Rollup 以及 Plasma。

狀態通道(State channels)

結構

在擴容解決方案的世界裡,狀態通道是最早且結構最簡單的形式之一。狀態是指數據庫的內容,例如區塊中記錄的交易。在這種設計之下,例如新交易等狀態變化,都會被記錄在鏈下的「狀態通道」上,最終狀態則會被提交至鏈上。因此,狀態通道可以節省 gas 費用,因為它們將計算把不相關的中間狀態數據從 L1 上移出。


舉例來說,兩名玩家在區塊鏈上玩骰子,並下注一些資產。這就是他們如何利用狀態通道,在多場遊戲中節省資金的方法。

  1. 部分區塊鏈狀態被鎖定

相關的資產(=state)被鎖定在兩個玩家之間,因此他們必須在下一筆交易達成共識,才能交易這些資產。此外,智能合約需要有某種機制,以防止當對方離線一段較長時間,造成玩家的資產被凍結。

  1. 參與者在彼此之間更新狀態

兩名玩家玩骰子並簽署可提交到區塊鏈上的交易,他們只向彼此發送簽名的交易,延遲鏈上的結算。此時,可以透過一些機制,確保第三方在其中一名玩家離線時,仍然能夠執行交易。此外,鏈上機制必須允許後來簽署的交易可以否決先前的交易,如果玩家 A 起初贏錢但後來開始輸錢,他就無法提交中間交易來獲利。上述條件可透過哈希時間鎖定合約(HTLC,Hash Time-Locked Contract)來完成,提交的付款在結算之前會開放一段時間進行挑戰,以便玩家 B 用後續的交易提出挑戰。

  1. 參與者同意並將最終狀態提交到區塊鏈上

最後,遊戲結束時,兩名玩家會確認他們資產的最終狀態,並提交一筆交易到鏈上,關閉狀態通道並解鎖資產(=state,可能會與開始前分配的不同)。

上述每個步驟中涉及的所有規則,都可由鏈上智能合約強制執行。就像區塊鏈上的安全機制的一樣,重點在於如果機制被設計得夠安全穩定,那除非遇到非預期之外緊急狀況,否則不該被啟用。

優點和缺點

從上述介紹可以看到,狀態通道有著明顯的優缺點。基本上它可以無限擴展,並支援任何想實現按服務付款的 DApps 進行微支付。此外,因為可隨時提交交易,所以它提供即時的結算。參與者不需等待區塊確認,而是只受簽署和交換訊息的速度影響。最後,它還具備一定程度的隱私性。

另一方面,由於所有參與者必須同意一個鎖定的狀態並一起打開通道,因此狀態通道不支援開放外部參與。舉例來說,用戶無法向不在通道中的人發送資金;它們也無法支援任何沒有明確對象的活動,例如 Uniswap。此外,開啟通道需要鎖定大量資金,特別是如果在不清楚預期交易金額下的離線狀態進行複雜的活動,則會降低其資金效率。此外,它還需要活躍性,也就是參與者必須不斷檢查 L1,以確認是否有人提交了中間交易,無論是出自自己或第三方。通道還需要實時性,透過第三方監控的方式,來掌握 L1 並向 L1 提交交易。最後,由於有限制參與者和鎖定資產,它通常只會在結算前短暫開放。

使用案例

最受歡迎的項目是基於比特幣上的 Lightning Network,由 Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 在 2016 年撰寫白皮書,並於 2017 年 5 月在主網上完成第一筆交易。由 Elizabeth Stark 和 Olaoluwa Osuntokun 創立於 2016 年的 Lightning labs,則正在開發支援 Lightning Network 的軟體,使其更易於使用。

Lightning Network 的基本概念,是建立一個雙向支付管道的網路,即具有限功能的狀態通道整合,其中每個節點可連接到多個支付管道。由於節點本身可在不損失價值的情況下,將流動性從一側「推」到另一側或「跨通道」,因此可以跨節點或通道付款。這些路徑上的節點並不被信任,相反的,付款行為是透過具有時間鎖定的腳本來強制執行(無論付款成功或失敗)。儘管中間路徑不會因連接而損失其價值,但它們可能會因為流動性的轉移而變得較不靈活,並可能因此收取路由費。以下將透過簡單的 3 個節點和 2 個通道的交易來說明。

假設 A 想透過支付網路向 C 發送 4 BTC。A 與 C 沒有直接的聯繫,但它們都與 B 相連。A 可以向 B 發送 4 BTC,然後 B 透過另一個通道向 C 發送 4 BTC。交易完成後,B 的總持有量仍為 15 BTC,但現在它們的支付能力受到了限制。此時,它們可以選擇接受從 C 路徑端支付,或是在流動性耗盡時關閉並重新打開通道,而這需要花費資金,因此它們可能會為此交易收費。值得注意的是,在這種情況下,交易金額已經受到通道中最低流動性的限制,也就是 5 BTC。

根據 1ML 的數據,Lightning Network 目前有 4,652 BTC(佔總量的 0.02%)鎖在網路上,以及 17,820 個節點和 86,634 個通道。平均節點容量為 0.263 BTC,平均通道容量為 0.052 BTC(截至 09/03/22)。儘管網路中有許多節點,但如果從流動性分佈來看,它仍然是中心化網路。目前,最大的五個節點分別由 Bitfinex Node #1(552 BTC)、ACINQ(364 BTC)、Bitfinex Node #2(352 BTC)、River Financial(223 BTC)和 Kraken(198 BTC)來運行,它們共同掌控著 36% 的流動性。

Zabka 等人在 2022 年發表的一篇論文中,透過中介中心性來衡量 Lightning Network 的中心性,即節點的中心性基於穿過它的最短路徑數。研究人員觀察到,2019 年到 2021 年吉尼係數從 81.5% 增加到 91.9%,這顯示路徑可能確實集中在一小部分的節點上。另一方面,Lightning Network 的手續費非常低,目前中位手續費約為 1 聰(Satoshi,約 0.0002 美元),而中位費率為0.0027%。這對用戶來說可能是好事,但若是運營較小節點且流量較少的人,就可能無法獲得利潤,因為運營節點和開關通道的費用很高,這也是 Lightning Network 可能過於中心化的另一個原因。中心化不僅是一個問題,我們希望 L2s 能夠繼承 L1s 的去中心化特性,同時還能影響網路的效率,使其更不容易受到中心化節點故障的攻擊。若要解決這個問題,可能只能透過提升網路的可訪問性,並建立獎勵措施來實現。

從 Lightning Network 的採用情況來看,自從它上線以來,網路的使用一直在穩定成長。以比特幣而言,在 2019 年 2 月的總鎖倉價值(Total Volume Locked,TVL)增長了 800%,並於同年 3 月達到 1,000 BTC。在 2021 年第三季度,Lightning Network 容量再次增加 400%,更將 TVL 提高到近 4,000 BTC。除了在加密貨幣牛市期間吸引大量資本外,隨著 Chivo、Paxful、Cashapp 和許多其他錢包的採用,用戶數量也同步增加。這些應用程式使用戶能夠建立錢包,並與其他錢包進行互動,從而更容易地使用 Lightning Network。根據 Arcane Research 指出,它的用戶數在 2022 年 3 月超過了 8,000 萬,付款次數較前一年更是幾乎翻倍,美元價值增長 400% 以上。

Plasma

結構

與狀態通道類似,Plasma 透過讓用戶只需要監督相關狀態變化來擴展。Plasma 的基本概念是非託管側鏈。我們可以將側鏈視為一條獨立的區塊鏈,它的驗證需求更低、交易費用更便宜,且能夠與 L1 保持溝通。與擁有更多驗證者的區塊鏈相比,側鏈是成本和安全性之間的權衡。然而,側鏈是採「託管」模式,代表驗證者亦可集體決定進行欺詐,將用戶的資金轉移到他們在 L1 上的錢包。

回到 Plasma,它們在鏈下執行交易,同時定期在鏈上發布一些數據,以實現「非託管」狀態。根據 Joseph Poon 和 Vitalik Buterin 的原始 Plasma 白皮書,Plasma 形成樹狀結構,如下圖所示。

交易在子鏈(類比為側鏈)上計算,狀態被 Merkle 化提交到父鏈,並再次 Merkle 化並提交到它的父鏈,以此類推。子鏈提交的 Merkle 證明不能完全重建子鏈的狀態,但可以高效且安全地驗證交易。為了以符合經濟效益的方式確保安全性,父鏈不會檢查提交數據的有效性,而是用戶可以透過提供保證金的方式挑戰無效的狀態轉換,而競爭失敗的一方則將被消除。如果提交的區塊確實無效,則該區塊將被回滾,區塊創建者亦將受罰。遇到爭議時,可將樹狀結構視為「法院系統」,根鏈則是「最高法院」。這最大限度地提高了數據可用性,並將上傳欺詐證明的成本降至最低。

這裡的問題是,為了讓用戶質疑無效區塊,他們需要來自父鏈的數據,而驗證者可以透過隱瞞無效區塊,來規避這些數據。這時,便需要進行大規模退出——所有子鏈參與者必須在特定日期前退出。大規模退出可以保證 Plasma 的拜占庭容錯機制,不會對個人的資產造成除了重大時間延遲和停止鏈之外的影響;這也比將所有當前狀態數據投入 L1 上的爭議更具有經濟效益。

總而言之,Plasma 使用欺詐證明,來仲裁有關狀態轉換有效性的爭議,並懲罰不良行為,這是藉由 L1 數據的可用性來實現。當驗證者透過隱瞞數據進行欺詐時,用戶可以安全地將資金大規模退出後轉回 L1。然而,Plasma 的原始設計過於複雜、難以應用,因此後續也產生數個為不同目的設計的簡化版本,包括 Plasma MVPMore Viable PlasmaPlasma cash 等等

優點和缺點

與狀態通道相比,Plasma 的主要優勢在於,它目前支援開放參與,這代表用戶可將資產發送給先前從未參與過該系統的參與者。此外,它的資金需求也較低,並無法被不合作的參與者終止。

但是,透過為每筆交易提供一些數據可用性,Plasma 具有更大的 L1 佔用空間。欺詐證明機制需要等待時間才能得到最終性,並需監控任何提交無效塊的活躍性。此外,在大規模退出的情況下,用戶必須提供自己的數據來證明所有權,且在 L1 上釋放之前質疑期間,大量資金將被鎖定。此外,由於大規模退出邏輯實現存在細微差別,因此難以在 Plasma 上運行 EVM(Ethereum Virtual Machine)。


雖然 Plasma 曾被認為是區塊鏈擴容問題的解決方案,但它很快就被其他技術所取代。彼時構建 Plasma 擴展層的 OMG 網路,現在正在構建 Boba——一個使用 Optimistic Rollup 的 L2 網路;Optimistic Rollup 網路 Optimism 的前身正是 Plasma Group。截至目前,唯一廣泛使用的使用 Plasma 的項目是 Polygon。然而,Plasma 確實讓人們考慮區塊鏈上的「平行計算模型」,任何人皆可根據不同用途創建自訂 Plasma,且可使用 L1 作為基礎數據可用性層,來平行計算鏈上活動。

使用案例

Polygon 成立於 2017 年,其主網於 2019 年啟動。該團隊在今年二月剛完成一輪 4.5 億美元的融資,由 Sequoia Capital India 領投,估值達 20 億美元。目前其網路部署超過 37,000 個 DApps,代幣市值更已超過 100 億美元(截至 2023年3月20日,數據參考 CoinMarketCap)。

Polygon 採用三層架構:以太坊上的智能合約、用於主網共識的 PoS 層(Heimdall)以及區塊生成層(Bor)。Bor 將交易聚合成區塊,經 Heimdall 驗證後,會將 Bor 產生的區塊聚合成 Merkle Tree,並定期將 Merkle Root 發布到根鏈。鎖定 MATIC 的驗證者會透過運行 Heimdall 和 Bor 兩者參與網路。以太坊上的智能合約則提供最終性和驗證者管理。由於 Polygon 使用由 PoS 共識支持的 Plasma 側鏈,因此它可提供 PoS 安全性、Plasma 安全性(大規模退出保證,開發人員需自行編寫爭議條件設定)或混合安全性。

該網路是開放參與的,任何參與者都能透過質押 MATIC 代幣成為驗證者,但目前驗證者的數量上限為 100。從交易數據來看,Polygon 現已處理超過 20 億筆交易,平均交易速度為 23.6 TPS,中位數 gas 價格為 51.9 Gwei(< $0.01)。經歷去年的指數增長後,該網路目前託管超過 2.2 億個地址(截至 2023 年 2 月 19 日,數據參考 Polyscan)。

目前 WOOFi 已支援 Polygon。

Rollups

結構

與將數據和計算移到鏈下的狀態通道,或在鏈上提交 Merkle 證明的 Plasma 不同,Rollup 採用了將交易處理到 L1 以外,並將壓縮數據發佈到 L1 來實現擴容。由此一來,L2 狀態即可隨時被重建。交易在以太坊上作為調用數據寫入,以確保鏈上完整的數據可用性。但是,當 L2 Rollup 的驗證者在鏈上發布一個聲明(Assertion),將所有調用及其結果「匯總」到單筆 L1 交易中時,我們要如何知道該聲明是正確的呢?而這也將 Rollup 分為兩種類型 — Optimistic Rollups 和 zero-knowledge (ZK)-Rollups。

Optimistic Rollups

當聲明(Assertion)提交到 Optimistic Rollups 時,它沒有附帶確保其有效性的證據。相反,提交聲明的驗證者將質押保證金,並且開放特定期間,讓任何人皆可使用自己的保證金來提出質疑,類似於 Plasma 中的欺詐證明。如果聲明是錯誤的,驗證者將失去他們的保證金;如果質疑時間結束前沒有被挑戰成功,則該版聲明將被接受並成為最終聲明。

ZK Rollups

相反地,在 ZK-Rollup 中,驗證者必須為每個聲明(Assertion)生成一個零知識證明(ZKP,zero-knowledge proof),這個證明將由主鏈上的 Rollup 合約進行驗證。該 ZK 證明會確認一系列交易的存在,這些交易由擁有者簽名,以正確的方式更新帳戶資產,並從舊的 Merkle Root 導向新的 Merkle Root。因此,操作者無法提交無效或被篡改的狀態。

優點和缺點

有別於狀態通道和 Plasma,Rollup 提供更好的數據可用性,因此不會受到驗證者的審查,且擁有更高的安全性。此外,它也支援開放參與,並且可以與運行在 L1 上的任何應用完全兼容。不過,隨著完全的數據可用性增加,一些可擴展性就可能會被犧牲。

OP 相對 ZK 的主要優勢在於,它在廣義計算非常靈活。OP Rollup 上的虛擬機(VM,Virtual Machine)只需要支援欺詐證明的生成,而 ZK Rollup 上的 VM 將需要支援 ZKP 的生成。這對開發人員來說,遷移到 Optimistic L2s 更加容易。而在以太坊上,意味著開發人員可以像在 L1 上一樣,輕鬆地使用 Solidity 編寫代碼。ZK-EVMs 正在開發中,但目前仍無人能提供 EVM 兼容的應用。此外,目前 ZKP 在生成上需要相當大的計算量,這意味著它們將無法像 OP Rollups 高速處理多筆交易。根據 Vitalik 最近發布的文章,ZK-EVM 的性能和兼容性成反比,這也代表 ZK-EVM 與以太坊環境兼容度越高,效率就越低。這是因為 EVM 並不是以與 ZK 友好為目標所開發,導致許多操作難以進行 ZK 驗證。

相對而言,ZK-EVMs 則是更快、更高效的語言。但是,由於它們透過將程式碼編譯成明確建構為 ZK-prove-friendly 的語言,因此造成與某些應用的相容性較差的缺點,例如那些使用手寫的 EVM 字節碼(Bytecode)的應用程式。此外,許多基礎建設,例如來自 L1 的除錯或運行在節點上的執行客戶端軟體,無法與此類 ZK-EVM 共享。未來,量子計算可能會對由 ZKP 提供的安全性構成威脅,因為目前沒有計算設備的能力足以對其進行逆向工程。

ZK Rollups 的主要優點在於提供最高的安全性,因為它們提交給 L1 的狀態保證有效;而由於第三方聚合器的緣故,OP Rollups 的用戶仍然需要實時檢查相關交易,且隨著 TVL 的增加,網路更容易受到攻擊。由於不需要欺詐證明,與所有需要等待質疑期的擴容解決方案相比,L1 是最快達成最終性的。此外,它們在鏈上的佔用空間較小,因為儘管 OP Rollup 見證(證明交易各方同意的數位簽章)隨著交易數量線性縮放,但 ZK Rollups 用一個隨著交易數量呈多對數的證明,來替代所有見證。當欺詐證明太大、無法在單個交易中提交時,OP Rollups 就有可能會出現問題。最後,它們也提供了一些隱私保護的預設設定。

使用案例

Optimism 基金會於 2019 年建立了 Optimism Rollup,該網路於 2021 年上線。它的區塊生成由一個稱為「序列器」所管理,構建、執行 L2 區塊、批量處理並將用戶交易提交給 L1。用戶還可以直接向 L1 提交交易,以避免任何審查。該序列器目前由 Optimism 所運行,團隊打算透過執行一種經濟機制來創建一個競爭性的序列市場和一個管理機制,以防止序列器將短期利潤置於網路長期健康之上,從而實現序列器的去中心化。該團隊於 2022 年 5 月進行了治理代幣的空投,代幣市值為 8.33 億美元(截至 03/20/23,數據參考 CoinMarketCap )。

另一個 OP Rollup 項目 Arbitrum 由普林斯頓大學的一個電腦科學教授和兩個博士生共同創立的 off-chain Labs 在 2018 年所開發。Offchain Labs 推出了改良後的側鏈 Arbitrum Nova,針對交易量高、希望降低成本的項目(例如遊戲和社交項目)。而 Arbitrum One 則是在 2021 年 9 月上線的傳統 Rollup 鏈。對於這兩條鏈,控制交易順序的序列器目前仍然是中心化的,並由 Offchain Labs 管理。該團隊正在研究去中心化公平排序算法。不過,任何人都可以選擇使用驗證器,提出區塊或監視 L2 以確保正確行為。Arbitrum One 還具有更靈活的防欺詐結構,採用多輪互動證明,盡可能地在鏈下處理需要解決的爭議,團隊也聲稱這更加高效。

ZkSync 由 Matter Labs 於 2019 年創立,使用 ZK Rollup。ZkSync v1.0 於 2020 年 2 月上線,擴展了以太坊上的支付。使用 zkSync,交易透過 API 提交給中心化的 zkSync 運營商,該運營商將交易打包成區塊,並提交一個新狀態的根哈希、狀態增量(每筆交易所產生的狀態變化的少量數據)以及交易的加密證明。該團隊最近發布了 zkSync 2.0,其 ZK-EVM Alpha 測試網允許更廣泛的 ZK Rollup 擴展。目前,zkSync 的 ZK-EVM 被認為是 Vitalik 之前提到的「Type 4(高級語言等效)」ZK-EVM,它將代碼編譯成一些 ZK 友好的程式語言,具有最佳性能但最少的 EVM 兼容性。

Starkware 於 2018 年創立,是另一個使用 ZK Rollup 技術的項目。它為接入該項目的項目提供了一種更專業的方法,目前有 7 個客戶將 Starkex 集成到他們的 DApp 中並部署在以太坊上。由於 StarkEx 由專門為 ZK-STARKs 設計的圖靈完備編程語言 Cairo 驅動,因此用 Solidity 編寫的 DApps 無法直接部署。應用程式向中心化的 StarkEx 服務發送交易,該服務處理交易並生成證明,批量處理將其發送到 L1。StarkEx 還為用戶提供了數據的可用性選擇,使他們可以選擇將哪些數據存儲在鏈上或鏈下,平衡他們對安全性和成本的要求。在最近的一篇文章中,該團隊揭示了一種無許可的權益證明領導者選舉機制的去中心化策略,以及鏈上支付交易費用,這些都是用原生代幣所支援的。

2022 年出現的 Scroll 團隊已經與以太坊基金會的隱私和擴容探索小組一起構建 zkEVM 一年多,它使用等效 EVM 的 zkRollup 進行擴容,其架構由三部分組成:構建塊的 scroll 節點,生成證明的 roller 網路,以及提供數據可用性和驗證以完成交易的智能合約。該項目目前處於 Pre-Alpha 測試網,其 L2 上有約 50,000 筆交易。

最後,Polygon Zero 是 Polygon 透過今年收購 ZK-Rollups Hermez 和 Mir 開發的 EVM 解決方案。該團隊聲稱其新穎的證明技術 Plonky 2 是最快的 ZK 證明器。 Polygon Zero 還包括數據交易節點和證明生成器。此外,團隊提出了一種使用 MATIC 的獎勵結構。Polygon zkEVM 公共測試網將於 10 月宣布。

2. 評估 L2s

評估 L2 項目有許多不同的方法,這裡我們會討論在 L2 解決方案上惡名昭彰的可擴展性三難困境,以及一個更詳細的評估框架,用於查看項目。

2.1 可擴展性的三難困境

根據可擴展性三難困境,區塊鏈系統必須在可擴展性、安全性和去中心化之間權衡。讓我們再次回顧這些概念:可擴展性代表區塊鏈可以處理的交易數量;去中心化指參與區塊鏈狀態共識的參與者數量;安全性則指攻擊區塊鏈所需的工作,例如需佔領的節點數量。考量有限的資源,我們必須在這三者之間尋求平衡。例如,如果每個人都在運行某個區塊鏈節點,這是非常去中心化和安全的(無法被佔領),但由於每個人(或大多數人)都必須達成共識,因此可擴展性並不特別高,而且吞吐量會受到較慢節點的限制。如果我們透過要求更高品質的節點來增加可擴展性,代表能夠加入將更少,從而導致更集中的網路,使其更容易被佔領。

L2s 並沒有解決這些問題,因為可擴展性三難困境的根源是資源限制。然而,L2s 為開發者提供了更多三難困境領域上的選擇。L1 可以放在三難困境的底部,具有最低的可擴展性,但是有最高的安全性和去中心化。接著是 Rollups,這些 Rollups 的節點較少,去中心化程度較低,但由於交易是在鏈下進行處理,且壓縮了上傳數據,因此更具可擴展性。節點數量較少並不會影響 ZK Rollups 的安全性,因為每筆交易都有數學證明,但對 OP Rollups 則會造成影響。OP Rollups 比 ZK Rollups 更具可擴展性,因為每筆交易的計算 ZKP 需要時間。最後,還有狀態通道,它們的可擴展很高,但是在只需少數參與者的狀況下就容易被接管。而 Plasma 比狀態通道更安全,但是可擴展性較低,並且存在一些數據可用性問題。

請注意,在三難困境中,安全性純粹是指類似驗證者接管之類的攻擊,其成本隨著運行節點所使用的資源數量而增加。其他安全性考量稍後會討論,在評估一個項目時,安全性變得不那麼重要。

2.2 評估框架

該評估框架是改編自 Matter Labs 創始人 Alex Gluchowski 在 2020 年撰寫的一篇文章。我們嘗試將 L2 最近一年的新數據和看法添加到該表中,並從三個方面看待 L2 項目。

安全性

  • 活躍性:用戶是否需要透過自己或可信代表(監視器)來監視擴容方案的所有鏈上(即 L1)活動。對於任何使用欺詐證明而非有效性證明的項目,都需要活躍性。
  • 託管性:L2 的少數驗證者,是否可以透過阻止用戶長時間訪問資金來進行欺詐?他們是否可以奪取用戶的資產?只有側鏈是託管模式,因此 Plasma 和 Rollups 都試圖透過提供數據可用性來解決這個問題。

性能/可用性

  • 最大吞吐量:在此,我們使用現有項目的壓力測試數據。儘管理論上狀態通道可以支援無限 TPS,但在現實中,它受到節點訊息速度以及資源(限制狀態通道數量)的限制。對於 Lightning Network,我們可以透過 18,000 個節點 * 500TPS / 2.8 個節點/付款,粗略估算 = 300 萬 TPS。即使假設只有前 10 個節點被利用,因為並非所有節點都能處理所有交易,仍然大約有 1,800 TPS。對於實際目的,我們認為 Lightning Network 應該能夠承擔所需的所有 TPS(比 Visa 還多),因為還沒有在 Lightning Network 上進行壓力測試或者有一種強大的計算其限制的方法,因此我們將其標記為無限。對於側鏈,我們使用 Polygon 的數據:在 2020 年測試網上的壓力測試中,Polygon 達到了 7,200 TPS。對於 OP Rollups 和 Arbitrum 的基準測試顯示它們可以達到 4,500 TPS,而對於 ZK Rollups 和 zkSync 可以處理高達 2,000 TPS,最後 StarkEx 也在「The Great Reddit Scaling Bake-Off」中達到 3,000 TPS(請注意,這不代表通用 tx 縮放的情況)。
  • 交易成本:每筆交易的成本,這裡我們使用上面提到項目的實際數據。
  • 資本效率:L2 是否需要鎖定大量資金才能運營?狀態通道的資本效率最低。
  • 提領時間:提領到 L1 需要多長時間?由於 Plasma 和 OP Rollups 都需要防欺詐,因此任何確認都必須等待一個質疑期,通常是一週。
  • 主觀確定性:在協議的安全假設下,交易在區塊鏈上達成最終確認所需的時間,也就是在區塊鏈上不能再被更改或撤銷的狀態。

其他方面

  • EVM 代碼可移植性:項目是否可以將其用 Solidity 編寫的代碼直接部署到 L2 上?
  • 原生隱私選項:在預設情況下,項目是否會保護其用戶的隱私?狀態通道提供隱私,因為所有中間交易都是在離線時完成,不需要任何第三方知道這些資訊。因此,該項目因為未能保有適當的交易記錄而受到批評。另一方面,ZK Rollups 透過使用零知識證明技術(ZKP)來提供記錄和隱私,從而保證安全性。

這些分類並不是用來衡量項目的好壞,而更像一份清單,盤點在識別不同類型項目時的注意事項。例如,如果在檢視 OP Rollup 項目時,我們應該特別注重他們的獎勵結構 / 基礎建設如何設計,使各方能夠掌握他們相關資產和向 L1 提供流動性的項目,以利更迅速的提領。

正如先前所述,許多 L2s 仍然使用集中式運營來執行單一或多個過程,例如將 Rolled-up 交易提交到 L1。此外,許多項目包含升級私鑰,這些私鑰通常由多方簽名委員會持有,以便快速解決智能合約中的錯誤。用戶和開發人員應該意識到這些問題,並密切關注它們朝著去中心化的進展。此外,被大多數被利用的 L2s 漏洞,與該 L2 的特定設計或其屬於 L2 項目並無關係。例如:Polygon 被盜取資金,是因為在轉移功能中缺乏餘額 / 授權檢查;而 Optimism 代幣空投,則是在與第三方做市商 Wintermute 合作時,遭受駭客攻擊。在評估項目時,結構本身很重要,但關注每個網路更新、每個活動的安全性更加重要。

3. L2 的現況

上表比較了 TVL(總鎖定價值,Total Volume Locked)、TPS(每秒交易數)和交易費用(截至 2023 年 2 月 18 日),以及我們在前面內容提到的六個項目的估值和融資狀況。我們可以看到,Lightning Network 和 Polygon 的交易費用最低,而 Polygon 處理了最多的交易,TPS 也最高。這符合我們之前對它們底層技術的分析。然而,Aribitrum 的 TVL 最高,StarkEx 的估值最高,這說明了投資者對 Rollups 的未來有著很高的期望。

透過將以上形式中的平均 TPS 與最高可達 TPS 進行比較,我們可以看出 L2s 有著更大潛力,可以承載更多在以太坊主網上的 DApp。更精確地來說,Rollups 的利用率非常低。為了證明這點,我們將 L2s 與以太坊進行比較。在 2022 年,以太坊每天約有 120 萬筆交易。Polygon 平均每天約處理 300 萬筆交易,而 Optimism 每天約處理 10 萬筆交易(其他 Rollup 的數據類似),不到以太坊的 10%。此外,以太坊現在擁有超過 2 億個地址,其中約有 50 萬個是活躍的。而 Polygon 有 1.7 億個地址,其中每天約有 30 萬個在活躍。但是 Optimism 總用戶數為 150 萬人,不到以太坊的 1%。

隨著 Eth2.0 的 Rollup 為中心的路線圖推出,大家正努力將用戶活動擴展到 L2,同時將 L1 主網作為一個安全的分佈式結算層進行優化,以幫助使 Rollup 交易成本降低。例如 EIP-4844(Proto-Danksharding)降低了 Rollups 的數據可用性成本。Eth2.0 應該有助於 Rollups 的發展,使它更加易於使用,並吸引更多用戶到 L2 上。

4. 結論

在這篇文章中,我們回顧了狀態通道、Plasma 和 Rollup 的技術設計,以及使用這

些技術的六個主流項目的結構。我們研究並了解如何評估這些項目,並強調在部署新項目時經常出現的故障點,以及任何未來升級中的漏洞。最後,我們研究了這些協議的現況,認為它們被低估了,更期待未來 Eth2.0 將支援 L2,尤其是 Rollup,終有一天能發揮它全部的潛力。

參考自 :

State Channels. https://statechannels.org/

Jeff Coleman. State Channels. https://www.jeffcoleman.ca/state-channels/

Joseph Poon, Vitalik Buterin. Plasma: Scalable Autonomous Smart Contracts. https://www.plasma.io/plasma.pdf

Collin Cusce. Ethereum Plasma — Part 2: How It Works. https://collincusce.medium.com/why-business-needs-ethereum-plasma-now-how-it-works-key-components-pt-2-37a82737cd54

Vitalik Buterin. An Incomplete Guide to Rollups. https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

Polygon whitepaper. https://github.com/maticnetwork/whitepaper/

Polygon docs. https://wiki.polygon.technology/docs/home/new-to-polygon/

L2Beat. https://l2beat.com/scaling/tvl/

Episode 151: John Adler on Optimistic vs ZK Rollup and the data availability problem https://zeroknowledge.fm/151-2/

Arbitrum docs. https://developer.offchainlabs.com/

ZkSync docs. https://docs.zksync.io/dev/

StarkEx docs. https://docs.starkware.co/starkex/index.html

Validity Proofs vs. Fraud Proofs Strike Back. StarkWare. https://medium.com/starkware/validity-proofs-vs-fraud-proofs-strike-back-4d0bf90eed15

Why sharding is great: demystifying the technical properties. https://vitalik.ca/general/2021/04/07/sharding.html

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