科普 | 以太坊 Layer 2 扩容方案及用例综述

来源：ethereum.org

编辑：南风

Layer 2 是一系列链下扩展性解决方案的总称，这些解决方案旨在通过在以太坊 (Layer1) 链下处理交易来帮助应用实现扩展。当以太坊网络繁忙时，交易速度会受到影响，这可能会导致某些类型的 Dapps 的用户体验较差。随着网络越来越繁忙，Gas 价格也随着交易发送方竞相出价而上涨。这可能会导致使用以太坊变得非常昂贵。 本文假设你对一些基本知识有着很好的理解。实现 Layer 2 解决方案是先进的技术，该技术的战场考验还较少。 

为何需要 Layer 2？

• 对于一些用例 (比如区块链游戏) 而言，当前的交易处理所需时间是行不通的；
• 使用基于区块链的应用 (apps) 可能会非常昂贵；
• 任何对可扩展性的改进都不应该以牺牲安全性和去中心化为代价 ––  Layer 2 构建于以太坊之上。

 

Layer 2 解决方案的类型

• Rollups
• ZK Rollups
• Optimistic Rollups
• 状态通道 (State channels)
• Plasma
• Validium
• 侧链
• 混合方案

 大多数 Layer 2 解决方案都以某个服务器或服务器集群为中心，每个服务器都可以被称为一个节点，验证者，运营者，区块生产者，或者其它类似的术语。根据实现方式的不同，这些 Layer 2 节点可能由使用它们的企业或实体、或由第三方运营商、或由一大群个人 (类似于以太坊主网) 运行。 一般来说，交易会被提交给这些 Layer 2 节点来处理，而不是直接提交到 Layer 1 (主网)；然后，Layer 2 实例会将交易分批成组地锚定到 Layer 1 上，之后这些交易就被 Layer 1 保护且无法再被更改。根据不同的 Layer 2 技术及其实现的不同，这方面的具体实现细节也有很大的不同。 某个特定的 Layer 2 实例可能对许多应用 (apps) 开放和共享，或者可能仅由某个公司部署并专门用于支持该公司的应用。

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Rollups
Rollups 是在 Layer 1 之外执行交易，但在 Layer 1 上发布交易数据的解决方案。由于交易数据位于 Layer 1 上面，这使得 Rollups 受到了 Layer 1 的保护。 Rollups 的关键特征是：继承了以太坊主链 (Layer 1) 的安全属性，同时在 Layer 1 之外执行交易。 Rollups 的三个简化特性如下： 

1. 在 Layer 1 之外执行交易；
2. 在 Layer 1 上发布交易数据或证明；
3. 部署在 Layer 1 上的某个 Rollup 智能合约，通过使用 Layer 1 上的交易数据能够确保 Layer 2 交易被正确地执行。

 Rollups 要求运营者在 Rollup 智能合约中质押一笔保证金，这样就激励了运营者正确地验证和执行交易。 Rollups 可用于： 

• 为用户减少交易费；
• 开放式参与；
• 快速的交易吞吐量。

 当前有两种具有不同安全模型的 Rollups： 

• ZK Rollups：在链下运行计算，并向主链提交有效性证明 (validity proof)；
• Optimistic Rollups：默认情况下假定交易是有效的，仅在遇到挑战 (challenge) 时，通过欺诈证明 (fraud proof) 运行计算。

 

1. ZK Rollups

 ZK Rollups，全称 Zero Knowledge Rollups，会将数百笔交易在链下 (Layer 2) 进行捆绑打包，并生成一个称为“SNARK” (简洁的非交互式零知识证明)的加密证明。这就是所谓的有效性证明 (validity proof)，该证明会被提交和发布在 Layer 1 上面。 部署在 Layer 1 上的 ZK Rollup 合约会维护所有发生在 Layer 2 上的交易转移状态，该状态只能通过有效性证明才能进行更新。这意味着，ZK Rollups 只需要有效性证明，而不需要所有的交易数据。通过 ZK Rollup，验证区块将变得更快、更廉价，因为被打包的数据更少了。 使用 ZK Rollup 时，当资金从 Layer 2 转移到 Layer 1 时不会出现延迟，因为 ZK Rollup 合约此前接受的有效性证明已经验证了这笔资金的有效性。 我们还可以对使用 ZK Rollups 的侧链进行优化，以进一步减少交易大小。比如，账户 (account) 可以由索引 (index) 而非地址 (address) 来表示，这样就可以将交易大小从 32 字节减少到仅仅 4 字节；交易还可以作为 calldata 被写入以太坊，从而减少 Gas 使用量。 

ZK Rollups 的优缺点

 优点：

• 当需要将资金转移至主链上时，不会出现延迟，因为有效性证明已经对资金进行了验证；
• 不像 Optimistic Rullops 那样容易受到经济攻击的影响。

 缺点：

• 仅限于简单的转账，不兼容于 EVM (以太坊虚拟机)；
• 有效性证明的计算强度很大，因此对于一些链上交易活动较少的应用而言，不值得采用此技术；

 

ZK Rollups 的用例

• Loopring
• Starkware
• Matter Labs 的 zkSync
• Aztec 2.0
• ZeroSwap
• Sushiswap
• dYdX
• Immutable X

 

2. Optimistic Rollups

 Optimistic Rollups 与以太坊主链平行运行。Optimistic Rollups 可以在可扩展性方面提供改进，因为默认情况下它们不进行任何计算。相反，在交易完成之后，它们会向主网提议新的状态，也即对交易进行“公证”。 使用 Optimistic Rollops，交易将作为 calldata (调用数据)被写入以太坊主链，通过降低 Gas 成本来进一步对交易进行优化。 由于链上计算是导致以太坊缓慢、昂贵的原因，Optimistic Rollups 能够根据交易类型提供 10-100 倍的可扩展性提升。随着 Eth2 升级将引入分片链，这一数字将会进一步增加。这是因为，当 Optimistic Rollup 链中的某笔交易存在争议时，将会有更多的数据可用。 

当交易存在争议时

 Optimistic Rollups 实际上并不会对交易进行计算，因此需要存在一种机制，以确保其中的交易是正当而非欺诈性的。这就是欺诈性证明 (fraud proofs) 发挥作用的地方。如果某人注意到了一笔欺诈性交易 (并提出欺诈证明)，Optimistic Rollup 链将使用可用的状态数据来校验该欺诈证明并运行该笔交易的计算。这意味着，与 ZK-rollup 相比，Optimistic Rollup 可能有更长的交易确认等待时间，因为交易可能会被挑战。
 你在提交欺诈证明时计算所消耗的 Gas 甚至会被补偿，也即你会因为证明有欺诈行为而得到补偿。Optimism 团队的 Ben Jons 描述了现有的保证金系统： 

Optimistic Rollups 的优缺点

 优点

• 你在以太坊 Layer 1 上能做的任何事情，都可以在 Optimistic Rollups 上进行，因为 Optimistic Rollups 兼容于 EVM 和 Solidity。
• 所有的交易数据都存储在 Layer 1 链上，意味着 Optimistic Rollups 是安全和去中心化的。

 缺点：

• 由于潜在的欺诈性挑战，需要很长的交易确认等待时间。

 

Optimistic Rollups 的用例

• Optimism
• Offchain Labs 的 Arbitrum Rollup
• Fuel Network
• Cartesi
• Synthetix

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通道 (Channels)

通道 (Channels) 允许参与者在链上只提交两笔交易的情况下进行 x 次链下交易。这能够实现极高的交易吞吐量。

可用于：

• 大量的状态更新；
• 当预先知道参与者的数量时；
• 当参与者总是存在时。

参与者必须将一笔 ETH 存款锁定在一个多签合约中。多签合约是一种需要多个私钥签名 (从而使各方达成共识) 以执行交易的智能合约类型。

锁定存款就是基于这种方式的第一笔交易，以此来开通一个交易通道。之后，参与者就可以快速和自由地进行链下交易。当交互完成之后，一笔最终的链上交易会被提交，从而解锁之前被锁定的存款。

状态通道 (State channels)

状态通道的井字游戏：

1. 在以太坊主链上创建一个多签智能合约“法官”，该合约理解井字游戏规则，并可以识别 Alice 和 Bob 为游戏中的两个玩家。这份合约持有 1 ETH 的奖励。
2. 然后，Alice 和 Bob 开始玩游戏，开启状态通道。每一步操作都会创建一笔包含“nonce”值的链下交易，这意味着之后我们总是可以知道这些操作发生的顺序。
3. 当赢家产生时，Alice 和 Bob 通过向“法官”合约提交最终状态 (比如交易列表) 来关闭该通道，这样就只用付一次交易费用。“法官”确保这一“最终状态”由 Alice 和 Bob 双方签署，并等待一段时间以确保没人会对这一结果的合法性发起挑战，然后将 1 ETH 的奖励发给 Alice。

目前有两种类型的通道：

• 状态通道 – 如上所述；
• 支付通道 – 经简化的状态通道，只处理支付。支付通道允许两个参与者之间进行链下转账，只要他们的转账净额不超过存入的代币数量。

优缺点

优点：

• 即时提款/主网结算 (前提是通道的参与双方合作的情况下)；
• 可能实现极高的交易吞吐量；
• 每笔交易有着最低的成本，有利于小额支付。

缺点：

• 创建和结算通道的时间和成本 — 对于任意用户之间偶尔的一次性交易来说不太好；
• 需要定期查看通道网络，或将此责任委托给其他人，以确保用户资金的安全；
• 必须在开启通道时锁定资金；
• 不支持公开参与。

状态通道的用例

• Connext
• Kchannels
• Perun
• Raiden
• Statechannels.org

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Plasma

Plasma 链是一条独立的区块链，锚定到以太坊主链，并使用欺诈证明 (类似于 Optimistic Rollups) 来仲裁纠纷。

Plasma 的优缺点

优点：

• 高吞吐量，低交易成本；
• 适用于任意用户之间的交易 (如果两个用户都在 Plasma 链上，则每个用户对没有开销)；

缺点：

• 不支持通用计算，只能支持基本的代币转移、兑换和其它一些交易类型；
• 需要定期查看该网络，或将此责任委托给其他人，以确保用户的资金安全；
• 依赖于一个或多个 Plasma 链运营者来存储数据并根据请求提供服务；
• 存在交易挑战期，提款会被推迟了几天。流动性提供者可以减轻这种情况，但存在相关的资本成本。

Plasma 用例

• OMG Network
• Polygon (前身为 Matic Network)
• Gluon
• Gazelle
• LeapDAO

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Validium

Validium 使用像 ZK-Rollops 这样的有效性证明，但数据并不存储在以太坊的以太坊 Layer 1 主链上，而是将 Layer 2 的交易数据存储在链下。这可能实现每条 Validum 链每秒处理 10k 笔交易，多条 Validum 链可以并行运行。 Validium 的优缺点 优点：

• 没有取款延迟 (链上/跨链交易没有延迟)，从而提高资本效率；
• 不会像基于欺诈证明的系统那样容易受到某些经济攻击。

 缺点：

• 对通用计算/智能合约的支持有限；专门的语言要求。
• 生成 ZK 证明需要较高的计算能力，对于低吞吐量的 Apps 来说，此方案是不划算的；

 

Validium 用例

• Starkware
• Matter Labs 的 zkPorter
• Loopring

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侧链

侧链 (sidechain) 是一条独立的区块链，它与主网并行且独立运行。侧链有自己的共识算法 (比如权威证明、DPoS委托权益证明、拜占庭容错等等)。侧链通过一个双向桥与主链相连。

优缺点

优点：

• 较成熟的技术；
• 支持通用计算，兼容 EVM；

缺点：

• 不那么去中心化；
• 使用单独的共识机制，其安全性不受 Layer 1 保护 (因此从技术上来说，侧链不是 Layer 2)；
• 一定数量的侧链验证者可以实现欺诈。

侧链的用例

• Skale
• POA Network
• xDAI

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混合解决方案

结合多个 Layer 2 技术的最佳部分，并提供可配置的折衷方案。 

用例

• Offchain Labs 的 Arbitrum SCSC
• Celer Network

延伸阅读

• Validium And The Layer 2 Two-By-Two — Issue No. 99

  https://www.buildblockchain.tech/newsletter/issues/no-99-validium-and-the-layer-2-two-by-two

• Evaluating Ethereum layer 2 Scaling Solutions: A Comparison Framework

  https://medium.com/matter-labs/evaluating-ethereum-l2-scaling-solutions-a-comparison-framework-b6b2f410f955

• Adding Hybrid PoS-Rollup Sidechain to Celer’s Coherent Layer-2 Platform on Ethereum

  https://medium.com/celer-network/adding-hybrid-pos-rollup-sidechain-to-celers-coherent-layer-2-platform-d1d3067fe593

• Zero-Knowledge Blockchain Scalability

  https://ethworks.io/assets/download/zero-knowledge-blockchain-scaling-ethworks.pdf

状态通道

• EthHub on state channels

  https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/state-channels/

• Making Sense of Ethereum’s Layer 2 Scaling Solutions: State Channels, Plasma, and Truebit – Josh Stark, Feb 12 2018
  https://medium.com/l4-media/making-sense-of-ethereums-layer-2-scaling-solutions-state-channels-plasma-and-truebit-22cb40dcc2f4

• State Channels - an explanation Nov 6, 2015 - Jeff Coleman

  https://www.jeffcoleman.ca/state-channels/

• Basics of State Channels - District0x

  https://education.district0x.io/general-topics/understanding-ethereum/basics-state-channels/

支付通道

• EthHub on payment channels

  https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/payment-channels/

ZK Rollups

• EthHub on zk-rollups

  https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/zk-rollups/

Optimistic rollups

• EthHub on optimistic rollups

  https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/optimistic_rollups/

• OVM Deep Dive

  https://medium.com/ethereum-optimism/ovm-deep-dive-a300d1085f52

侧链

• EthHub on sidechains

  https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/sidechains/

• Scaling Ethereum Dapps through Sidechains -Feb 8, 2018 - Georgios Konstantopoulos
  https://medium.com/loom-network/dappchains-scaling-ethereum-dapps-through-sidechains-f99e51fff447

*本文首发于Unitimes App*

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