白話科普 Layer 2 — 主講 Rollup
以太坊 Layer2 擴容方案,OP 與 ZK Rollup 的比較
Author:ChangMinYu, NCCU MIS
Published on December 24, 2022
甚麼是Layer2 - 為甚麼需要Layer2
在了解Layer2之前,我們要先知道為甚麼需要Layer2,其主要是有兩大問題需要解決,分別是 :
1. 區塊鏈三角悖論
或稱區塊鏈三難,在以太坊進行Sharding分片鏈的升級之前,三角悖論一直無法被突破,為了保持去中心化以及保證第一大公鏈的安全性,可擴展性就被限制了。
2. 以太坊窘境
同三角悖論提及的擴展性問題,無非就是TPS過低(每秒最多約15筆交易)、交易GAS費用過高參與者難以接受、所有Dapp都建立在一條主鏈上過於擁擠造成的高負載。
因此,以太坊迫切的需要一個方案去應對高需求高負載的應用場景,應運而生了「不更動主鏈Layer1架構」的Layer2各種擴容方案,而Layer2也是Ethereum共同創辦人Vitalik點名必須存在、短期最好的擴容方式。
甚麼是Layer2 — 其他方案比較
了解了Layer2發展的必要性後,我們可以比較一下Layer2之外其他同為解決三角悖論的方案,分別是 :
1 /其他公鏈 (Layer1)
如BNBChain、Solana、Aptos等新興公鏈,各個都打著以太坊殺手的名號橫空出世,有的交易處理特別快、有的手續費極度便宜,但缺點也很明顯,其勢必也犧牲了某些東西,根本上並沒有突破區塊鏈三角悖論窘境。
🔺優點
.公鏈競爭激盪出很多創新技術,如Solana的POH共識機制
.避免以太坊一家獨大,分散Dapp到不同鏈,分散風險也增加使用場域
🔺缺點
.依舊沒有項目突破三角悖論,不是犧牲安全性就是
.不一定有EVM兼容,故可能會有較高的Dapp轉移成本
🔺與以太坊「完全競爭」
2 /分片鏈 (Sharding)
分片鏈解釋起來較為複雜,詳情筆者建議拜讀以下兩篇文章,文章敘述十分清晰,值得細品消化吸收!
🔺以太坊的「自我升級」
3 /側鏈 (Side Chain)
側鏈運行自己的共識機制,可能犧牲部份安全性與去中心化程度,目的是不被主鏈的共識機制所限制住交易速度和費用,但也意味不繼承以太坊的高度安全性。它透過類似跨鏈橋的方式與主鏈掛勾,透過鎖定主鏈資產、鑄造側鏈資產方式(如wETH),可以做到資產無痛轉換。
🔺優點
.與以太坊主鏈完全EVM兼容(OP-code Support)
.交易費用極低且非常穩定
.機制與Layer2類似但共識機制獨立設計,可擴充性性能很高
🔺缺點
.犧牲部分安全性,因不依賴主鏈共識,故安全性仰賴側鏈自身
.犧牲去中心化,Operator中心化管理跨鏈Bridge資金
.由於為自身共識系統,多需要獨立的經濟代幣系統維持獎勵生態
🔺與以太坊的「互補」
擴容的種類以及方案
1 / Rollup
Rollup L2 打包後透過主鏈的共識機制驗證有效性,本篇文章稍後將著重介紹 Rollup,故不於此贅述。
🔺簡要概念:「計算搬到鏈下、儲存搬回鏈上」
🔺著名項目: zkSync、Arbitrum
2 / Plasma
其機制類似側鏈框架,一個巢狀的區塊鏈,具有很高的擴展性,並且採用信任最小化機制,也就是沒有人提出審查請求,主鏈就會認為子鏈天下太平,且Plasma創造出了很特殊的資產退場機制,即「欺詐證明」,申請退出 Plasma 需要接受七天的挑戰期。
這套方案優點是擁有很高的擴展性,並有很高的開發靈活性、可玩性,但缺點也顯而易見,7天欺詐證明曠世費時較不Make sense。
這套方案為Vitalik 與 Joseph Poon 共同提出的,但在後來逐漸被冷淡淘汰,原團隊轉開發Optimism項目,曾經採用的Polygon Matic目前也已棄用,改採全方位擴容方案。
🔺簡要概念:「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目: Polygon(已淘汰Plasma)
3 / Validium
這套方案非常類似ZK Rollup,算是ZKR(ZK Rollup簡稱)的衍生品,差別只在Rollup之資料可用性(Data Availability,簡易來說即是將鏈上資料壓縮儲存的位置,即後續想追溯時能取得資料的地方)是在鏈上,而Validium是在鏈下,也就是其詳細交易資料不會同時上傳到鏈上。
所以最大的優點是吞吐量會大非常多,是目前Layer2方案擴展性天花板,缺點是安全性較差,鏈外的資料可用性管理者有辦法隨意凍結用戶資金等等。這套方案適合中心化交易所CEX採用,並在後來衍伸出Volition變種,即用戶可自行選擇Rollup/Validium 的混合模式。
🔺簡要概念:「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目: StarkWare(Volition)
4 / State Channel
中文稱狀態通道,簡單來說就是雙方約定好把預估要使用到的資產提前放到Layer1的一合約中,放入後多次的來回交易挪至State Channel通道中去執行,最後再將彙整的最終結果統一傳回Layer1上面,故適合多次反覆的小額交易避免每次交易的GAS摩擦成本。
而它的優缺點也很明顯,在高隱私性、低交易成本情況下,由於需要特定通道,無法傳輸給沒在通道內的用戶、也由於只匯總餘額結果故無法支援智能合約,無法根本性解決擴展性問題。
🔺簡要概念:「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目: Bitcoin Lighting Network(始祖)、RAIDEN、Layer2.Finance
由於以上介紹較為短淺,可以透過以下這篇文章獲得更深入的研究探討!
Rollup 介紹
1. 機制
將執行層以及儲存層共識層分離,交易與計算移至鏈外,只留最少的事情給主鏈做,即「 計算搬到鏈下、儲存搬回鏈上」,而Rollup意即中文的匯總,就是將「大量交易 Txn 壓縮」和「當前狀態摘要與簽名」數筆資料一起打包後,以 Calldata 形式傳回到主鏈上進行共識的驗證。
此外,上主鏈的費用會由包起來的交易平攤,大大降低個別交易上鏈的成本。這套架構的交易資料會上傳Layer1避免資料被Operator掌控,但交易成本就會高一點。而Rollup最大的重點在於如何證明Layer2交易的有效性,主要可以分成兩大陣營。
2. 兩大證明方式解決方案
Rollup競爭激烈的兩陣容分別是Optimistic Rollup以及 Zero-Knowledge Rollup。
1 / Optimistic Rollup
Optimistic 樂觀模型即假定所有數據都是正確的不會有人作惡,所以在Layer2資產退場回Layer1時並不需要攜帶任何的證明,但需要使用Plasma所留下的「欺詐證明 Fault Proof」之7天舉證時間,又稱為退出延遲,也就是想拿回Optimistic Layer2上的錢最快都要等7天時間澄清自己的清白。
*欺詐證明 Fault Proof:欺詐證明指的是一種資料有效性的驗證方式,若有人認為被同步的資料不正確,即存在詐欺行為,可在一定時間的舉證期內提出挑戰,會透過智能合約計算裁決出誰在詐欺並做出懲罰。
🔺優點
.EVM 兼容性佳,基本都能做到Dapp完全無痛轉移
.機制簡單開發容易,故易實施落地
.由於容易實施故生態系開發較早目前應用生態高度發展,龐大許多
.由於不須像ZK方協同ZK-Proof,打包體積一般都較小,「理論」上交易成本較低,但目前依照鏈上數據來看,OP的間接成本較高
🔺缺點
.資產轉移回Layer1很慢,七天的欺詐證明機制不方便,降低資金利用率
.可擴展性較低,極限TPS天花板約為1588
(TPS數據為限定條件情況下的測試,詳情條件假設可閱這篇文章)
2 / Zero-Knowledge Rollup
透過零知識證明來驗證交易有效性,機制是壓縮交易內容後,將所有交易的簽名使用ZK壓縮產生ZKP,最終將壓縮交易包與ZKP一同打包回傳Layer1。
雖然開發難度高上許多,目前產品也尚未成熟,但Vitalik 認定 ZK 才是真正的未來。
🔺優點
.資產轉移回Layer1非常快,因有ZKP的幫助,得以馬上驗證有效性
.安全性等同於Layer1
.可擴展性較高,極限TPS天花板約為12000
🔺缺點
.EVM挑戰,大部分無完美EVM兼容(OP-Code),並非做不到但難度高很多
.由於開發難度高故發展較慢,目前主流應用生態系相對較不健全
.ZK計算量龐大且需要GPU的支援較不環保,對定序器的硬體要求較高
Rollup介紹 — Rollup 比喻
這邊使用了「打麻將賭博」來做比喻,為了方便易懂省略了部分細節,僅供理解。
打麻將賭博,不會每一把都結算現金
每一把都結算現金 (想像成Layer1的運作方式)
缺點:一直給錢很麻煩、很浪費時間成本
優點:很安全不怕算錯錢,也不怕作弊鬼
1 / 採用 Optimistic的方式結算麻將
2 / 採用 Zero-Knowledge的方式結算麻將
Rollup介紹
OP Rollup 主要項目:
ZK Rollup 主要項目:
補充說明 (zkSNARK 以及 zkSTARK 加密方式):
- zkSNARK
. ZKP尺寸很小,交易成本理論上較低
.加密採用ECDSA等非對稱式加密
.無法抵禦量子電腦碰撞攻擊 - zkSTARK
.雖然ZKP尺寸較大,但算法較簡單且產生速度更快
.可擴展性更高一點
.隱私性更高一點,主要是因為初始塊不需要trusted setup
.加密採用抗碰撞哈希函數和隨機預言模型
.可以抵禦量子電腦碰撞攻擊
Layer2 實際應用
Layer2 困境
1 / 各個方案的定序器幾乎都高度中心化
目前Sequencer定序器節點 99% 都是官方運行,交易順序可以被控制,也能做到隱藏合法交易,純看官方Sequencer 單一節點是否誠實
🔺目前解法 1 :Metis 致力推動 P2P Sequencer 節點
🔺目前解法 2 :許多官方項目都正在朝開源前進,未來有望改進
2 / 生態發展可能性還須探尋
借貸協議、Dex 、 UniSwap 、 Aave 在 Layer2 TVL 極低,可能是因現貨交易、借貸等對交易速度不敏感,故其Layer2使用量還遠不如Layer1即使較便宜
🔺目前解法:只能等待 Layer2 技術成熟普及化
3 / zkEVM 兼容問題
目前還無法完全攻克在ZK Rollup 陣營的EVM兼容問題,比較有希望的項目可以關注Polygon以及Scroll
🔺目前解法 1:透過轉譯以適配EVM兼容但 GAS 花費徒增
🔺目前解法 2:轉念去做zkVM兼容,目標放遠不單專注在以太坊擴容上
4 / Optimisitc 七天詐欺舉證時間太長
Layer 2 資產轉回 Layer1 時,欺詐證明的等待期限過長,大大降低資產的流動性以及資產效率,也不太 Make sense
🔺目前解法 :如BOBA等服務商推出流動池,在舉證期先借給用戶
5 / ZK Rollup 計算量複雜且龐大
由於過程牽扯到複雜且龐大的密碼學數學運算,對於定序器節點的 GPU 要求極高且運算不環保,後續還有量子電腦衝擊的問題
🔺目前解法 :等待密碼學以及硬體設施的進步
未來可能性與結論
由於Optimistic 先天生上的詐欺證明期以及 TPS 天花板的劣勢,Optimistic
可能陣容遲早會變成輔助的角色。
Vitalik:「 ZK Rollups 的技術仍需要多年的改進才會成熟,但終將打敗 OP 成為主流 」
補充資料
1 / 值得看的深入分析報告與文章
🔺Layer2完整分析
🔺StarkWare 生態圈
🔺Layer2 EVM 兼容分析
🔺Arbitrum 完整分析
🔺Optimistic 機制完整分析
🔺區塊鏈第二層擴容方案 Plasma 和 Rollups
🔺STARK底層邏輯
🔺最全最細的零知識(ZK) 證明解讀
2 / 筆者整理的 Layer2 完整心智圖
網頁版:https://gitmind.com/app/docs/mkqos4f6
圖片版:https://imgur.com/gallery/hJGdWzo
3 / 筆者之前整理的ETH 2.0 POS介紹
雲端連結 :https://drive.google.com/file/d/144O9YsRxPVcUjvzbnfbsAhLqP_gGC9Gq/view
4 / 本篇文章之 PDF 簡報版本
雲端連結:
https://drive.google.com/file/d/11Fp0ugDh8PAC89apFnHS-cXXCP6oIpMp/view?usp=share_link
To Be Continued…
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