一文讀懂以太坊二層Layer 2 擴展解決方案

PA研习社｜2022-06-09 9:39

帶你認識以太坊二層Layer 2 擴展解決方案側鏈（Sidechains），通道（Channels），卷疊（Rollups）。

編者按：2022年06月09日，PANews報導： Optimism分配給Wintermute的2000萬枚OP被盜，目前攻擊者已出售100萬枚； Optimism呼籲盜取2000萬枚OP代幣的黑客返還資金；盜取OP代幣的黑客地址將100萬枚OP代幣轉移至V神錢包。

即使Optimism項目做了也有好幾年了，也在一周之前發幣，很多朋友雖然體驗過Optimism這樣的以太坊二層Layer 2 擴展解決方案，但以太坊二層Layer 2 擴展解決方案有很多種，很多朋友們估計也難以認識全部，本文的目的就是是想用一篇文章帶你認識以太坊二層Layer 2 擴展解決方案側鏈（Sidechains），通道（Channels），卷疊（Rollups）。希望本文能在你學習以太坊二層Layer 2 擴展解決方案的路上帶來些微小的幫助。

本文內容僅供參考學習，非投資建議。

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原文標題： Ethereum Layer 2 Scaling Solutions Demystified

編譯：團長

可擴展性是以太坊區塊鏈開發中的主要關注點之一。一個可擴展的區塊鏈可以同時處理成千上萬的交易，但只需要支付低廉的交易費。

由於以太坊上的大量dApps和用例，我們經常會遇到大流量的網絡活動。這確實會導致網絡擁堵和極高的gas費用。因此，以太坊需要擴容方案。

以太坊平均gas價格

ETH 2.0將主要通過引入分片（sharding）機制來解決部分與擴展性有關的問題。

分片是這次升級的一個重要部分。它將一個大的鏈分割成小的鏈（分片）。然後，工作負載將被分配給幾個驗證器。這種分佈大大地提高了可擴展性。同時處理的交易數量將增加。因此，網絡擁堵將減緩，而交易費用也將減少。

ETH 2.0（更確切地說，分片）被認為是第一層的擴展（layer 1 scaling）解決方案。這意味著，它有助於擴展區塊鏈本身。然而，為了實現更高水平的可擴展性，我們需要有第2層（layer 2 scaling）的擴展解決方案。

第2層解決方案是那些試圖在以太坊區塊鏈之上提高可擴展性的解決方案— 而不是內部。

本文中，我將回顧第二層解決方案的三個主要類別：

側鏈Sidechains

通道Channels

卷疊Rollups

譯註：關於Rollups的翻譯採用V的建議https://twitter.com/vitalikbuterin/status/1326360607109640192

#1 — 側鏈Sidechains

“側鏈”是獨立的區塊鏈，與以太坊主網平行運行，獨立運作。一般來說，側鏈不依賴於主區塊鏈的安全，它們有自己的共識機制。因此，他們被認為是不太安全的。

應用項目：Polygon

Polygon是一個互操作性（interoperability）的第二層擴展解決方案，用於構建兼容Ethereum的區塊鏈。它的原生代幣— MATIC — 被用於治理、押注和支付氣體費用。 Polygon使用一個股權證明（PoS）共識機制。

Polygon的主要理念是一個叫做“鏈橋chain bridge”的概念。要使用Polygon，你必須通過鏈橋使用鎖和鑄幣機制將ETH交換到MATIC。換句話說：

將ETH存入鏈橋

該ETH被鎖定在一個智能合約中

Polygon為你鑄造等量的MATIC代幣

MATIC代幣將被燒毀，而ETH則從智能合約中釋放

根據你使用的鏈橋，交易可能需要幾個小時到幾個星期。例如，使用plasma橋，交換大約需要一整個星期。

另一個挑戰是，Matic或其他基於側鏈的解決方案並不依賴以太坊區塊鏈的安全性，他們運行自己的共識機制。

由於這些問題，替代的第二層擴展解決方案，如卷疊Rollup，正在獲得更多的青睞。

#2 — 狀態通道

“通道”允許通過允許在鏈外（L2）進行X次交易並向網絡提交兩個交易到鏈上（L1）來減少第一層的負載和交易成本。這可以通過以下的2個鏈外交易工作流程實現：

第一個交易打開連接。參與者必須將以太坊的一部分狀態鎖定在一個多簽名合約中。

第二筆交易關閉連接。當交易完成後，提交最後一個鏈上交易並解鎖狀態。

通道工作流程可以處理支付（支付通道）或一般狀態更新和計算（狀態通道）。

通道是在主網上建立即時提款/結算的一個偉大的解決方案。此外，它帶來了高吞吐量和極低的成本。另一方面，建立和結算通道的時間和成本可能很高，如果成員沒有達到有效的退出狀態，預計退出時間會很長。

應用項目：Celer Network

Celer Network是一個運行在現在和未來區塊鏈之上的系統。利用鏈外擴展，Celer幫助開發者建立、運營和使用高度可擴展的dApps。

Celer Network採用分層架構（cStack），具有簡潔的抽象性。每一層只需要專注於實現其功能：

cChannel：通用的狀態通道和側鏈套件。這是Celer網絡的底層，與不同的底層區塊鏈互動，並為上層提供最新狀態和有界時間最終性的共同抽象。 cChannel使用狀態通道和側鏈技術，它們都是鏈外擴展平台的基石。

cRoute：可證明的最優價值轉移路由。 cRoute，引入了分佈式平衡路由（DBR），它使用分佈式擁堵梯度（distributed congestion gradients）路由支付流量。

cOS：支持鏈外應用的開發框架和運行時間。 cOS是一個開發框架和運行時間，每個人都可以輕鬆地開發、操作和與可擴展的鏈外dApps互動，而不會被鏈外擴展引入的額外複雜性所困擾。 Celer Network允許開發者專注於應用邏輯並創造最佳的用戶體驗，由cOS來處理繁重的任務。

#3 — Rollups

“Rollups”是在以太坊主網（第二層）之外執行交易的解決方案，交易完成之後，將交易數據送回主網（第一層）。換句話說，Rollups試圖從區塊鏈本身卸載交易量，並在一個單獨的鏈上執行交易。

基於Rollup的第2層解決方案有很多好處：

**更高的tps和更低的交易費用：**目前以太坊區塊鏈每秒可以處理15–45筆交易。第2層的擴展解決方案將這個數字提升到1000–4000tps。最後，隨著ETH 2.0的推出，以太坊區塊鏈有望每秒處理約10萬筆交易。更多的tps也意味著更少的網絡擁堵。這可能會減少網絡上的交易費用。

更快的交易確認：rollups背後的主要想法是將交易量從主區塊鏈中卸載，並在另一層中處理它們。 Rollups在第1層部署智能合約，它們負責存款、提款和驗證交易。交易確認也可以在批量模式下進行。

更加安全：rollups依賴於以太坊區塊鏈的安全性。因此，他們被認為是更安全的。

Rollups也有一些挑戰：

可組合性：要在同一個rollup上組合使用多種協議（uniswap，compound，…）的交易

流動性缺乏：流動性較低，滑點較高，交易執行較差。

對側鏈的威脅：與側鏈相比費用更高

然而，總的來說，rollup和第二層擴展解決方案被認為是改善區塊鏈的可擴展性、安全性和去中心化的特殊解決方案。

現在讓我們更詳細地討論不同類型的捲積解決方案。

樂觀卷疊Optimistic Rollup

Optimistic Rollup使用欺詐證明（fraud proof）。欺詐證明的主要思想是向第1層發送最小數據，並假設（樂觀地認為）它是正確的。在交易有效的情況下，區塊鏈不需要做任何事情。如果它是無效的，它必須識別它，回滾狀態，並懲罰發件人。

為了實現這一點，方案使用了一個“爭議解決系統”。它檢測欺詐活動，核實欺詐證明，並抑制不良行為者。為了防止不良行為者向網絡發送垃圾交易，發送者還必須提供保證金（通常以ETH的形式）。如果在第一層檢測到欺詐活動，這個保證金將被削減作為懲罰。

在Optimistic Rollups中，預計會有很長的提款期（甚至幾週）。這主要是因為所有的網絡參與者都必須在第1層最終完成交易之前發送證明。另一方面，Optimistic Rollups在開發者之間很受歡迎，主要是因為該技術使用所有現有的以太坊技術棧，幾乎沒有修改。

應用項目1：Optimism

Optimism的主要思想是，交易的排序可以在一定時期內拍賣給其他各方。這些其他各方被稱為“排序者Sequencers”和“驗證者Verifiers”。

Sequencers是負責在第二層運行交易並將交易數據和新的L2狀態提交給第一層的節點。

Verifiers是負責防欺詐的節點。他們通過將新狀態根與排序者提交的狀態根進行比較來完成這一工作。

Sequencers和Verifiers都在運行L2Geth —（ Geth是以太坊協議最流行的實現）的一個略微修改的版本。

Optimism工作流程將使Ethereum更具可擴展性。有了Optimism，Sequencers和Verifiers將負責處理交易。因此，以太坊主區塊鏈的計算負載將大大減少。此外，由於競爭減少的直接結果，gas費用也將下降。

Optimism項目的一個可能的瓶頸是其Sequencers節點的中心化性質。根據公告，將只有一個Sequencers節點由Optimism團隊內部管理。作為一個未來的計劃，他們希望將其去中心和，以使項目更加穩定和安全。在那之前，這種中心化的特點使Optimism項目不能成為一個最優的項目。

應用項目1：Arbitrum

Arbitrum有一個不同的爭端解決模式。他們不是在第1層重新運行整個交易來驗證欺詐證明（fraud-proof）是否有效，而是使用一個互動的多輪模式，縮小爭端的範圍，只在第1層執行幾個指令來驗證可疑的交易是否有效。它還運行一個負責給交易下命令的Sequencers。

在arbitrum工作流程中，也有兩個主要角色參與：

Sequencers（Batchers）：這些節點負責從第2層獲取用戶交易，並將交易數據提交給第1層。

Validators驗證者：這些節點負責讀取和處理主層的交易數據，最後更新第2層的狀態。

Arbitrum的技術實現比Optimism要復雜一些。例如，它有以下組件：

兩個不同的L1智能合約（delayer和sequencer inbox）來發布交易數據。

三種類型的批處理節點（轉發者forwarders，排序者sequencers，和聚合者aggregators）。

三種驗證策略（防禦性Defensive、StakeLatest和MakeBlocks）。

他們自己的虛擬機被稱為Arbitrum虛擬機（AVM）。

Arbitrum自己的操作系統（ArbOS）。

這在實現第二層解決方案的時刻，給了開發者和用戶很多的靈活性和新的選擇和功能。然而，背後的工具和技術的複雜性，使其成為一種應用起來比較困難的技術。

ZK Rollup

ZK Rollup使用有效性證明validity proofs。不會存在爭議解決方面的問題。相反，它使用一個叫做“零知識zero-knowledge”的密碼學概念。每一個發佈到第1層的批次都包括一個叫做“zk-snark”的加密證明。當交易批次提交時，該證明可以被第1層合約快速驗證，無效的交易可以被立即拒絕。不存在提款週期長的問題。然而，由於EVM的兼容性，實施的複雜性要高得多。它們的計算量也比較大。

應用項目：Loopring