Foresight Ventures: Layer3深入解读
作者：Yihan Xu@Foresight Ventures
一、从Layer1到Layer3
Layer1是底层区块链。Ethereum、Bitcoin、Solana等公链都是Layer1区块链，它们是区块链网络的基础，各种Layer2都搭建在这些公链之上。
Layer2指以太坊扩容方案。各条Layer2链都是单独的区块链，在保证安全性的基础上提升交易速度和TPS。比如Zksync、Starkware、Arbitrum、Optimism都是不同的Layer2解决方案。
那什么是Layer3?
简单来说Layer3希望在Layer2的基础上完成更加定制化的设计，解决目前Layer2无法实现/实现起来比较困难的功能（包括定制化扩容、privacy等），从而进一步降低成本，提升效率。
但Layer3的想法还在非常早期阶段，现在下定论显然有失偏颇。Layer3的最终形态需要基于开发者探索、实战检验和实际需求。
现在有很多大佬已经提出了相关的设计思路，通过StarkWare提出的多层网络结构图（Layer3的其中一种构建思路），我会做进一步的分析和总结，帮助大家理清思路。
二、StarkWare的多层网络
以太坊多层网络的实践设想最早由StarkWare团队在文章"Fractal Scaling: From L2 to L3"中提出。在这种设计中，现在的Layer2是一种general purpose的扩容，在此之上，Layer3做定制化的扩容。下面我会对图中提到的方案逐个分析（从左到右）。
1.StarkEx Volition（rollup+validium）—> 低成本扩容
在Layer2的方案中我们已经熟悉了Validiums，一种通过SNARK算法对计算结果进行验证，数据不上传Layer1而是依赖于validator托管的扩容方案。由于数据存在链下而非直接发布到Layer1，Validium降低了gas成本并提供了更好的privacy（数据并不向public公开）。但是从去中心化和安全性的角度看，Data Availability依赖于第三方委员会，因此Validiums使用并不广泛。
StarkEx Volition为Dapp提供了一种混合模式，可以选择将数据放到链上以保证安全性（StarkEx Rollup）或者放到链下以获取更低的成本（StarkEx Validium）。现阶段StarkEx仍然是Layer2的扩容方案，但是在StarkWare后续的架构设计中，StarkEx完全可以作为一种打开Layer3大门的通道，在StarkNet通用扩容的基础上进一步为特定的dapp降低成本。
2.App-specific StarkNet —> 定制化扩容
我们知道Layer2的电路设计是为了服务所有Dapp，这意味着工程师设计电路的首要考虑是兼容性。因此现在的电路设计一定程度上牺牲了效率，并没有针对特定的Dapps进行优化。这对于强交互性的Dapp来说是一种的瓶颈，比如注重游戏体验和实时玩家交互的web3游戏。App-specific StarkNet可以为帮助对性能要求较高的Dapp定制化地进行设计以达到更高的performance。
我认为在这个场景下Layer2解决用户编程和可组合性的问题，而Layer3定制化地针对项目方提供更高的性能。比如一个Dapp不需要和其他Dapp共享电路资源，并获得定制化的电路设计，或是由Layer3提供更高效的存储结构会数据压缩服务。
3.StarkNet（Validiums）—> 低成本扩容
类似于StarkEx Volition，在Layer3中将Validiums作为一种低成本的扩容方案，让一些对价格敏感的Dapp获得更低的成本。
4.Privacy StarkNet —> 定制化功能
对隐私功能的实现，某种程度上也可以看作app-specific design。虽然ZK-rollup对privacy友好，但出于去中心化和安全性的考虑，用户的交易数据仍需要在压缩后通过calldata发布到Layer1作为history log，让所有用户都可以成为prover进行验证。因此以扩容为目的的rollup并不能实现privacy。Layer3的能很方便的解决了这一痛点，对于一些强隐私需求的用户，定制化地在rollup甚至rollup of rollup的基础上实现隐私功能。
三、Again，什么是Layer3？
看完以上分析，Layer3应该已经不那么抽象了，下面总结一下这种Layer3的设计到底想解决什么问题，帮助大家进一步建立对Layer3认知。
1.Vitalik的设想
L2 is for scaling, L3 is for customized functionality. L2 is for general-purpose scaling, L3 is for customized scaling L2 is for trustless scaling (rollups), L3 is for weakly-trusted scaling (validiums)
2.进一步解读
Layer2作为general purpose的扩容解决方案，那么对于Layer3的设计可以放下单纯的扩容，去定制化地做一些Layer2无法轻易实现的功能，比如privacy； Layer2中ZK-rollup设计考虑了通用和兼容性，为整个生态提供一种通用的扩容解决方案。因此在ZK(E)VM的设计上或多或少牺牲了ZK-friendly。那么Layer3可以针对不同应用做进一步扩容。举个例子，在ZK场景下，一些应用可以通过更加定制化的电路设计来获得更好的performance； Layer2中ZK-rollup在扩容的同时需要保证Data Availability，在cost上做了妥协。因此，Layer3可以用于低成本扩容，为不同开发者提供更多扩容方案，比如Validium就是一个很好的选择。
第二点和第三点中Layer3都是在做进一步扩容，有什么区别？
我认为两者是截然不同的，并且解决了现在Layer2不同的痛点。第二点中的定制化扩容旨在提升性能，而第三点中提到的则是一种更加general purpose的低成本扩容方案。
3.小结
以上都可能是之后Layer3发展方向，并且也不会限定在某一种形态。一些Dapp会需要提供隐私功能的Layer3，一些dapp会受益于低成本的扩容，一些dapp会因为定制化的Layer3带来performance的提升。总之，Layer3会在Layer2的基础上进一步提升性能，创造更多可能性。
四、是否需要Layer3？
看到这你可能会产生两个疑问：
既然Layer3这么牛逼，是不是可以继续往上继续叠加Layer4、Layer5、Layer6…以达到更好的扩容效果？ 以上提到的Layer3的用途都可以通过二层网络结构实现。看下面👇这张Vitalik给出的架构对比图，把上述Layer3的结构直接架在Layer1上只作Layer2也没什么问题。Validium还是能进行低成本扩容，定制化的电路设计也能为特定的项目方提供更好的performance，打造一条隐私链也合情合理。那么为什么要多此一举地在Layer2之上再做一层拓展？ 👇从扩容和必要性的角度逐一分析👇
1.真的可以无限扩容吗？
当然不行。
- 计算层
从ZK-rollup的角度出发(相比optimistic rollup更贴近这个疑问)，在计算层理论上可以将Layer3的ZK-rollup生成的ZKP发送给Layer2的ZK-rollup，然后在Layer2继续用ZKP证明Layer3的一堆ZKPs，并生发送给Layer1做验证。
- 数据层
需要注意的是，除了计算，我们需要考虑数据存储。Rollup链依然需要将交易数据发送到Layer1（ZK-rollup可以对数据进行压缩），来保证数据可用性，让用户可以通过数据验证proof的真实性。计算时可以用一个ZKP去证明一堆ZKP，但是数据没法压缩后继续压缩，就算可以，也并不需要一个Layer3来完成，只需要将Layer2压缩后的数据用这种方式进一步压缩即可。因此，从Data Availability的角度出发，继续叠Layer并不会在明显提升scalability。
可以参考Vitalik提到的：“There's always something in the design that's just not stackable, and can only give you a scalability boost once - limits to data availability, reliance on L1 bandwidth for emergency withdrawals, or many other issues.”
2.二层还是多层网络？
我认为二层网络是当前的最佳解决方案，但未来属于多层网络。
分析这个问题，我们需要明确Layer3的价值是什么。
五、Layer3的价值
4个字概括：降本提效。
1.深入分析成本
我认为这种Layer3的架构带来最大的想象力在于对成本的优化，或许随着技术飞速迭代，之后会有更多Layer3杀手级的设计，但成本永远是我们需要直视的话题，同样也是当初设计Layer2的原因。
从降低gas fee的角度出发，现在Layer2的rollup不可能以理论速度在极短的时间（比如赶在以太坊出块时间12-14s内）将rollup链上的交易打包成batch并（生成proof）提交到Layer1验证。原因有以下两点组成：
原提交batch到Layer1会产生不低的成本，根据Vitalik的说法每个batch的成本> 400,000 gas； Rollup链上单位时间内每个batch能打包的transaction数量有限。
—> 简单说就是，提交batch存在基础成本，因此每个batch打包的交易越多，每笔交易分摊的gas fee越低。
因此rollup的设计需要权衡打包交易的时间间隔（用户体验）和每笔交易分摊的费用（用户成本）。如果过快地打包交易并提交Layer1，会增加分摊到每笔交易上的gas fee；过慢则会增加confirmation time，影响用户体验。
Layer3可能带来哪些优化？
如果我们考虑加入Layer3，比如在ZK-rollup的基础上再加一层ZK-rollup会极大地降低这提交batch到Layer1的基础成本（一个ZKP证明一堆ZKP，减少数据size）。根据Vitalik的估算，提交一个batch proof到Layer1的成本约为8000 gas。
接下来用简单的数学计算帮助大家更加直观的理解成本问题；
已知：
分摊到每笔交易的gas = transaction cost + batch cost / transaction amount 以上等式中，transaction amount = TPS * confirmation time
假设在理想情况下：
batch cost = 400,000 gas（实际情况会更高） transaction cost = 368 gas（Fully optimized ERC20 transfers） TPS = 5（Layer2均值）
- 当前Layer2的gas情况
confirmation time = 12s（以太坊出块时间）
分摊到每笔交易的gas = 368 + 400000 / （5 * 12）= ～7035
confirmation time = 1h
分摊到每笔交易的gas = 368 + 400000 / （5 * 3600）= ～390
在当前二层网络的设计中，分摊到每笔交易的gas对打包batch的间隔时间（也就是用户感知到的confirmation time）非常敏感，且将confirmation time控制在一个较短的时间窗内带来的成本非常高。
- 加入Layer3的gas情况
confirmation time = 12s（以太坊出块时间）
分摊到每笔交易的gas = 368 + 8000 / （5 * 12）= ～501
confirmation time = 1h
分摊到每笔交易的gas = 368 + 8000 / （5 * 3600）= ～368
2.关于成本的思考
在Layer2的基础上Layer3有明显提升，将confirmation time从12s延长到1h（每个batch打包更多交易）并没有带来显著的gas收益。同时Layer3的设计几乎可以在一个较短的confirmation time内（12s）达到当前Layer2花费一小时confirmation的gas成本。在保证用户体验的前提下极大降低了成本。 另外，我认为容易被忽视的一点是，由于batch cost的降低导致transaction amount的增加同样不会为每笔交易带来太多gas成本的收益。因此，Layer3从这个角度看也更适合去做app-specific、定制化的设计（不依赖于大量的交易来抵消高昂的batch cost）。
3.浅谈一下效率
和成本一样，我认为做多层网络结构的原因一定躲不开提升效率，抛开成本和效率谈结构设计有多fashion没有任何意义。
我们知道wrapped token的实现降低了Layer2之间的互操作成本，但是效率上仍然有待提升，我们简单算一下为什么：
- Optimistic-rollup —> 14天！
由于fraud proof time，一个rollup链存（～7天）➕另一个rollup链取（～7天），～14天的验证期仍然无法避免；
- ZK-rollup —> ～12小时
避免了fraud proof time的漫长等待，相比Optimistic-rollup更快，但是有以下两个问题：
目前Layer2的ZK(E)VM需要做到one Virtual Machine fits all Dapps，因此设计上妥协了一些ZK-unfriendly的设计，导致proof在生成时候需要额外的时间处理无法并行计算的指令； 在分析成本时提到过，出于对打包交易的时间间隔和每笔交易分摊的费用的权衡，当前的ZK-rollup无法在短时间打包交易到Layer1（否则gas太贵用户不干）。
- 加入Layer3之后
Layer3的思路就是定制化扩容、app-specific scaling，因此，ZK-rollup生成proof这部分额外花费的时间会得到最大程度的优化； Layer3的设计可以将跨链的交易成本降低基础上保证效率。相比于二层网络结构，无需经过Layer1，which is expensive and congested。
4.重新审视Layer3
综上所述，这种Layer3的设计就好像是在Layer1安全性的基础上，以Layer2为核心搭建出了无数子生态。
我认为一定程度上，多层网络架构进一步将Layer1的功能隔离，让Layer1专注于保障交易安全性，将计算等功能转移到每个子生态系统中。
六、另一种Layer3思路
Vitalik提出了一种新的架构设计思路，在我看来也可以算作一种多层网络架构的设计（你也可以把它看成一种二层网络结构），非常值得分析和思考：
Layer1: base layer
Layer2: batch mechanism
Layer3: rollup、validium
1.对这种架构的解读
在现在的Layer1和Layer2之间插了一个（聚合+验证+分发）层。
在这种设计中，一种batch mechanism的结构以开放式协议的形态成为架构中的Layer2；现在我们熟知的Layer2（ZK-rollup）可以接入这种协议并成为一种Layer3。
我认为整套batch mechanism的核心是以下2点：
Batch prover将加入batch mechanism的各个ZK-rollup发送的多个proof聚合，并记录所有的new state、old state、state delta； Batch handler只需要验证一次聚合后的proof，验证成功后以(New state, Old state, State delta)作为验证成功的证明分发给相应的rollup链（Layer3）用于更新state。
2.Again，Layer3的价值
- 成本
相比现在Layer1的verifier contract验证不同rollup链发送的batch proof并更新state，这套新的架构相当于将gas成本在各个rollup链之间分摊。根据Vitalik的描述，分摊后的gas cost同样约为8000。因此，这种Layer3的设计在成本因素上同样产生了很大价值。
- 安全性
这样的结构设计使得Layer2（batch mechanism）成为了一个用途明确且专一，结构简单的中间层，这使得这一层在安全性和governance-minimized上具备天然的优势。
*Starkware上的SHARP正在做类似的实现，递归的证明方式使得proof可以被提交到Layer2的StarkNet上，为进一步实现Layer3创造可能性。
七、对Layer3未来的思考
二层网络是当前的最佳解决方案，但我相信多层网络结构一定会成为未来趋势； 基于现在大家对Layer3的设想，ZK相关技术对Layer3会起到极大的推动作用，并且未来Layer3的底层技术很可能离不开ZK，甚至基于ZK。因此，在ZK领域的探索对Layer3的发展非常重要； Layer3的概念处于早期阶段，未来一切皆有可能！但本质上Layer3的出现会是成本和效率驱动的。Layer3的出现不会改变Layer2作为general purpose scaling的格局，而是在Layer2的基础上做更加定制化的事情； Layer3的发展离不开扎实的Layer2。持续推进现在Layer2的生态繁荣和底层技术进展仍然是高优先级的；
Reference
https://vitalik.ca/general/2022/09/17/layer_3.html
https://medium.com/starkware/fractal-scaling-from-l2-to-l3-7fe238ecfb4f
https://medium.com/starkware/recursive-starks-78f8dd401025
https://ethereum.org/zh/layer-2/
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