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[资料] 元宇宙专题研究:以太坊Layer2定义及发展状况

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发表于 2021-12-18 16:37:30 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
1、核心观点
1.1 本文核心观点和内容
市场普遍担心区块链的并发性、可拓展性会成为限制其上应用落地的瓶颈,尤其对于公链生态而言,尚不能支持大规模、高复杂性应用。以以太坊为例,作为全球最大规模的公链生态,一直在讨论如何升级、扩容,而对主网的改动难度较大,Layer2(二层网络)成为可行方案,也是下一阶段其上的元宇宙生态能否繁荣的基础。
经过几年的发展,Layer2(二层网络)从理论雏形进入到应用落地阶段。本报告对几种主流方案出发,以发展潜力最大的 OptimisticRollupsRollups 和 Zero-KnowledgeRollups 等几个典型的以太坊二层网络解决方案为案例,对 Layer2 行业发展进行深入剖析。
Layer2 对 Dapp(去中心化应用)的发展推动效果是明显的。就 DEX(去中心化交易)来说,由于效能较低的主链限制,促进了 AMM(自动化做市)的崛起,但对于交易用户来说(尤其是量化、期货合约用户),订单簿撮合模式显然是最为方便的。Layer2 显然是实现链上订单簿型交易所的最佳方案,这方面典型的案例是 dYdX,其订单簿撮合效率与 CEX(中心化交易所)几乎无异,且用户在链上完成注册,整个交易过程透明可信。
最后,我们对 Layer2 潜在的风险与发展方向做了简单探讨。Layer2 难以达不到主网的安全程度,同时也存在不同于主网的安全风险。同时,其上衍生的各类大规模应用也逐步进入监管的视野。

2、以太坊 Layer2 是什么?
以以太坊网络为例,数以千计的 Dapp(去中心化应用)运行其上,而底层的一致共识区块链网络则出现了较为严重的拥堵现象,为分担底层网络的负担,Layer2(二层网络)想在二层网络上解决各类应用的运行速度和扩展性等问题。本节以以太坊的二层网络为例进行梳理。
2.1 以太坊 Layer2 是拓展区块链性能的重要方案
以太坊(ETH)Layer2 是一类拓展以太坊区块链性能的方案,其基本思路是通过在“主链外”的二层网络上进行计算、交易等业务处理,以获得较快速的响应、高扩展性和低费用,并将最终的状态变更结果反馈到“主链上”,从而减少“主链上”的负担,实现区块链网络的可拓展性。
对于任意一条区块链网络,都存在着安全性、可拓展性和去中心化的“不可能三角”问题。ETH Layer2 则可视为针对这一问题的“中间解”,即在牺牲部分安全性的条件下,保留去中心化性质,极大地增强区块链网络可拓展性的方案。而二层网络上面的数据结果会反馈到主链上获得共识。

2.2 以太坊为什么需要 Layer2?
随着以太坊用户的激增和无数Dapp的兴起,以太坊的性能不足问题愈发明显。由于以太坊区块容量和每个区块Gas上限的限制,使得其TPS仅能达到15左右,这就导致了交易确认时间过长、高峰时网络拥堵严重和网络手续费(gas fee)居高不下等问题,进 而阻碍了低净值用户的进入、小额高频交易和许多长尾项目的发展。而在 ETH 2.0 遥遥
无期的情况下,ETH Layer2是当下以太坊扩容的最佳方案。
例如,根据gasnow网站的统计,在2021年上半年,ETH GasPrice几乎一直保持在100以上、个别时段达到了200以上、最高峰时甚至接近400。这些数据意味着在ETH网络上进行一笔基础的兑换操作时,需要花费价值约140美元的gasfee,这一数字对于一些小额高频交易者和低净值用户来说是难以负担的。而ETH Layer2通过将交易的具体运算放在“链下”完成后再将最终结果传回“链上”,可以大大降低所消耗的gasfee,从而降低了用户的使用成本。

2.3 以太坊 Layer2 的技术原理有哪些?
主流的 ETH Layer2 方案按技术原理可分为 Plasma、Rollups 和 Sidechains,它们在实现逻辑、安全性、可拓展性和去中心化程度等方面各有优劣。
1. Plasma
Plasma 实际上是以太坊对比特币闪电网络的模仿,它最早由以太坊核心开发者Vitalik 和比特币闪电网络开发者 Joseph Poon 在他们的论文《Plasma: Scalabe Autonomous Smart Contracts》中提出。Plasma 的实现逻辑是,将交易的具体计算和储存转移到子链上,仅将最终的状态变更结果记录在主链上。如果用户对提交上链的结果存在异议,可以在规定的“挑战期”内提供“欺诈证明”,一旦“欺诈证明”被主链节点验证有效,正确的结果将会覆盖错误的,挑战者也可获得原验证节点的部分押金。
理论上来说,Plasma 可以达到无限的拓展空间,但在实践中,其安全性存在较大风险。由于交易的具体内容保存在链下,除个别验证节点外,其他节点无法获得原始的交易数据,倘若所有的验证节点同时怠机,用户在子链上的资金将无法取回。受限于此,Plasma 方案在 ETH Layer2 中的应用不如其他方案。
2. Rollups
Rollups即汇总交易的意思,是ETH Layer2的主要发展方向之一。相较于Plasma,Rollups在可拓展性方面略逊一筹,但在安全性方面有了极大地提升。Rollups的改进之处在于将原始的交易数据也记录在主链上,使得任何节点都可根据交易数据成为新的验证节点。如此一来,用户不再依赖于特定的验证节点,哪怕原始的验证节点怠机,用户也可正常提取资金。
Rollups 可进一步被细分为 OptimisticRollups和ZK-Rollups。
OptimisticRollups 即乐观汇总交易,依靠验证节点和挑战者间的博弈保障资金安全。验证节点将交易数据和最终状态变更结果打包上链后,会进入一个“挑战期”,期间资金将被锁定,无法转移。如果其他节点发现验证节点提交的结果和交易记录有出入,即可提交“欺诈证明”,使得正确的状态变更结果将错误的覆盖,并获得原验证节点的押金。在“欺诈证明”被证实前,其他节点默认原验证节点提交的状态变更结果是正确的,所以这类 Rollups 被称为乐观汇总交易。
OptimisticRollups 的优点在于开发门槛较低,可以兼容较复杂的智能合约。例如由OffChainLabs 团队开发的 ArbitrumOne,已经兼容了许多 ETH 主网上的热门 DeFi项目,包括 Balancer、Curve、Uniswap 和 Sushiswap 等。
OptimisticRollups的缺点在于可能发生的安全风险和漫长的“挑战期 ”。
OptimisticRollups 的安全性依赖于挑战者和验证节点间的博弈,实际上是由验证节点的押金而非代码担保的。在博弈过程中,有可能会受到“审查攻击”,即验证节点串通矿工不打包挑战者的“欺诈证明”,一旦“挑战期”结束,错误的结果将无法回滚,用户的资金就有被盗的风险。为保障潜在的挑战者有充足的时间监督验证节点,“挑战期”一般被设臵为 7-14 天,这一漫长的过程对于追求资本效率的用户来说是无法容忍的。
Zk-Rollups(ZeroKnowledgeRollups),即零知识汇总交易,依靠密码学原理保障资金安全。Zk-Rollups 选取的是“有效证明”的思路,其实现逻辑是,验证节点会将一个“零知识证明”一同打包上链,其他节点只需要运算该证明即可认定验证节点提交的状态变更结果是正确无误的。这样做的好处是,运算“零知识证明”要比直接运算每笔交易简单、快捷得多,而且其正确性是由密码学原理保证的,而非验证节点的押金所担保的。
Zk-Rollups 的优点在于摒弃了 OptimisticRollups 中“挑战期”的设定,使得主链与子链间资金转移的速度极快。Zk-Rollups 的缺点在于技术不成熟导致的安全隐患和较差的兼容性。在一些零知识证明算法中,如简洁非交互零知识证明,算法中一些与安全相关的随机数是由初始节点选取的,倘若有恶意节点保存了这些随机数,就可以生成虚假的零知识证明,从而盗取子链上的资金。此外,由于生成“零知识证明”要比具体运算每笔交易复杂得多,对于一些复杂的智能合约,尚没有通用的、简单的生成方法,使得 Zk-Rollups 暂时还无法兼容大部分 DeFi 项目。目前,Zk-Rollups的 Layer2 网络仅能够实现“转账”、“期货交易”和“铸造 NFT”的操作。

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