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欧博手机版:主流Layer 2扩容方案清点

admin2021-06-2315

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导读

公链的扩容问题已经困扰区块链行业多年,尤其在 DeFi、NFT 等加密衍生市场的扩张之下,生态最为完整的以太坊拥堵愈发严重,高费低效的网络逐渐成为拖累行业生长的最大桎梏。

区块链的扩容主要分为 Layer 1 和 Layer 2 两个偏向。Layer 1 偏向是指改善公链自己以提升性能,即链上扩容,包罗增添区块巨细(例如比特币现金)、分片(例如以太坊 2.0)等;Layer 2 偏向是指纰谬主链(Layer 1)举行任何改善,而是构建一个链下的二层(即 Layer 2),在二层处置部门生意以分管主链的压力,只在需要时和主链举行交互,即链下扩容。

早年间 Layer 1 扩容更受市场关注,泛起过许多主打增添区块巨细的比特币分叉项目,以及各种号称「以太坊杀手」的高 TPS 公链项目,以太坊自己也会在 2.0 版本实现分片扩容。但随着 DeFi 的繁荣,人们逐渐意识到仅凭 Layer 1 扩容已经无法知足需求(除非牺牲 *** 化水平),Layer 2 扩容可能才是当下形势下的最优解。

本文将重点探讨三种 Layer 2 方案,划分为最早期的状态通道方案、现在走向祛除的 Pla *** a 方案以及风头正劲的 Rollup 方案(包罗 zkRollup、Optimistic Rollup 及 Arbitrum 方案)

方案1:状态通道

状态通道的原理是开拓一个链下的「通道」,用户可以通过在智能合约中锁定资产的方式,来将链上资产「转移」至通道中,并在通道中举行资产交互。在通道内举行资产交互操作不会占用主链的资源,且无需花费昂贵的生意用度,可以适用于一些高频小额支付场景。用户在脱离通道时举行结算,资产将转回主链。

以现实的应用场景为例,例如用户 A 为用户 B 提供某项服务,需要用户 B 每隔 1 小时向用户 A 支付一次小额的服务费。若是这发生在主链(Layer1)上,则需要占用大量的主链盘算资源,且需要频仍支付昂贵的手续费。若是使用状态通道,用户 B 可以锁定部门资金进入通道,在通道内向用户 A 举行支付,每次支付都市使两者的账户状态更新。当服务期竣事后,用户 B 可以取回剩余的资金返回至主链,用户 A 也可以将在通道内收到的服务费返回至主链。

状态通道的解决方案也可以为一些 DApp 提供辅助,例如区块链游戏。若是用户 A 和用户 B 举行游戏对战,该游戏由智能合约控制,双方可以锁定一些资金并开启通道,在链下通道举行游戏,游戏竣事后通道关闭,获胜方获得资金奖励。

上文的例子中仅有两个介入方,这类应用场景异常有限,而具备多个介入方的状态通道「网络」才是其完全形态,这要行使通道的「可组合性」,例如用户 A 和用户 B 之间有一个通道,用户 B 和用户 C 之间也有一个通道,那么 A 和 C 就可以通过 B 实现交互。

状态通道是最早的扩容方案之一,现在存在着两点对照显著的限制。首先,状态通道的使用局限仅限于加入通道的用户,无法向通道外的用户发送资金;其次,状态通道内的资产在逻辑层面必须要有「所有者」,Uniswap 智能合约等没有明确所有者的工具无法使用状态通道,这就导致其应用场景大大受限,只能在一些有限的支付场景使用。

相关项目:闪电网络

状态通道最着名的应用即是比特币的「闪电网络」。闪电网络是为了缓解比特币生意拥堵、实现小额快速支付的手艺。近期,萨尔瓦多宣布成为首个将比特币作为法定钱币的国家,该国曾与加密钱币钱包 Strike 确立互助同伴关系,Strike 就是使用闪电网络举行支付结算。

方案2:Pla *** a

Pla *** a 可以明白为一个侧链框架,加密领域以往泛起过许多侧链解决方案,侧链的焦点难点在于双向锚定(2WP)的平安实行。其中前向锚定(从主链转移资产至侧链)是对照简朴的,通用方案是用户将资产锁定在主链上,然后在侧链天生对应的资产。难点在于后向锚定(从侧链提取资产至主链),由于侧链无法到达主链的平安性,以是存在侧链被攻击/侧链运营商监守自盗导致资金无法提取/资金被他人恶意提取的可能性。Pla *** a 为领会决该问题,引入了「挑战期」的设定。

详细而言,用户将资产从主链转移至 Pla *** a 链(基于 Pla *** a 方案构建的侧链)时,需要将主链资产发送至治理 Pla *** a 链的智能合约,该资产即可进入 Pla *** a 链中举行交互。每隔一段时间,Pla *** a 链的操作者(或称作验证者、运营商或节点,即 Pla *** a 链上的维护者)就会对该时间段内 Pla *** a 链的生意举行一次「批处置」并天生 Merkle 树,相当于天生一个区块。操作者会将 Merkle 树的 Merkle 根宣布到主链上,另外还会将该 Merkle 树中涉及某项资发生意的 Merkle 分支发送给该资产当前的所有者。

当用户申请将资产从 Pla *** a 链提取到主链时,则需要向主链的智能合约提交该资产最近一次生意对应的 Merkle 分支,用来证实资产提取操作的正当性,智能合约会提议一个挑战期(例如 7 天)。在挑战期内,任何人都可以使用其他的 Merkle 分支来验证和质疑该项提取操作的正当性,若是挑战期内有人能证实此为诓骗生意(例如用户在提取资产时并不拥有该资产),那么用户将提取失败,否则会提取乐成。

如下图所示,例如用户 A 在主链上拥有资产 X,并将其转入了智能合约,在 Pla *** a 链上获得对应资产 P(X)。后续用户 A 在 Pla *** a 链上把资产 P(X) 转给了用户 B,这笔生意被纪录在区块 1 Merkle 树的生意 4 位置。Pla *** a 链的操作者在打包区块 1 时,会将 Merkle 根宣布到主链,并将生意 4 对应的 Merkle 分支发送给资产 P(X) 当前的所有者用户 B。用户 B 此时申请提取该资产到主链,则需要向主链智能合约提交生意 4 的 Merkle 分支,智能合约提议挑战期,若是挑战期内无人证实该项操作存在诓骗,则用户 B 乐成提取资产。

上文为 Pla *** a 方案的大致运作方式,在其演变历程中,衍生出了多种改良版的方案,例如 Pla *** a MVP、Pla *** a Cash、More VP 等。这些方案都继续了 Pla *** a 的高平安性,但也配合存在着一些问题:

相关项目:Polygon(Matic)

Polygon 原名 Matic,是一个运行在 EVM 上的基于状态的侧链,接纳 Pla *** a 解决方案和 PoS 共识机制。Polygon 对 Pla *** a 举行了改善,改善主要包罗将 UTXO 模子转变为账户余额模子、接纳双重 PoS 机制、兼容 EVM 等,使其不仅可以做到和状态通道类似的、资产具备明确所有者的支付类用途,还可以支持运行各种基于智能合约的 DApp。

Polygon 兼容以太坊 EVM,有完善的开发工具,以太坊上的开发者可以轻松移植应用至 Polygon 生态,现在包罗 Aave、Sushiswap、Curve、1inch 等在内的多个以太坊 DeFi 应用已经移植到 Polygon 的 Pla *** a-PoS 链中。

现在 Polygon 主要为以太坊主链提供扩展,未来会支持更多主链。Polygon 的愿景是成为「Layer 2 聚合器」,除 Pla *** a 方案外,未来还将同时兼容 Optimistic Rollup、zkRollup、Validium 等方案。

方案3:Rollup

由于 Pla *** a 方案存在无法解决的数据可用性等问题,以是逐渐走向祛除,而更具优越性的 Rollup 方案最先成为当前最受关注、最具落地价值的 Layer 2 方案。

Rollup 的逻辑与 Pla *** a 方案类似,两者最大的区别如下。

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Pla *** a 本质上是将盘算和数据都转移到链下(自己的 Layer 2 网络中)只将链下的生意数据举行处置后的效果(Merkle 根)宣布到主链,用户无法通过 Merkle 根领会到每一笔生意的信息,若是 Pla *** a 链操作者拒绝将底层的生意数据发给用户,那么就存在数据不能用的问题。

Rollup 方案的焦点在于,将链下大量的生意举行打包压缩(批处置),然后将压缩的数据宣布到主链,宣布到主链的压缩数据中包罗了每笔生意的基本信息,这就保证了数据的可用性(可验证性),进而可以实现对操作者的免信托。

下文详细论述 Rollup 方案的运行方式。

首先,在主链上存在 Rollup 智能合约,内里存有状态根,即表征 Rollup 状态的 Merkle 根,Rollup 状态包罗 Rollup 中的账户余额、合约代码等。

操作者在网络到大量链下生意数据后,会在主链上向 Rollup 智能合约提议批处置操作(可以明白为天生一个 Rollup 区块),内里包罗打包压缩的生意数据,以及旧的状态根(执行批处置前的状态根)和新的状态根(执行批处置后的状态根),智能合约会磨练新旧状态根是否匹配(即新的状态根是否可以由这批生意触发状态转换天生),若是磨练通过,旧状态根会更新为新状态根。

批处置中的生意的输入方或输出方可以是来自 Rollup 外部的,这就可以实现用户在 Rollup 中的资金存取。例如用户从以太坊主链转移资产到 Rollup 合约,那么这笔生意就是从 Rollup 外部的以太坊主链输入资产至 Rollup 内部,同理,若是是从 Rollup 内提取资产返回以太坊主链,就是从 Rollup 内部输出资产至 Rollup 外部。

Rollup 方案中有一个焦点的平安问题:若何保证批处置执行后的新的状态根是准确的?即若何提防操作者伪造生意或状态根、确保状态转换的有用性。针对该问题,泛起了两种 Rollup 方案,划分是基于「有用性证实」的 zkRollup 和基于「诓骗证实」的 Optimistic Rollup。

    zkRollup 接纳 zk-SNARK(零知识精练无交互证实)手艺。零知识证实是指证实者(操作者)能够在不向验证者提供任何有用的信息的情形下,使验证者信托某个论断是准确的。在 zkRollup 方案中,操作者在提议批处置时,除了提交压缩的生意数据和新旧状态根外,还需要提交 zk-SNARK 有用性证实,主链上的 Rollup 智能合约会据此磨练状态根转换是否有用,这一历程相当于让操作者「自证清白」。

    zkRollup 方案通过零知识证实消除了状态转换历程中的有用性疑虑,本质上是通过密码学组件的加持来取代可信方(即取代对于操作者的信托),可以实现无交互、免信托的高平安性,也加倍相符加密天下的基本理念,而且能够免去类似于 Pla *** a 的挑战期设定,出资产提取申请后,下次批处置即可到账。zkRollup 的瑕玷在于,零知识证实天生历程庞大、盘算成本高、花费时间长,以是对通用型的智能合约(例如 DeFi 应用)支持不友好,当前更适用于通俗转账生意等应用场景。

    相关项目:zkSync

    zkSync 并非单一的 zkRollup 架构,而是接纳 zkRollup + zkPorter 架构(zkSync 2.0 版本),可以支持更高的吞吐量,并构建了 zkEVM,zkEVM 支持 Solidity 智能合约,与以太坊 EVM 兼容,开发者可以在 zkEVM 上构建应用,或迁徙以太坊主链上的应用至 zkSync 2.0。现在 zkSync 2.0 已经上线测试网。

    详细而言,zkSync 2.0 的 Merkle 树架构如下图所示,分为 zkRollup 和 zkPorter 两个分支,两者有各自的 Merkle 根,并在各自的叶子节点上发生了两种账户:zkRollup 账户和 zkPorter 账户。用户在 zkSync 2.0 可以享受 zkRollup 和 zkPorter 账户的夹杂体验,能够自由选择账户类型,且两者是完全可互操作的。

    zkRollup 和 zkPorter 的区别在于数据可用性的实现方式上。

    依据上文对 zkRollup 原理的形貌,zkSync 2.0 的 zkRollup 为了保证数据可用性,会将所有链下的生意数据举行压缩并宣布到以太坊主链。这样的优点是可以到达和主链相同的平安性,但瑕玷在于,以太坊主链的区块巨细是有上限的,纵然是通过压缩,其吞吐量也可能无法知足未来的需求。

    zkPorter 相当于分外确立了一个渠道为链下生意提供数据可用性。zkPorter 账户的生意数据会宣布到 zkPorter,zkPorter 由 zkSync 代币持有者通过权益证实(质押代币)来保障平安性。这样的优点在于能够实现更高的吞吐量,但无法到达 zkRollup 的媲美主链的平安性。

    • 方案 3.2 · Optimistic Rollup

    Optimistic 的字面寄义是「乐观」,Optimistic Rollup 和 zkRollup 在理念上的区别也在于此。

    zkRollup 的理念凸显「消极」,默认所有的操作者都市作恶,于是要求每个操作者在提议批处置时都要同时提交有用性证实,以让智能合约验证其操作是有用的。

    Optimistic Rollup 的理念偏向「乐观」,其假设所有操作者提交的批处置都是有用的,智能合约无需对其举行磨练,而是设定一个类似于 Pla *** a 的挑战期,在此时代若是有人发现操作者存在伪造/改动生意等作恶情形,可以对其提议挑战,挑战乐成则会回滚错误的区块,并对相关操作者举行责罚(扣除保证金)Optimistic Rollup 的本质是诓骗证实,让各介入方相互监视,通过责罚机制来提高作弊成本。

    Optimistic Rollup 相比 zkRollup,优点在于手艺庞大度更低,对通用性智能合约的实现加倍友好(Optimistic Rollup 项目还推出了兼容以太坊 EVM 的虚拟机 OVM)。Optimistic Rollup 的瑕玷主要在于和 Pla *** a 类似的挑战期设定,资金的提取需要守候长达 7 天的挑战期竣事,这在诓骗证实机制下是无法阻止的。

    相关项目:Arbitrum

    Arbitrum 同样是接纳诓骗证实,与 Optimistic Rollup 原理大致相同,主要的区别在于解决挑战期内争议的方式。

    Optimistic Rollup 接纳单轮诓骗证实,在 Rollup 运行历程中,若是有人对操作者的批处置操作发生质疑并提议挑战,那么就会在主链上一次性模拟挪用执行整个批处置的数据,以验证是否存在诓骗。

    Arbitrum 接纳的是多轮诓骗证实,将规模大的争议拆分成小的争议,一步一步找到该项争议在批处置中的详细位置,然后再通过主链上的智能合约执行该部门来确定它是否准确。也就是仅在以太坊主链中执行最要害的一步,而非执行整个批处置举行验证。

    多轮诓骗证实相比单轮诓骗证实,优点在于能够削减主链上的事情量,消耗 Gas 更低,瑕玷在于多轮验证需要花费更多的时间,两者的本质可以归结为解决争议时的链上成本和时间成本之间的权衡。

    Arbitrum 的另外一个优点是可以完全兼容以太坊 EVM,以太坊上的项目可以不修改任何代码地部署至 Arbitrum(迁徙至 Optimistic Rollup 需要更改代码),同时可以使用 MetaMask、Chainlink、Truffle 等成熟的基础设施服务。

    Arbitrum 是现在最受关注的 Layer 2 解决方案,包罗 Uniswap、Sushiswap、Bancor 等在内的主流 DeFi 协议都陆续宣布使用 Arbitrum 方案,值得一提的是,Uniswap 早期互助的 Layer 2 平台是 Optimistic Rollup,后续通过社区投票决议毗邻 Arbitrum。此外,Chainlink、The Graph 等大量以太坊上的基础设施服务也宣布入驻 Arbitrum,Arbitrum 的未来生态值得期待。

    小结

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