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区块链学习笔记:什么是以太坊Layer2 扩容?

1.为什么需要扩容?

 1.1、公链生态发展对性能的要求 

ETH是币圈最有价值的公链, 从5月份开始,随着COMP引领的流动性挖矿及Uniswap的火爆,大家发现受限于ETH 1.0 网络性能,导致交易严重拥堵,交易费用居高不下,可以说ETH的性能严重限制了以DeFi为代表的ETH生态经济的发展,导致DeFi刚开始推向大众就遭遇了底层网络的天花板。链上扩容再度成为热议的话题。

按照官方规划,ETH 2.0 从2020年12月1日启动信标链,开始正式建设,到完成POS、分片链技术,接入现有ETH 1.0 网络,到正式投入使用,还需要大约2年的时间,而区块链行业日新月异,迅猛发展的DeFi生态是等不及的,所以为了缓解ETH 现有网络的压力,在此期间比较可行的方案就是采取Layer 2扩容方案。 

1.2、扩容方案需选择的问题

为了选择合适的扩容方案,一般需要从以下四个方面着手,考虑问题:

1.安全性(Security)

2.性能(Performance)/经济性(economics)

3.易用性(Usability)

4.其他

具体来说为:

1. 安全性

A、在线假设(例如:瞭望塔)

协议是否要求用户在线(liveness)?换句话说:是否需要用户自己或通过受信任的代表(如:瞭望塔)监控扩容解决方案在链上(即 L1 层)的所有活动?

在某些情况下,可以将监控需求委派给受信任的各方,并提供与其服务用户一致的激励措施(如:通过担保)。但是,需要注意,如果受信任的代表在行为不当,其损失的金额始终不会超过保证金的大小。

大家应该考虑受信任的代表是否有机会窃取比保证金更多的价值,以及能在多大程度上承受这种风险。

B、大量退出能力假设

扩容解决方案的安全性假设是否包括所有用户都能在短时间内成功退回到L1层(用户提款退出)?

如果出于安全原因,L2扩容方案的所有用户需要在短时间内退出L2时,就出现这个情况。如果他们选择留下,则运营者可能会进行一些操作耗尽仍留在L2中的资金。例如,在 Matic 方案中,所有用户退出的窗口为 1 周。

但是,在网络拥塞和 DoS 攻击的情境下,这个假设能不能成立是很成问题的。例如,在给定时间范围内大规模退出,以太坊网络可能高度拥堵,可能导致交易无法及时打包。即使网络并不拥堵,攻击者仍可以尝试操纵 GAS 价格以致交易不能及时处理。这是值得考虑的攻击手段。

C、托管性(Custody)

达到特定数量的 L2 验证者能否无限期禁止用户操作自己的资金?他们可以窃取用户资金吗?

如果希望在项目保持不受审查,那么这点尤其重要。

D、运营者热钱包秘钥暴露风险

L2 扩容方案的资金安全是否取决于操作员保护密钥(即热钱包密钥)的能力、而密钥又必须时刻在线以保持系统正常运行?

众所周知,热钱包很难获得真正的保护。

E、易受加密货币经济攻击

扩容方案应对加密经济攻击有多脆弱?是否基于博弈论假设?

有多种涉及加密经济诱因的攻击,包括:贿赂 L2 验证者(或其操作人员),贿赂 L1 上的矿工,创建黑产 DAO 等。这些攻击手段正在迅速发展,而依赖于博弈论假设的扩容系统,难以证明可以根除这些攻击。

同样还包括从技术上讲不是盗窃但实际上是等效的场景。例如,对 Validium 的双花攻击,攻击者无法通过设计窃取其他人的资金,但仍然可以双花自己的资金。

F、密码学元件

解决方案是否依赖于标准密码学,还是利用了新颖的密码学研究,例如 SNARK 或 STARK?通常,越早创造的密码学元件,被破解的机会就越小。越是最先进的和最近的原语,则对团队实现的能力要求更高,并且需要有更多审核。

2. 性能/经济性

A、最大吞吐量

在以太坊 1.0 上扩容方案的最大可能吞吐量是多少?在以太坊 2.0 上呢?

尽管今天解决方案的吞吐量可能令人满意,但是有理由展望未来,并预测额外吞吐量的需求,以及计划采用的解决方案是否能够适应未来。

B、资本利用效率

扩容解决方案的资本利用效率如何?是否需要大量资金才能运作?

对用户而言,资本利用效率较低的系统成本会更高,并且可能会由于缺乏即时流动性而导致运营中断。例如,支付通道的资金利用效率相对较低,因为通道运营商必须锁定其平均通道数量的倍数,以确保通道不会达到容量上限。 

C、开立新帐户的成本

刚开始使用 L2 的新用户是否需要在 L1链上提交交易以在 L2 上开启账户?

在比较表中,我们指出了方案的最佳实现是否需要提交交易,但是方案的实现可能会有差异。例如,zkSync 和 Loopring 都使用 zkRollup,但是 Loopring 要求用户进行L1交易来开设帐户,然而 zkSync 却不需要。

3. 易用性

A、提款时间

提款到 L1 需要多长时间?为了解决争端,某些解决方案中的取款可能需要等待一周或更长时间。为了减轻这种漫长的等待时间,是否有流动性提供者为用户提供流动性以换取风险溢价?如果存在这样的流动性提供者,它们的可靠性和成本如何?由于快速提款也需要付出一定的代价,所以使用这种解决方案的真正代价有多大?

B、达到主观终局性(subjective finality)的时间

在协议的安全性假设下,交易需要多久达到不能在 L1上被回滚的状态?

我们用主观终局性(subjective finality)一词的意思是,即使 L1 智能合约仍不能依赖此状态,也可以说服外部观察者相信交易的不可逆性。例如,在 Optimistic Rollup 中,只需在以太坊上得到一次确认就能达到 L1 终局性,而完全终局性则需要大约1周的时间。

C、主观终局性的客户端可验证性

轻客户端(浏览器/手机钱包)是否能核实达到主观终局性的时间(请参见前面的问题)?

继续上面的示例, 在 Optimistic Rollup 中,进行 1 次确认就能达到 L1 终局性,但要确认交易是最终的,则必须下载整个 Rollup 状态并执行上周的所有交易,以确保所有的 Optimistic Rollup 块都是正确的。

D、即时交易确认

扩容方案可以提供完全的交易即时确认,还是担保下的即时确认?

大多数 L2 协议实现了 “即时表观终结性”,即,交易似乎将在 UX(用户体验)上得到了即时确认。但只有支付通道(状态通道)为这些确认提供完整的安全保证,而在其他协议中,这些交易仍可以在 L1 中确认之前的一段时间内撤销(revert)。不过,撤销它们(不管是否成功)需要付出代价,它们都会因此失去一些安全保证金(即抵押存款)。

交易即时确认也取决于扩容解决方案的具体实施细节。

4、其他方面

A、智能合约

L2 层是否支持任意可编程的智能合约,或者仅支持使用某些谓词实现的有限子集?

B、EVM 字节码可移植性

能否几乎不做任何改动就移植现有以太坊合约? 

C、原生隐私支持

该协议是否提供对隐私原生支持?

默认情况下,如果没有低成本的屏蔽式交易,隐私将得不到非常有效的保护,因为各种平台上进行的有关去匿名化的多项研究都雄辩地证明了这一点。

2.以太坊Layer 2 扩容技术方案

 2.1、侧链方案 

侧链协议本质上是一种跨区块链解决方案。通过这种解决方案,可以实现数字资产从第一个区块链到第二个区块链的转移,又可以在稍后的时间点从第二个区块链安全返回到第一个区块链。其中第一个区块链通常被称为主区块链或者主链,每二个区块链则被称为侧链。

侧链是独立的网络,通常具有唯一的共识层,通过双向挂钩连接到一个基础层协议。由于没有第一层设计的负担,侧链可以支持超出其基础层能力的某些特性,包括但不限于可扩展性和互操作性,同时不依赖于第一层的存储。尽管有这些所谓的好处,但这些分支网络需要参与者之间更多的信任和协作。它的缺点是安全性问题,因为无法获得主链的安全性。

代表项目 xDai Stable

xDai 是以太坊侧链,运用 POA Network 突出的跨链桥接技术 (Token Bridge Technology),桥接 Dai 稳定币作为通证,具有「可扩展、使用方便」的优点,由原 POA 团队负责开发。

xDai 应用为日常用户提供快速交易的平台,且只收取极低的费用。由于 xDai 与以太坊兼容,因此数据和资产可以无缝传输到以太坊主网,提供后端安全和无限扩展的机会。

通过「稳定、高速、安全和可扩展」这些良好性能之间的协同作用,xDai 为 P2P 支付、个人支付、订阅服务和区块链银行业务的实现提供了可能。xDai 的出现在很大程度上催化了人们使用稳定币的进程;在支付费用保持稳定的条件下,用户可以快速且方便地使用稳定币。用户在进行支付行为时,只需要消耗一种代币,而不需要像过去一样使用以太坊作为燃料费用,转账费低廉且转账速度远远高于以太坊。

目前代币 stake 流通市值大约 4234 万美金,流通量 35.3%。

其他侧链方案项目:SKALE Network 是一个高吞吐量、低延迟、可配置的拜占庭容错弹性区块链网络,该网络最初的应用场景会作为太坊区块链的侧链,它可被称为弹性侧链网络,今年 6 月份上线了主网

 2.2、状态通道(State Channel)方案 

状态通道技术,受启发于比特币的闪电网络。状态通道是固定一组参与者(通常是两名参与者)之间的协议,用以实现安全的链下交易,其中支付通道专门用来支付。支付通道协议具体情况是两名参与者各自通过链上交易在链上锁定保证金,一旦锁定完成,参与者双方即可互相发送形式为轮次、金额、签名的状态更新来实现转账,无需与主链进行交互,只要双方的余额都还为正值即可。

一旦参与者中有一方想要停止使用支付通道,可以执行「退出」操作:将最后的状态更新提交至主链,结算下来的余额会退给发起支付通道的两方。主链可以通过核实签名和最后结余来验证状态更新的有效性,从而防止参与者使用无效状态来退出支付通道。状态通道带来的优点是交互延迟在毫秒级别,是唯一能够逼近当今互联网用户体验的区块链扩容技术;交易手续费极低,从根本上比所有其他 layer2 技术的交易手续费低;水平扩展性强,加节点就能增加总系统容量,TPS 无上限,且互相之间不隔离,不需要有跨分片或者跨链之类的复杂操作。

但它的「退出」模式存在一个问题,即主链无法验证支付通道是否提交了全部交易,也就是说,在提交了状态更新之后是否不再出现新的状态更新。此外,状态通道的另一个缺点是只能在两个参与者之间开设。

代表项目 Celer Network

Celer Network 是第一个致力于以状态通道技术为基石构建匹配互联网规模的区块链应用入口平台,让所有人都能够在该平台上便捷快速地开发、运行与使用高性能的分布式区块链应用。它并不是一个独立的区块链,而是一个可以广泛运行在现有和未来区块链之上的网络系统。Celer 以其在链下扩容技术和加密经济学上的创新为区块链平台提供了前所未有的高性能和灵活性。

Celer 是去年三月份的币安 launchpad 项目(现流通市值 1650 万美金,流通量 40%),随后主网于去年 7 月上线,并推出 CelerX 钱包和五子棋游戏,并和多个游戏公司达成合作,重点选择现金竞技游戏赛道。同时,近期上线了状态守卫者网络(SGN)、流动性锁定证明和支持性拍卖,保护整个网络安全,以及联合以太坊社区的其他状态通道项目共同提出一套标准规范。

Celer 把一些 layer1 层的公链也已对接好了,比如比如以太,波卡,Near,Conflux 等。未来致力于推动最新开发的 hybrid-Rollup 方案再次对接 layer 1 层公链,该方案也就是把 Optimistic Rollup 和 SGN 混合起来去实现,该方案存在一个「如何帮助轻节点监控交易的有效性」的问题。目前代币 celr 流通市值大约 1628 万美金,流通量 39%。

其他状态通道项目:Raiden 主网于今年 5 月 27 日上线,进展一直很慢;Liquidity 实际采用率极低,团队没有太多更新和进展,社区也没什么关注度。同时他们的代币 rdn 和 lqd 均被一些交易所整体下架或者取消某个交易对。Connext (未发币)开发一直较为活跃,由于无法在 Layer2 支持智能合约以及提供清晰的全局账本,转而开发了 Spacefold,为支持 EVM 的 Layer 2 侧链间 ERC20 转账提供解决方案。

2.3、Plasma方案

Plasma 由 Vitalik Buterin 和 Joseph Poon(闪电网络创始人) 在 2017 年共同提出,Plasma 是一种链下交易的技术,从一个新的方向实现了状态通道,它允许创建附加在以太坊主链上的子链,这些子链反过来可以产生他们自己的子链,他们的子链也可以产生他们子链。

其结果就是,我们可以在子链级别执行许多复杂的操作,运行拥有数千名用户的整个应用程序,并且只需与以太坊主链进行尽可能少的交互;子链可以更快地操作,且交易费用更低,因为它的操作不需要在整个以太坊区块链存留副本。

区别于状态通道,Plasma 中能够运行智能合约,如果说状态通道是对交易吞吐量的扩容,那么它是对计算能力的扩容。Plasma 是将计算和数据存储都迁移到 layer2 进行,由 layer2 的执行者周期性地向主链递交 Merkle 根形式的「状态承诺」。如果执行者递交无效的状态,用户可以向主链上的智能合约提供错误性证明(fraud proof);一旦确认执行者出现欺诈行为,则智能合约会罚没他的保证金。虽然说我们可以通过错误性证明,使得提供无效承诺的执行者在主链上遭到惩罚;但如果 Plasma 的执行者拒绝在主链上公开数据,那么用户则无法取得构造出错误承诺的错误数据,就无法提供错误性证明,所以 Plasma 面临的最大问题是交易数据可用性。

针对这个问题,Plasma 衍生出一些相应的方案,如延长资产从 layer2 退出的时间:当出现作恶行为,就能允许大量资产从 Plasma 链退出。但经过这些年的摸索,可行的方案还没有真正实现。

代表项目 OMG Networki

OMG Network 以 OmiseGO 的品牌名称创立于 2017 年,基于以太坊的 plasma 扩容技术方案,用于主流数字钱包,可跨国家司法管辖区和组织机构使用法定货币或加密数字货币进行实时、点对点的价值交易和支付服务;它搭建了一个具备去中心化交易、流动性提供机制、清算信息网络和资产支持的区块链网关,也就是一个去中心化交易和支付平台。

白皮书是由 Joseph Poon 撰写,Vitalik Buterin 任顾问,而其母公司 Omise 成立于 2013 年,是东南亚一家知名金融科技公司。OMG 去年 11 月和 Maker DAO 合作,为 Dai 提供 larye2 扩展方案,并于今年 6 月份推出其主网 bata 版本,允许每秒最多处理 4000 笔交易(TPS),交易费用可低至几美分,验证时间只需几秒钟,之后 Tether 正式在 OMG 上发行 USDT。目前代币 OMG 流通市值大约 3.41 亿美金,流通量 100%。

其他 Plasma 项目:第一个 Palsma 的产品级实现是 Loom Network 在 2018 年使用 Plasma Cash 做出来的,但之后联合创始人兼首席执行官 Matthew Campbell 已于去年 12 月离职,关注点由区块链游戏转向了企业,7 个重要的节点服务商已停止提供 Loom 网络的验证人服务。Matic 是建立在以太坊之上的 POS+Plasma 混合侧链,由 Plasma 担保的 Layer2 交易,主网于 2020 年 5 月份上线,目前致力于支持游戏、NFT、Defi 这些方向的应用。

2.4、Rollup 方案(Optimistic Rollup 和 ZK Rollup)

Rollup 方案可以被认为一种压缩技术,多笔交易可以压缩在一起(几千笔交易可以被打包到一个 Rollup 区块中),既能减少交易数据规模,又能降低交易验证负担,因此使得以太坊区块链能处理更多交易,tps 可达到 3000 左右。

它是将所有 layer2 上的交易数据,也就是 Rollup 区块的快照发送到主链上某个智能合约内,用主链上的单个合约来保管所有的资金,而 Rollup 则通过在主链上为每一笔交易公开一些数据,让任何人都能通过观察区块链上的 calldata (交易输入数据)来获得 layer2 的所有数据。

Rollup 区块的状态是由用户以及链下运营者来维护的,因此不会占用主链的存储空间。所有交易的收据都存储在以太坊区块链上,这就提升了 Layer2 交易的安全性。目前主要分为 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 两种 Rollup 技术分类,其中Optimistic rollup尤其备受关注

ZK Rollup

ZK Rollup 是靠着在主链完成零知识证明,链上无需包含签名数据,因为零知识证明就足以证明交易的有效与否,交易有效性就立刻确认,保证无效的状态绝不会发生,也即数据可用性放在链上,所以 ZK Rollups 对数据存储方面也带来了一定程度上的扩展性提升。但由于零知识证明生成的复杂性,目前适合简单的转账。它的缺点是验证链路的构造没有一个通用的解决方案,所以目前没有很好的办法做到很广义的虚拟机逻辑,简单来说,zk-Rollup 必须对每一个用例定制;程序正确性的验证相对复杂,要对多项式 curcuit 做验证;二层打包节点负担重,成本高,计算零知识证明所需时间长,用户延迟的体验角度仍然比较差。

代表项目 Loopring

路印协议i 3.0 的核心设计目标包括两个:高安全性和高性能。协议设计的很多方面,都是围绕着在各种可能的情况下,为用户提现自己充值的资产提供各种保障。这种保障允许用户在极端情况下,仅提供默克尔证明,不依靠于交易所的任何动作,就可以将资产全部取出。而默克尔证明,则可以通过区块链上的数据可用性计算得到。为了提高吞吐量,并降低清结算成本,将几乎全部的计算都迁移到区块链外完成。

这种计算会更新中继维护的一棵四叉默克尔树,用以保存每个用户每个币种的余额,以及每个订单的成交历史。中继批量处理几十到几万个充值提现和交易清结算等请求,并将批量更新后的树根上链。

为了保障中继的计算更新方式严格遵循协议的规则,中继必须在一定时间内提供批量处理相关的零知识证明。即将发布的 3.6 版本变成成一个基于订单簿的去中心化交易所的 AMM 协议,将实现 Layer2 账户之间的转账,只需要一秒就能到账;Layer2 账户转到 Layer1 账户,只需要十几秒就能到账。目前代币 lrc 流通市值大约 1.88 亿美金,流通量 100%。

其他 ZK Rollup 项目:zkSync 是 Matter Labs 基于 ZK Rollup 技术开发的免信任型可扩展性和隐私性解决方案,主网于今年 6 月份上线了,旨在将以太坊上的吞吐量提高到像 VISA 那样每秒可达几千笔交易,同时又能确保资金像存储在底层账户那样安全,并维持较高水平的抗审查性。该协议的另一个重要方面是延迟性极低:ZK Sync 上的交易具有即时经济确定性。另一个,Aztec 的目标是在以太坊基础上建立一个 UTXO 层、使用零知识证明来提升交易的隐私性。这个项目使用一个公开的、大规模的多方计算(MPC)仪式来完成可信任初始化工作(trusted setup),并且开发了 zk.money 来让社区尝试他们的产品,并将隐私增强型技术和 zk Rollup 技术栈结合在一起,打造 ZK² Rollup。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollup 的理念是由 John Adler 首先构想出来的,它保留了 calldata,可以主链获得所有 layer2 的数据,但那些刷新 Layer-2 状态的交易不会在链上被验证,只让主链存储一系列的历史状态根,添加了一个新的状态的一段时间(例如 1 周)后才将新状态最终敲定,也就是数据可用性放在链下。采用错误性证明(跟 Plasma 方案一样),对提交无效状态的执行者进行惩罚。其链下 OVM 虚拟机可以支持任意智能合约逻辑的实现,与以太坊 EVM 虚拟机搭配使用,开发者就可以用 Solidity 来写码,实现 dapp 和智能合约之间的无缝互操作性。它的缺点是安全问题,只有使用 1~2 周的错误性证明挑战期才足够安全。在挑战期过去以前,没有交易能被认为是确定的。

代表项目 IDEXi

IDEX 是一个基于以太坊的分散式智能合约交易平台,提供实时交易,即时订单放置和处理,免费取消订单,实时订单簿更新等服务。IDEX 由一个智能合约,一个交易引擎和一个交易处理仲裁器组成,所有交易必须由用户的私钥授权。于今年 10 月 20 日发布了 2.0 版本,其 Rollup 链支持登记订单式去中心化交易功能,并且围绕此特定用例构建而成。

该链负责执行订单,维护用户余额,允许设置发生其他功能,例如更高级的订单类型,自动交易引擎等。Optimistic Rollup 的验证者必须有 IDEX 通证。验证者提交收据证明已发布的区块,并根据他们在有效区块上的签名和有效欺诈证明的签发而受到奖励或惩罚(如果他们选择接受全部的风险验证)。

在协议中,区块生产者仅上传区块的 Merkle 根作为初始投入,仅在质疑时将区块内容发布到呼叫数据中。由于无法在链上保证 Rollup 区块数据的可用性,因此,这并不完全符合上述 Optimistic Rollup 的定义,实际上,他们将其称为优化 Optimized Optimistic Rollup。一旦发布呼叫数据后,就可以通过一两个附加步骤来证明欺诈行为。目前代币 idex 流通市值大约 3019 万美金,流通量 53.7%。

其他 Optimistic Rollup 项目:Optimism 是由 Plasma Group 的前研究人员在 2019 年成立的一家新盈利性公司,专注于实施以太坊扩容解决方案 Optimistic Rollup,9 月份推出其测试网,Synthetix、Uniswap、Chainlink 成为他们的早期测试者,Synthetix 用来大幅提升预言机报价频率,以此解决在一层网络会遇到的交易暂时停滞问题。

2.5、Validium方案

Validium 是由零知识证明研发机构 StarkWare 主导开发的,选择将 layer2 的交易数据放在链下,因而比 rollup 方案有着更高的扩展性。验证计算方面,Validium 不像 Plasma 依托诈欺证明,而是采用零知识证明。

如先前在讨论 zkRollup 时提到的,这样做会导致 Validium 在目前的应用部署,只能局限于特定目的(普适性低),比如 StarkEx 就是面向去中心化交易所的方案,但这些权衡使得 Validium 在某些方面优于 Plasma。在主网进行零知识证明验证能避免执行者提供无效状态,也能降低执行者不公开数据造成的后果。举例来说,想要勾结执行者,让状态错误地转变为「把他人的钱转到自己账户」是不可能办到的;因此 Validium 不需要在协议中设计「大量资金退出」激励博弈,也不需要延长资金从 layer2 退出的时间。

由于交易数据放在链下,因此以太坊主网无法恢复它的 Merkle tree (默克尔树),所以它的并不具备以太坊主网的安全性。比如数据扣留攻击问题,(恶意)执行者修改自己所控制的账户的状态是没有问题的,然后积压关于这些交易的数据,这会导致某些用户想退出资金时,无法创建默克尔证明来证明他们对账户的所有权。

代表项目 DeversiFi

DeversiFi 是基于以太坊智能合约的去中心化交易所,由 StarkEx 交易引擎支持的新版本交易所,为符合 ERC20 标准的代币提供交易服务。DeversiFi 带来了以客户为中心且流动性高的数字资产交易平台这一愿景。它将为开发者、交易商和爱好者提供一个混合社区和信息中心,旨在促进以太坊生态系统的讨论、开发和交易。

DeversiFi 团队总部设在伦敦,最初名为 Ethfinex,2017 年由 Bitfinex 孵化。它在 2019 年 8 月推出并更名。DeversiFi 是非托管的,允许用户保持对其资金的控制。

据此前报道,6 月 3 日,DeversiFi 去中心化交易所重新推出 DeversiFi 2.0 版本,整合了 Validium 技术,每秒交易处理量可达 9000 +。

为了解决 Validium 的数据扣留问题,避免冻结 layer2 上的账户,StarkEx 系统中引入了数据可用性委员会,8 位委员负责对数据签名,并保证数据始终可用。只要其中有一位委员在线且他是诚实的,用户就一定能获得退出资金需要的数据,但这带来委员签名私钥泄漏风险(这些私钥需要在线、保证能响应,因此保护起来非常困难),攻击者可以将 Validium 转化成只有他们自己知道的状态,从而冻结所有资产,然后对用户进行勒索。

还面临着一种可能的失控情况是运营者被要求执行 KYC/AML (了解客户身份信息 / 反洗钱)措施,并且有义务冻结有 1 万美元交易史的账户内的所有资金(可能会永远冻结),之后 StarkEx 进行升级部署新版本后,被冻结的资金会交由指定参与方托管,而被冻结资金的用户根本没法反抗。

同时 StarkEx 运营者随时都可以在合约逻辑上部署扩展程序,在不预先警告用户的情况下引入黑名单,成为隐藏的审查后门。目前代币 nec 流通市值大约 2412 万美金,流通量 25.6%。

其他 Validium 项目:去中心化衍生品交易所 dYdX 的永续合约产品在今年年底将集成 StarkEx,优化用户体验。

       区块链学习笔记:什么是以太坊Layer2 扩容?       

2.6、各方案综合对比分析

状态通道有一些独特的性质,让它在扩容领域有着独特的地位,它的诸多属性在很多应用中都非常重要。比如游戏、IoT 设备网络、去中心的互联网服务提供商等。

Plasma 和状态通道之间,Plasma 中能够运行智能合约,而状态通道则不被允许。

Plasma 链可以被迭代,新的设计可以更快地被实现,因为每条 Plasma 链都可以在无需与该生态系统中的其他链进行协调的情况下单独地进行部署,而且由单个运营商运行的 Plasma 链还可以提供比分片系统更多的隐私保护。

相比于 Plasma 和 ZK Rollup,Optimistic Rollup 做了一些权衡,所以带来的扩展性提升幅度最小,但 Optimistic Rollup 不依赖于什么过于前沿的技术或悬而未决的问题,实际推广中 Optimistic Rollup 更好落地。而 ZK Rollup 可以解决 Optimistic Rollup 上的几个根本问题,消除了令人厌恶的尾部风险(通过复杂但可行的攻击方法从 Optimistic Rollup 中盗取资金),将提取资金的时间从 1-2 周缩减到几分钟,支持快速的交易确认和退出,而且体量几无上限,并且默认保护隐私;对于需要提高流动性的项目而言,资本运作效率 ZK Rollup 高于 Optimistic Rollup。而由于 Validium 仅具备链下数据可用性,所以 Validium 比 ZK Rollup 的吞吐量会高得多,适合传统的高频交易;在某些场景下(如 DEX)可以起到保护交易者交易策略的作用,例如 DeversiFi 的客户不想将其交易历史记录在链上,这会将他们的策略暴露给竞争对手,所以 DeversiFi 2.0 版本选择运行在 Validium 上,通过数据可用性委员会(DAC)将数据存放在链下。

随着各种扩容技术方案的迭代发展,项目方也一直在克服各种障碍,例如状态通道项目 Celer 现今也允许链下执行智能合约交易,但需要合约符合一定的接口。各扩容技术也会互补,比如在 Optimistic Rollup 上面可以增加接入状态通道,或者在不同的 Rollup 之间,用状态通道进行跨链互通。

Connext 今年 8 月发布的新功能 Spacefold,它就可以整合到 xDai、Optimism、SKALE 等这些 Layer2 解决方案,目前在开发各个 Rollup 之间的状态通道,探索 layer2 之间的可组合性;Celer 与 Matic 之间合作结合,Matic 可以实现用户之间高频和实时的交互,而 Celer 可以显著降低初始化,最终结算和协议故障保护的成本和延迟,从而减少用户体验摩擦。还有 Matter Labs 推出的 zkPorter,尝试通过结合 ZK Rollup 和分片技术来处理数据可用性。StarkWare 最近也提出了一种名为 Volition 的新方案,这是一种链上 / 链下混合数据解决方案,允许用户动态选择他们想要的数据存储位置。

3.头部DeFi项目所采用的Layer2方案

3.1、Layer 2方案对于 DeFi 可组合性的影响

DeFi 被称为金融乐高,可组合性是 DeFi 最基本的特性。在以太坊网络上,不同 DeFi 应用的聚合和交互非常常见,聚合交易、闪电贷,流动性挖矿,持有 LPtoken(流动性凭证)挖矿,甚至将 NFT 结合 DeFi  平台的玩法,也逐渐出现。这是因为大家都是基于以太坊底层之上,在单个事务之中,可以同时调用多个智能合约。

不过当我们把目光转向 Layer2 的时候,问题会复杂得多,未来随着越来越多的 DeFi 采用了 Layer2 方案,DeFi 的可组合性还能存在吗?

DeFi+Layer2 三种场景

假设有这样两个 DeFi 应用:A 和 B。当 Layer2 方案上场,我们会遇到这几种场景:

  • 场景 1:A 应用和 B 应用,都采取了同一种 Layer2 方案;

  • 场景 2:A 应用采用了一种 Layer2 方案,而 B 应用采取了另外一种方案;

  • 场景 3:A 应用采取了 Layer2解决方案,而 B 应用仍然是原生的以太坊应用。

三种场景下,A 应用和 B 应用之间的可组合性是怎样一种情况? 

场景1:兄弟同框,万事好商量

如果不同的 DeFi 应用,使用了相同的 Layer2 解决方案,问题相对容易一些。不过,前提是所采用的的 Layer2 技术支持不同 DeFi 之间的互操作,并且 Layer2 方案一定要支持智能合约才行,对于 EVM 的兼容性,也要足够强,才足以支持 DeFi 应用之间实现可组合性。 

这些标准列下来,就排除了许多的 Layer2 方案了。这也是本文关注的重点:采用同一种 Layer2 方案的 DeFi 应用,如何实现组合性?下面我们会重点了解 OR (Optimistic Rollup) 方案下,对于 DeFi 可组合性的影响,这可能也是最有可能实现二层可组合性的方案了。

 

场景2:鸡同鸭讲,靠谱的翻译挺重要

笔者视野所限,暂时还没留意到比较好的解决方案,能够解决场景 2 的问题,能够让使用了不同 Layer2 方案的 DeFi 应用,能够用一种优雅可信的方式相互组合,能够互操作。也欢迎读者予以指教。

场景 2 所提到的困难在于,由于不同 Layer2 方案在实现机制上千差万别,而 DeFi 应用与其他应用不同之处在于是重资产类型, 对于资金安全的要求更苛刻。如果由于 Layer2 方案之间彼此不兼容而带来资金安全方面的问题,就失去了 Layer2 方案的意义了。

不过也并非完全没有可能,毕竟就算是 Layer2 方案不同,其底层也都是以以太坊底层为基础。如何构建一种彼此兼容的底层构件,让 Layer2 方案之间的互通性更为普遍,用协议约定的方式,方便不同 Layer2 生态下的 DeFi 之间能够良好兼容,这也是需要持续努力的方向。

 

场景3:可能用单向通道的方式来解决

在该场景下,A 应用采取了 Layer2 解决方案,而 B 应用仍然是原生的以太坊应用。那么 Layer2 方案对于复杂操作的支持灵活性,就变得很重要。支持简单的转账操作相对容易,而和原生底层的以太坊网络之间进行交互,就要考验到 Layer2  在智能合约支持、转账的完结性确认效率等方面的设计了。

值得提醒的是,在 Layer2 解决方案如何影响 DeFi 应用的可组合性这个问题上,目前实际的探讨、文献和实践案例并不太多,所以本文更多是起到抛砖引玉的作用,难免受到笔者本人认知局限的限制,还请读者批评指正。

以上是 3 种场景的简单介绍,下面我们重点探讨场景 1 的情况,即如果不同的 DeFi 应用采取了同样的 Layer2 方案,可组合性会受到什么影响。在那之前我们要先了解下 Optimistic Rollup 的实现原理。

Layer2 中文名为第二层扩展方案,鉴于以太坊处理能力有限、gas 费高昂的现状,Layer2 的项目近来热度上涨,而在诸多解决方案中,Optimism 公司所开发的 Optimistic Rollup 的方案,得到了包括 Vitalik 、Uniswap、Synthetix 等各方的赞扬或合作。

在 Optimism 测试网发布的同一天,知名合成资产平台 Synthetix 也公布了 Layer2 版本的 demo,采用 Optimism 的 Layer2 解决方案,进行 SNX 的铸造管理。

在许多人看来,OR 的方案优秀可靠,不仅具有以太坊的安全特性,同时不需要发币,OVM (Optimism 所创建的通用虚拟机)还可以完美兼容 EVM(以太坊虚拟机)。如此一来,提供了通用的方案,让诸多以太坊应用可以很方便的迁移升级,用 Layer2 增加应用的扩展性。之前的文章里,我们也对此做了更详细的介绍。

这里先解释下什么是 Rollup ? 简单说来,将多笔交易汇集,然后压缩至一笔交易中发送到以太坊之上,通过这种方式,用第二层网络分担了以太坊的交易压力,从而节省交易费用。

为了确保交易有效,让 Layer2 上的交易也像以太坊上交易一样,具有同样的安全性,不同团队也提出了不同的方案,常见的有 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 方案。前者用零知识证明来确保安全性,后者则参考了 Plasma 的惩罚机制。

3.2、众多项目认可的Optimistic Rollup方案

通过以上的分析对比,从各项目方对各类扩容方案的对比分析来看,最终Optimistic Ethereum 成为社区里最可能达成共识的扩容方案,尤其是Uniswap V3 和Synthetix选择Optimistic Rollup方案后,整个头部DeFi项目出于组合性考虑,大概率都会采用此种方案。

3.3、Uniswap V3 Unipig 选用Optimistic Rollup

Uniswap 正在开发其 V3 版本。Uniswap 的创始人 Hayden Adams 在 Twitter 上表示,V3 将“解决所有问题”,有评论者认为,Uniswap V3 将会实现 Layer2 方案。不过官方对此并未有更多的介绍。

作为 Uniswap Layer2 的示例 demo,Unipig 的方案早已于 2019 年 10 月份上线,展示 Uniswap + Layer2 的基本操作。地址见:https://unipig.exchange

Unipig 采用了 Optimistic Rollup 的方案扩容,演示了使用 Layer2 可能实现的 UX 改进,是由 Uniswap 和 Plasma Group联合创建的。

在当前的 Demo 中,Layer 2 充值和提现功能并未实现。而是通过空投测试代币的方式,让用户参与其中。Unipig 有一个统计页,列出来当前 Demo 采用 OR 的方案所带来的性能提升。

Uniswap 也不希望用户一直处在高手续费和拥堵的糟糕交易体验中,Unipig 的初衷是通过将 Rollup 带到公众视野来加速 Layer 2 的发展,并展示 UX 的优势,这是为 Uniswap 定制的。采用 Optimistic Rollup 方案的 Unipig 可以做到无 gas 手续费,也不需要像在以太坊主链上等待较长的时间,此外,它的吞吐量扩展到了 200 tx/s。

3.4、Synthetix 选择Optimistic Rollup的理由

Synthetix 是首个以太坊上的合成资产管理和交易平台,近期 Synthetix 跟 Optimism 团队合作,推进 Optimistic Rollup 在 Synthetix 平台的应用,创建 Layer2 的方案带来更好的用户体验。而具体而言,底层依赖的是 Optimism 创建的 OVM (Optimistic Virtual Machine) 作为支撑所有 Layer2 协议的虚拟机。 

9 月 25 日,Synthetix 启动以太坊二层扩容方案 Optimistic 测试网,用户可以在二层网络上进行快速交易。

据 Synthetix 的博客介绍,在 OE(Optimistic Etherum,即采用 Optimistic Rollup方案的侧链)上使用 SNX,是快速发展的 DeFi生态系统实现全面可扩展性的关键一步,让世界各地的任何人都能在没有高 gas 成本的情况下使用 DeFi。

下面简要摘录Synthetix创始人所述,选择Optimism扩容方案的理由

A、社会共识

凡事总得有所取舍,完美的扩容解决方案是不存在的。每种方法都有大方向上的权衡,而每种具体实现又有进一步的小范围的权衡。所有这些都以一个高风险的元协作机制为基础,因为光是选择正确的设计和权衡是不够的,我们还必须为其他人最有可能选择的方案而调整自身。因此,扩展变成不只是一个技术上的难题,它还是一个社会协作博弈。无论选择哪种扩容方案,都需要与其他项目合作,以求生态的融合发展。以太坊上最知名的项目Uniswap 的 Unipig 演示给了 Optimism 社区共识一个很好的机会。

B、技术因素

把Synthetix部署到Layer2上需要在最小化风险与减少对代码库的任何修改之间达成微妙的平衡。Synthetix是建在Ethereum上最复杂的智能合约之一,这无疑增加了维持不同代码库的难度。在将Havven network移植到EOS的失败尝试中首先发现了这个问题。

我们还需要向社区证明这项技术是可行的,且是值得我们进一步投放资源的,然后再尝试围绕它作为我们的扩容方案构建共识,OVM的交易演示也有助于加强这点。但仍有社区成员对这个方法保有忧虑也是在理的,因此即使社区共识已经非常明显偏向Optimistic Ethereum,我们还没到可以用SIP来测试它的地步。

但在我开始讨论具体的权衡之前,我想对用于执行智能合约的、现有的扩容方向提供概述对比分析:

  • 快速区块链,即“以太坊杀手”,其他Layer 1架构,非常快速的区块链
  • ETH 2.0,即2032年见 (开个玩笑)
  • 状态/支付通道,即“都能发送代币了,你还想要啥?”
  • 侧链,即xDAI那一套
  • Plasma,以Omisego为代表,也叫“虽迟但到”
  • 使用零知识的ZKrollup和其他解决方案,即你是否solidity的真爱。
  • Optimistic EthereumOptimistic Rollup,高能预警
  • Lightning,笑而不语

由于在迁移阶段需要保持使用同一个代码库,上述的大部分解决方案都被排除了。当然,很多解决方案都声称与EVM兼容,但这并非听上去这般简单——虽然Optimism突破了这个限制,也还需要对合约进行少量修改。但基于这点我们可以很快排除这些方案:快速区块链、ZKrollups、Lightning、状态通道、和Plasma。即使ZKrollup取得快速进展,目前的所有变体都需要用一种新语言来重写合约。这并不是不可克服的,只是这些语言的工具还非常不成熟,这会大大增加实现风险。

可能会有一些快速区块链支持者读这篇文章时会情绪激动,的确其中有些项目是与EVM兼容的,允许solidity合约在上面部署,但它们大多数有其他问题,使我们感觉会削弱它们的可行性。包括那些十分新颖的共识机制也还没经过反复测试来证明其可行性,或安全性大打折扣。

目前来说,普适性计算是状态/支付通道和Plasma第二个难以达到的要求。

那就只剩下侧链和Optimistic Rollup了。我们排除了像xDAI这样的侧链,因为我们需要为价值上亿美元的资产提供保障,在未来还会再增加几个数量级。如果有异议,feel free to 掰头 with me。

看完了全部的选项后,我们觉得Optimistic Ethereum呈现的权衡是最佳的,而且他们团队也非常有能力执行他们的路线图。

C、分阶段的Optimism

很明显Optimistic Ethereum还没有上线,因此还存在重大的执行风险,这也是为什么我还没提交关闭Layer1上的Synthetix的SIP。但是,在上述的选项中,结合权衡与风险来看,我们认为Optimism证明了它不仅值得Synthetix投入大量工作做迁移,还要带动DeFi的其他项目一起参与。这就是为什么我决定我们需要利用我们作为最老牌的DeFi协议之一的地位并承担早期实现的风险。我知道这会有利于在社区建立共识。到目前为止,社区的普遍接受程度很高,且还没有人反对给Optimistic Ethereum分配资源。

但是,随着我们越来越接近可能的主网迁移,我们提出了三大忧虑。

1)欺诈证明

2)中心化

3)提款延迟

最关键的技术问题是欺诈状态转变。有人说目前的实现阶段不包含欺诈证明,实际上,欺诈证明是包含在内的,但尚不支持自动生成的欺诈提交。Optimism团队选择了分阶段顺序的方法,以便在增加复杂性之前测试像储存与提款这样的特定功能。但是,这一点可以在测试网路线图里就声明,以避免用户疑惑。尽管在主网上线之前,自动提交欺诈证明这项功能就会上线。在欺诈证明功能不完备

的情况下,很明显是不会有主网上的资金可以存进Optimistic Ethereum网络的。对于任何提议迁移到一个低安全保障网络的SIP,我个人是会投反对票的,我也鼓励社区里的每个人都这样做。这也是为什么xDAI和其他POA (权威证明) 网络被认为不可用的原因之一,即安全性低。

另一个主要忧虑是Optimistic Ethereum呈现出来是去中心化的,但它有中心化的部分。我相信这个看法是被误导的,但它当然是有道理的。在过去几年,社区为提高协议的去中心化程度投入了大量的时间和资源,现在如果为了gas费和吞吐量而往后退,会是个糟糕的取舍。但事情不是这样的,排序者 (sequencer) 是在最少牺牲的前提下大幅提高用户体验的。

这些忧虑源自人们对Optimistic Ethereum网络中排序者的误解。大家需要知道排序者并不是必须访问Optimistic Ethereum的,它的存在是为了提高用户体验的。很多人还以为一个排序者意味着一个单点故障,这样的情况很不理想,但其实这种故障在L1的糟糕UX里早就存在了。当然,退回到Layer1的区块时间并不理想,但还有很多潜在的解决方案,包括如果活跃排序者出故障或被攻击,后备排序者可以替补上。所有这些忧虑都只是暂时的,因为目标始终是尽快转移到一个有排序者的网络里。

最后一个主要忧虑是提款延迟对跨层可组合性的影响——这个忧虑除了其他Layer1架构,其他所有扩容方案都会面临。这些延迟意味着在挑战期,资金都会锁在Layer2的网络,但还是有几种可变通的处理方法的。一种是搭建一个验证者网络,为桥的两边提供资金,并承担提供及时提款的风险以赚取费用。实际上,Connext已经开始往这方面开展工作了,这里有更多的细节。这并不能彻底解决可组合性问题,因为资金仍然需要在另一笔交易得以启动之前在主网上得到确认,但这基本上对所有扩容方案来说都是至关重要的,我们无法逃避。这也是为什么我认为所有的主要DeFi协议都应该尽早在Optimistic Ethereum上上线它们的并行版本。这会使得几乎所有目前的DeFi交易都在Layer2上发生。很有可能质押会完全迁移到Layer2,而交易合约将继续在Layer1和Layer2上平行运行。

需要明确的是,在“开始Optimistic Ethereum主网迁移”的SIP被提出之前,关于功能完备的主网的所有信息都需要公开。我个人有信心,这个条件在未来数月内会得到满足。

D、主网迁移后

关于Synthetix该如何迁移到Optimistic Ethereum仍然需要在社区内进行辩论。首先,我们必须在是否需要有一个并行且有限版本的网络在Layer2主网里发布这个问题上达成共识。一旦我们在此达成了共识,我们需要评估此次主网发布的结果并对迁移的其他部分进行形式化。

尽管Synthetix的DAO很可能在主网迁移后的前几周提供资金,但我们将需要一份SIP提议把最终协议奖励的1%分给Optimistic Ethereum。如果我们将部分的协议奖励分给这个并行网络,我们可以监测采纳情况和使得市场可以对迁移风险进行定价。预计收益会因为下降的gas费而比在Optimistic Ethereum低,但也有可能平台风险会导致更高的收益,因为大多数的SNX持有者会选择晚点迁移。

我的看法是通过抵押Optimistic Ethereum上的SNX铸造sUSD与当前通过抵押托管的SNX铸造sUSD差别不大。我们决定允许通过托管的SNX来铸造sUSD以最大化可用抵押品的价值。对于那些已经迁移到Layer2的SNX,如果想将它们迁回到某个点,这是可以实现的,这意味着这些SNX在网络里都会被视为有效抵押品,只是与在Layer1上的SNX状态不同。因此,在Layer2铸造的sUSD与Layer1上的sUSD应该是可以互相置换的。对此当然有反对声音,理由包括这个实现会是非常复杂的。我们必须采用对整个社区来说最合理的方法。

如果此次的迁移是有效的,我们就会有一个相当有力的杠杆可以影响其他部分的迁移:只需要继续转移更大比例的通胀奖励,直到全部都发送到Layer2以及所有活跃的、质押的SNX都发生在Layer2上。到时我们当然需要支持在Layer1和Layer2上Synth的兑换。因此,在这个过程里有大量相互关联的依赖关系需要处理。

我曾公开表示我相信Optimistic Ethereum将是现在与Eth2.0上线之间DeFi的出路。如果Synthetix社区的其他人都如此相信,我们需要计划如何加入这个网络并完全从Layer1迁移过去。我们当然应该谨慎为之,但Synthetix的勇士们从未在没十足把握的对赌中退缩过,我相信这是我们遇到的最大挑战之一。

为了执行这项工作,我们将需要一系列SIP和SCCP,列明每次发布里提议的变化以及背后的理由。这将确保最大限度的透明度以及得到所有持币者的同意。

E、后备方案

一般而言,以太坊扩容方案以及智能合约平台的竞争是动辄上几十亿美元的事业。在这个高风险游戏里,有非常多的竞争团队,因此尽管我们对Optimism有信心,还是可能有其他团队推出比他们优秀的方案。如果真的发生这种情况,我们必须做好将我们的工作中心转移到这项更有竞争力的技术的准备,特别是如果我们发现多个DeFi项目已取得了社会共识,决定从Optimistic Ethereum转到另一个方案。

我们必须为最差的情况做准备,即Optimistic Ethereum的发布失败了或中止了。在这种情况下,我们必须快速将资源转移到认真调研其他解决方案上,同时还要优化现存的Layer1系统。实际上,我们已经开始了应对紧急情况的准备工作。债务快照 (debt snapshot) 那份SIP的快速实现就是一个优化的例子,这个优化已经被搁置了很多个月,但为了解决在Layer1上迫切的gas问题,我们加快了这个实现。庆幸的是,我们得到了暂时的缓和,但它不能持续很久。如果因为任何原因我们无法就迁移到Optimistic Ethereum达成共识,我认为我们社区必须聚集起来一起选出另一个扩容方案,并团结起来推进它。虽然我认为可能性不大,但假装这是不可能的就过于轻率了。 

3.5、AAVE V2的Layer 2方案

AAVE 是以太坊上流行的资产借贷 DeFi 平台,目前排名前列。8月份 AAVE 称,其平台上用户抵押资产所得到的附息代币「 aTokens」(用于表示平台上的加密抵押资产)将集成以太坊改进提案(EIP) 2612,让授权实现无需消耗 gas。

在以太坊上的 DeFi 应用中,使用时往往需要预先发起一笔交易授权,才能允许下一步操作。而 AAVE 也表示团队正在积极研究,将 aToken 引入 Layer 2 方案。

11月12日Aave V2已在Kovan Testnet (测试网)上发布,但是并未提及相关Layer 2技术方案。

3.6、其他项目

Compound也在考虑转移到 Layer 2 或其他公链,8 月 21 日,来自 Graph 团队的 David Kajpust 在 Twitter 称,Compound 正在秘密考虑转移到 Layer 2 或其他公链,因为 Gas 费用实在过高。

Curve也表示未来会采用 Layer2 方案,8 月 17 日,Curve 团队的 Charlie 在电报群内回复网友信息时提到,未来(Curve) 会用到 Layer 2 解决方案和扩容,只是现在还没完成。我们知道,高昂的 gas 费对于散户而言并不公平,对我们,至少对我来说,这挺让人沮丧的。但目前未公布具体进展。 

参考文献

https://mp.weixin.qq.com/s/wdRI0SlbsFrUlbi-mH7TXA

https://www.mytokencap.com/news/156679.html

https://www.chainnews.com/articles/007101233152.htm

作者:新暴富志愿者小组,来源:DEFI新暴富

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