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ROL:Layer2的理解與思考_Kryptokrona

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Layer2是個大的話題。是否去中心化,是否安全,資金狀態確認時間是Layer2的主要的討論話題。最近有點時間,總結一下Layer2的理解和思考。

Layer2,相對于Layer1,在Layer1的基礎上提供更豐富功能,更好的用戶體驗。抽象一下Layer2的邏輯以及交互模型如下:

除了Layer1的交易外(入金),其他Layer2的交易都在Layer2執行。為了Layer2在必要時恢復交易狀態,所有Layer2的交易數據需要安全存儲。簡單起見,也為了和Layer1保持一樣的安全性,所有Layer2的交易數據一般存儲在Layer1。這種交易數據的隨時可訪問,稱為"Data Availability"(數據可用性)。所有的Layer2交易都在Layer2執行,并同步到Layer1。如何證明Layer2同步的狀態正確,不同的layer2方案有不同的實現方法。

Layer1區塊鏈ZetaChain針對驗證者的激勵測試網已上線并開放申請:3月18日消息,ZetaChain 宣布針對驗證者的激勵測試網已經上線并開放申請,并將獎勵積極為該測試網做出貢獻的經批準和合格的參與者。據悉,ZetaChain 是一種 L1 區塊鏈,通過支持 Omnichain 智能合約為加密帶來通用互操作性。[2023/3/18 13:11:59]

從Layer2狀態同步方式,Layer2分為兩類:一類是側鏈實現(Side Chain),一類是Rollup。側鏈,就是通過不同于Layer1的共識進行Layer2狀態向Layer1的同步。僅從這一點,整個側鏈的安全性,就降低到Layer2的共識的安全性。Rollup又分為兩種:一種是zkRollup,一種是Optimistic Rollup。所謂Optimistic Rollup,樂觀性Rollup,期望絕大多數情況下Rollup正確向Layer1同步狀態。同時,為了防止同步錯誤的狀態,提供了挑戰機制。樂觀預計挑戰的機率比較小。在需要挑戰的情況下,Layer1可以判斷正確狀態。zkRollup是最直接的狀態同步方式,通過零知識證明技術,在向Layer1提交狀態的同時提供狀態變化的證明。Layer實現分類如下:

以太坊Layer2總鎖倉量跌至42.3億美元:金色財經報道,11月21日,據L2BEAT數據顯示,當前以太坊Layer2總鎖倉量跌至42.3億美元,7日跌幅3.36%。其中,鎖倉量前五分別為:ArbitrumOne(22.2億美元,7日跌幅1.95%);Optimism(12.1億美元,7日跌幅4.53%);dYdX(3.89億美元,7日跌幅0.72%);MetisAndromeda(0.9256億美元,7日跌幅8.38%);Loopring(0.8363億美元,7日跌幅23.23%)。[2022/11/21 7:52:39]

zkRollup,按照采用的零知識證明協議又分為三類:1/ Groth16 2/ PLONK 3/ STARK。Groth16協議需要針對每一個電路進行初始設置(Trusted Setup)。PLONK協議在一定規模下的電路只需要一次初始設置。STARK協議不需要初始設置。但是,相對另外兩種算法,STARK協議,證明數據量大,驗證時間長。相對來說,在Layer2的場景下,PLONK是目前廣泛使用的算法。

dYdX上Layer2 Perpetuals總交易量達30億美元:7月12日消息,dYdX Protocol官方發推宣布,自4月份公開發布以來,Layer2 Perpetuals的總交易量已達到30億美元。同時披露了一系列關鍵數據,包括總交易量30億美元;OI2700萬美元;TVL4900萬美元;獨立用戶16700個(按存款);市場19個。據悉,dYdX和StarkWare已經就基于StarkWare的StarkEx可擴展性引擎(Layer2)和dYdX的Perpetual智能合約,為交叉邊緣的Perpetuals建立了Layer2協議。[2021/7/13 0:47:37]

STARK協議和SNARK(Groth16/PLONK)協議比較(來源于Matter Labs的github鏈接):

https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs

Layer2基礎協議MetisDAO官宣上線MetisSwap測試網:據官方消息,Layer2基礎協議Metis已于美東時間6月29日12:00上線MetisSwap測試網。MetisSwap是建立在Metis Layer 2 Beta測試網上的DeFi DEX,MetisSwap上線說明了所有的DeFi項目都可以在Metis Layer2 Beta測試網上運行。在 Optimistic Rollup領域,目前只有Metis和Arbitrum兩家向公眾用戶開放類似UniSwap的DEX應用。據團隊直播消息,MetisSwap Layer2 Beta測試網上可體驗1美分左右的低成本和1秒左右的高速交易。[2021/6/30 0:16:08]

總結一下,從安全性角度看,各種Layer2的排序如下:zkRollup,optimistic Rollup,側鏈。從提現的時間也印證了安全性,zkRollup的提現是分鐘級別,其他兩種方案,小時甚至是天級別。zkSync是比較完善的zkRollup開源項目。

zkRollup,雖好,目前存在很大的缺陷:可編程性差。

Layer2 DAO基礎協議Metis宣布戰略投資Opolis:據官方消息,美東時間5月25日,Layer 2 基礎協議Metis宣布戰略投資Opolis,并將合力推動DAO在技術層和立法層的落地。Opolis是一個為自由職業者構建的數字就業合作組織,是推動美國懷俄明州DAO立法的關鍵,合作組織中包括ETHDenver,MakerDAO, Gitcoin等以太坊生態的核心成員。Opolis旨在為自由職業者們(包括DAO的成員們)創建一個零工生態系統,Opolis為這些工作者提供全職員工才有的共享醫保待遇和各項福利,并根據發放的工資數額來對應分發WORK的代幣。

Metis將幫助Opolis遷移到Metis Layer 2之上,共同構建Web 3.0世界所需要的技術平臺和協作組織基礎設施,同時Metis將與Opolis一起推動DAO組織在加拿大、亞洲和中東地區的立法落地。[2021/5/26 22:44:43]

相對其他Rollup方案,zkRollup方案多了zk證明系統。也就是說,在Layer2每個交易除了“執行”外,還需要生成證明,證明執行過程的正確性。熟悉零知識證明技術的小伙伴都知道,零知識證明的安全性在于”電路“的安全性。對于Layer2,每種交易的處理”固化“為電路,電路邏輯完全公開。對應于每種電路,存在唯一的驗證秘鑰。驗證秘鑰用在Layer1驗證狀態證明。通過驗證的狀態證明,符合固化電路的邏輯。

關鍵就在于Layer2交易的執行和固化電路語義是否一致。公開電路就是一種共識方式,供所有人查閱電路邏輯。簡單的說,為了實現zkRollup,需要實現Layer2執行對應的電路。事實上,電路的實現相對復雜,沒有高級語言,很多情況下都是手寫R1CS。進一步,為了利用zk證明系統,為了優化電路的實現,整個Layer2的狀態經常優化為電路友好結構(merkle樹)。所以,zkRollup的系統需要考慮電路的結構,從而約束了Layer2交易以及賬戶模型。細心的小伙伴可以發現,不管是zksync/zkswap/loopring,都只實現了特定交易場景。

反過來說,如果需要通過zkRollup支持EVM的交易執行,需要將EVM的交易抽象成電路友好的賬戶模型。這種抽象并不容易,再者,EVM的描述電路可以預見比較大。從零知識證明的性能看,這方面會限制整個zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整個zkRollup方案的主要gas消耗為三部分(withdraw不考慮在內):

Transaction Raw Data:在zksync中稱為pub data。為了保證data availability,所有的Layer2的交易都會以裸數據的形式提交到Layer1。

Layer2 Block管理:在Layer2提交區塊狀態時,Layer1維護著Layer2的區塊結構和狀態。

驗證Layer2 Block狀態:在Layer2提交證明時,Layer1需要驗證狀態證明。

以一個區塊350筆交易,每個交易的Transaction Raw Data的大小為20字節為例,一個區塊處理的gas消耗:

雖然上述的數據不是精確值,但是足以說明交易原始數據在整個zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。從這個角度看,Layer2的有些項目選擇通過其他鏈下的方式存儲交易數據。

Optimistic Rollup兼容EVM。也就是說,Layer2支持可編程性,并且在以太坊上的程序幾乎無縫遷移。為了保證鏈上的狀態正確,這兩種方案都提供一段時間內的挑戰機制。挑戰者提供挑戰的證據,Layer1抉擇正確與否。

Optimism采用OVM執行Layer2交易。取名OVM是為了區分Layer1的EVM。因為提交到Layer1的狀態需要檢驗正確性,Layer1需要“重放”Layer2的交易,也就是說,Layer1在有些情況下需要執行OVM交易的執行。Optimistic Rollup最復雜的地方也在于此,用EVM模擬OVM,并執行Layer2的交易。可想而知,在Layer1的EVM模擬OVM的執行是比較繁瑣,消耗較大的操作。

Arbitrum也是采用挑戰機制。為了避免挑戰的gas費用低,Arbitrum引入了AVM:

相對于EVM,AVM是一個相對簡單的虛擬機。Arbitrum在AVM虛擬機上模擬EVM執行環境。也就是說,所有的Layer2交易都是在AVM執行,交易的執行狀態可以用AVM狀態表示。在提交到Layer1的狀態有分歧時,挑戰雙方(Asserter和Challenger)先將狀態分割,找出“分歧點”。明確分歧點后,挑戰雙方都可提供執行環境,Layer1執行相關操作確定之前提交的狀態是否正確。在Layer1挑戰的是AVM的狀態,分歧點的AVM的指令執行。

簡單的說,為了省挑戰的gas費用,Arbitrum采用了精簡的AVM(非常方便狀態表示),通過快速分割,在鏈上只需要執行一個指令,判斷狀態是否執行正確。Arbitrum介紹文檔中提到,整個挑戰需要大概500字節的數據和9w左右的gas。在AVM的基礎上,Arbitrum設計了mini語言和編譯器,模擬了EVM的執行環境,從而兼容EVM。

Layer2,相對于Layer1,在Layer1的基礎上提供更豐富功能,更好的用戶體驗。資金狀態確定性時長,安全性,可編程性是目前討論的焦點。zkRollup是資金狀態確定性最快的方案。optimistic Rollup/側鏈具有可編程性。zkRollup支持EVM的證明是個期待的方向。

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