CatcherVC Research：深度解讀Optimism擴容方案_GAS:以太坊

作者：Web3erLiu，CatcherVC本文重點

出于對安全和去中心化的考慮，ETH區塊Gas上限和出塊時間無法大改；Layer2擴容的實質是造一條TPS更高的鏈，把這條鏈的信息掛到以太坊上；Optimism的市場增值空間極大，其TPS上限可達1600，但吞吐量的實際利用率不到千分之一，未來發展潛力巨大；由于未開放對等節點，Optimism本地Sequencer出塊后，甚至要1小時才可以驗證其正確性，延時過長；當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行出塊節點，存在嚴重的中心化問題，其立足根基更多在于項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；Optimism在進行EVM等效性升級后，其“欺詐證明”機制無法使用，官方稱將于未來解決該問題。前言

隨著ETH合并正式邁入進程，Layer2和Rollup在區塊鏈行內逐漸成為顯學。究其本源，Layer2的目的是提高系統每秒處理的交易數量，并降低Gas費。前者是整個Layer2擴容的最核心要點，后者則是提升Layer2交互體驗的關鍵。依照其定義，TPS=一段時間內處理的交易筆數/耗時，套用在區塊鏈領域，若忽略分叉或區塊重組等情況，可粗略視TPS=平均每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間。對普通公鏈而言，提升TPS面對的是區塊擴容和出塊時間問題，同時，TPS的實際值還牽涉到公鏈采用的Gas機制，無論是ETH還是BSC和Polygon都不出其右。但提升區塊Gas容量或縮短出塊時間都會破壞安全性，究其根源，以太坊擴容要面對的是“不可能三角”問題，要如何提高效率，又保障安全和去中心化，始終處在紙上談兵、懸而未決的階段。對此，以Optimism和Arbitrum為代表的Layer2憑借高效率、低Gas的旗號快速崛起，頗為矚目。在靠著精妙敘事吸引各路資本、靠著超低Gas收獲廣大用戶的同時，其固存的中心化問題卻日漸明晰，引起越來越多的關注與質疑。本文將以重要細節揭示在確保去中心化的前提下，Layer1擴容所面臨的困境，以及典型的高效Layer2項目存在的重大問題。以太坊的Gas機制

決定以太坊效率的關鍵因素之一是其所采用的Gas機制。在以太坊系統中，Gas是一種計量形式，反映了不同操作的復雜度。就像汽車行駛需要消耗汽油一樣，在以太坊上交易會產生Gas消耗。一筆最簡單的ETH代幣轉賬，Gas消耗為2.1萬。其他類型的操作，如普通的ERC—20代幣轉賬，或更復雜的合約交互，可產生幾萬甚至數十萬的Gas消耗。以太坊的單個區塊有Gas上限，限定了一個區塊內全部交易指令可消耗的Gas總量，這就好比冰箱塞滿后就不能再裝東西。在去年的EIP-1559實行前夕，單個區塊的Gas上限約為1500萬，粗略算來最多可容納714筆ETH代幣轉賬，若將平均出塊周期13秒置入TPS計算式，則EIP—1559前以太坊的理論TPS上限是55。

區塊鏈基礎設施初創公司Cata Labs完成420萬美元融資:金色財經報道，區塊鏈基礎設施初創公司 Cata Labs 以千萬美元估值完成 420 萬美元融資，本輪融資由 Spartan Group 領投，Robot Ventures、Maven 11、Alchemy Ventures、HashKey Capital、Circle Ventures 和 Superscrypt 參投。Cata Labs 正在構建 Catalyst 跨鏈橋，旨在使區塊鏈之間的通信更加容易。[2023/4/27 14:29:06]

但現實中很多交易是Gas消耗較高的合約交互，會大幅占用區塊的Gas容量，實際的以太坊TPS均值被壓低到20，擁堵不堪，這使得大量潛在的交易需求被排擠在鏈外。由于單筆交易的手續費=GasUsed×GasPrice，而GasUsed由系統決定，可視為常量，用戶發起交易后要付出比別人更高的GasPrice，才能率先被系統響應。最終，因系統特性產生的的供需缺口造就了高昂手續費，讓無數人叫苦不迭。

歸根結底，ETH本質上是關于交易權限的拍賣平臺，GasPrice就是競標者的出價，交易權限的歸屬由供需雙方通過競價機制撮合達成。這種設計契合區塊鏈的自由市場原則，卻埋下了內卷的種子。縱觀以太坊的歷史，每逢有“加密貓”“5.19”一類的熱點事件激發交易需求，ETH鏈就會出現激烈的GasWar現象，誰付出的GasPrice越高誰的交易先上鏈，劇烈的價格戰讓GasPrice水漲船高，不能支付高昂手續費的用戶被拒之門外，這使以太坊成為名副其實的“貴族鏈”，引發了無數爭端，也讓EIP—1559一度成為許多人眼中的“救星”。但從事實來看，在去年備受矚目、對區塊的Gas機制做出大幅調整的EIP-1559，其核心作用也只是讓GasPrice的浮動范圍更可控，并降低ETH的通脹率及拋壓，而非直接壓低GasPrice或取締Gas競價機制。雖然該提案將ETH區塊的Gas上限提升至3000萬，但只要新區塊的實際Gas消耗超過1500萬，下一個區塊內的GasPrice就會在系統調節下逐級漲價，這個過程可以持續多個區塊的時間，直到GasPrice極高，攔住絕大多數人，讓新區塊可收納的交易數驟減，Gas消耗量回落至1500萬為止。

觀察統計數據，可以發現在EIP-1559施行的前后6個月內，以太坊的每日Gas消耗僅有不到10%的提升。考慮到這6個月內出塊周期穩定在13~13.5秒，則ETH每日出塊6500~6650個，每個區塊的Gas容量始終穩定在1500萬上下，并無明顯變化。

Cathie Wood：比特幣會像玫瑰花一樣綻放:金色財經報道，ArkInvest首席執行官Cathie Wood人近日接受彭博電視訪問時討論FTX的隕落、數字貨幣的未來、埃隆·馬斯克治理推特的理念、美聯儲的加息策略等問題時。Cathie Wood表示，看看區塊鏈，以比特幣區塊鏈和以太坊為例，他們是存在基礎設施的，在整個危機中科技這一環節沒有出現問題。事實上比特幣的算力是歷史上最高的，也代表網絡具有足夠的安全性。以太坊市值接近240億美元，這是歷史最高水平，所以我們認為基礎設施運行得很好。就Coinbase而言，這是一家受監管的在岸公司，想要幫助制定監管規定。Coinbase未來表現應該會非常強勁，它剛剛失去了一個非常強大的競爭對手，FTX。[2023/1/23 11:27:17]

由于EIP-1559沒有真正改變區塊的Gas含量，以太坊的TPS沒有被改善，手續費居高不下，大量的潛在用戶仍滯留在以太坊系統外。根據相關數據，當前的ETH擁有近2億個獨立地址，每日處理的交易筆數僅有100多萬筆；相比之下，Gas費較低的BSC每日處理的交易筆數高居500萬以上，其獨立地址數卻不到1.5億個。粗略估算下，ETH網絡最多滿足了約15%的交易需求。出塊周期

從另一個角度看，由于TPS=每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間，出塊周期也是關系到TPS的關鍵。同時，出塊周期中的幾個階段可映射以太坊業務邏輯中的不同組分，這正是Layer2擴容思想的關鍵點。需要強調的是，以太坊是由大量服務器節點組成的系統，其業務邏輯包含執行、共識、多方存儲3個部分。其中，泛指對交易事件等指令進行處理，得到結果；指所有節點都認可執行的結果；指多個節點都存儲相同的內容，并可供外界讀取。在部分資料中，也將稱為，將稱為，這些叫法實質是互通的。而一個出塊周期由以下步驟構成：首先，礦池節點間通過選出一個優勝者，由其來完成交易的過程，制作新區塊；需要暴力窮舉隨機數，消耗大量算力，這些任務由礦池內的礦機完成，耗時較長；優勝的礦池節點會按照GasPrice的高低，從等待上鏈的交易事件中抓取一批來，得出結果，然后把交易信息和結果一并納入新區塊；之后，新區塊會被傳播給所有的以太坊節點，內容會被檢查。具體而言，檢查區塊的節點會讀取其內容，把里面的交易再執行一遍，看出塊礦池提交的數據是否正確。這就實現了；最后，若新區塊通過檢查，節點們會收錄新區塊，完成。所以，一個新區塊會被復制超過2000份，存儲在全網的以太坊節點里。更具體的說，所有的礦池節點、所有的全節點都會存儲一份。通過這種形式，以太坊節點間近似實現了“一致性”。

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綜上，以太坊的一個完整出塊周期，包含+++4個階段。其中，和階段耗時最長。由于以太坊的礦池和全節點合起來超過2000個，這些節點要達成會產生大量的通訊時間；而是具備彈性的時間填充工具，其設計初衷就是為了讓出塊周期穩定在15秒左右。為何要讓出塊周期固定在13秒？這是出于對安全性和去中心化的考量后，所得出的較優解。由于以太坊節點眾多，且物理位置分散，出塊太快會增大節點間信息差，破壞；比如，如果將以太坊出塊周期降至0.1秒，而將信息傳播至美國和歐洲的不同節點時，存在1秒的時差，那么美國和歐洲的節點間就會存在10個區塊的信息差異，這就違背了區塊鏈的設計理念。

如果強行將區塊擴容，也會加劇不同節點間的信息差。比如，若將ETH區塊的Gas容量提升10倍，則每個區塊包含的交易數量會提升10倍，不同節點間可產生的信息差也會增加10倍。按照相關資料，直到以太坊完成POS轉型前，其出塊周期都會穩定在13秒，轉型POS后，出塊周期也只會縮短1秒，穩定在12秒。如此算來，POS轉型最多會讓以太坊的TPS提升10%，有如杯水車薪。目前，在保證安全性和去中心化程度不變的前提下，ETH的區塊Gas容量與出塊時間基本達到理論上的極限，已無太大優化空間。OPRollup擴容方案

如前文所述，出于周全考量，以太坊的區塊容量和出塊周期無法做出太大變動，其TPS基本維持在20以下，近兩年來從未有太大改善。對此，ETH官方以外的擴容方案走上了不同的道路。BSC、Polygon等完全獨立于ETH的公鏈對區塊參數做出了修改。以BSC為例，目前其區塊Gas容量上限為8000萬，可達ETH的2.7倍；同時，BSC將參與共識的節點數量壓縮至20幾個，僅為ETH的1%，極大壓縮了節點達成共識的時間，出塊周期縮短到了3秒。這雖然將TPS上限提高到了以太坊的10倍以上，但卻與ETH網絡“百煉成鋼”的安全性完全割裂，去中心化程度也遠低于ETH。

Cathie Wood：區塊鏈技術、DeFi和NFT是2022年關注的大趨勢之一:金色財經報道，ARK Invest 創始人兼 CEO Cathie Wood 在接受《時代》雜志采訪時表示，2022年她主要關注的五大趨勢分別為：DNA 測序、機器人技術、新能源儲能、人工智能、區塊鏈技術。Wood 表示，區塊鏈技術中最新的發展是去中心化金融（DeFi）和非同質代幣（NFT），DeFi 將從傳統金融服務公司中獲得大量市場份額，NFT 將很多權力重新投入到創作者的手中，2021年 NFT 的激增令人著迷，它們將在 2022 年繼續發展。（coindesk）[2022/1/23 9:07:05]

以Rollup為代表的Layer2則秉持不同的理念。雖然其本質也是以太坊之外的公鏈，但仍在很大程度上依附于以太坊的安全性。比如，OPRollup會把Layer2的區塊鏈副本壓縮存儲至以太坊主網，同時：Layer2本地的出塊周期僅保留交易的階段；被取消；功能被轉移至以太坊網絡；過程由Layer2的驗證者節點完成，但并不包含在Layer2本地的出塊周期內。Optimism的原理

以OPRollup方案中最典型的Optimism為例，其4個最重要的模塊分別為Sequencer、Verifier、CTC、SCC。其中，Sequencer和Verifier是有硬件實體的Layer2節點，兩者基本構成了Layer2的節點網絡；CTC和SCC是部署在以太坊上的合約，這4個模塊組成了Optimism的核心架構。

Sequencer是一個中心化的礦池節點，負責在Layer2本地出塊。Optimism取締了過程，由唯一的Sequencer擔任礦工，且不會立刻讓其他節點做驗證，這節省了大量時間。目前的Sequencer執行完交易馬上就能敲定區塊，本地出塊時間甚至只需1秒，從根源上提高了TPS。但是，Sequencer具備很強的中心化特征，它實際上制造了一條獨立于以太坊的側鏈，若沒有和流程，必然缺乏安全保障。為了解決這個問題，Optimism在其早期文檔中指出，Sequencer必須質押一定量的資產，并且：每隔幾分鐘，Sequencer節點會把本地區塊的壓縮版本存儲至ETH主網；這些內容包括交易數據的摘要，以及交易發生后的狀態根StateRoot。這個過程就是Rollup；交易數據的摘要被存入ETH上的CTC合約，對應的狀態根存入SCC合約。這會產生兩筆交易事件，此過程中，以太坊系統只負責內容，不會去檢驗正確性；Layer2的Verifier會自動讀取Sequencer存儲至以太坊的內容，對其進行審查，這個步驟與以太坊的類似。當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行Sequencer節點，存在嚴重的中心化問題。

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CTC和SCC是Optimism官方部署在以太坊上的合約，兩者以Batch的結構，分別記錄了Layer2交易數據的摘要，以及每筆交易執行后Layer2狀態樹的根哈希值。從外觀看，CTC和SCC就像兩個賬單列表。

Layer2的Verifier會自動讀取CTC和SCC這兩個合約中的記錄，盡量拼湊出Sequencer本地的區塊內容，并進行驗證。若Verifier發現Sequencer提交的數據有問題，便可發起質疑，并提交自認為正確的版本，挑戰成功便可改寫CTC與SCC中的錯誤數據，并獲取一定量的代幣獎勵；Sequencer若被挑戰成功，確認有不誠實行為，則受到一定懲罰，其質押的資產會被扣除一部分；若質押余額低于劃定的閾值，則Sequencer被強制除名，不再有出塊資格；以上便是“欺詐證明”機制，指Verifier可披露Sequencer的欺詐行為。Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉，而新版的“欺詐證明”程序尚未發布。按照此前技術文檔，Optimism將挑戰的窗口時間設置為7天，若7天內沒有Verifier發起挑戰，則Sequencer發布的內容被敲定，無法再改寫。從本質來看，Optimism是由Layer1和Layer2上的軟硬件實體組合成的跨域交互系統，其獨特的業務邏輯是在以太坊上構造Layer2區塊的映射版本。由于需要跨域傳輸信息，Optimism的Sequencer和Verifier需要運行以太坊客戶端Geth的山寨版：L2geth，通過該軟件，Sequencer方可實現橫跨Layer2和Layer1的交互。Optimism的Gas機制及其細節

在Gas費問題上，由于Optimism業務流程有向以太坊存儲數據的步驟，其每筆交易的Gas費=Layer1部分+Layer2部分，而Arbitrum和Metis等其他OPRollup方案也不外如此。其中，Layer2部分主要涉及Sequencer節點執行交易的費用。由于Sequencer的TPS上限極高，且當前Optimism的用戶較少，其本地GasPrice超低。計算公式為：L2Gas費=L2GasUsed×L2GasPrice。

據OP官方披露，一筆交易的Layer2部分僅占0.4%，剩余99.6%的Gas開銷來自于Layer1部分。將其轉化為簡單的算式：0.4%×執行費用+99.6%×存儲費用。不難看出，交易的執行費用已經被大幅縮小了。所以，執行步驟越復雜的交易，在Optimism上可節省的成本越多。比如，以太坊上一次要100美元的期權操作，在Optimism上只需要1.5美元左右，僅為1/60；以太坊普通轉賬要3美元，Optimism可能要0.3美元，為1/10。而Layer1部分的Gas費，公式=比例系數×。其中，固定開銷來自于打包數據和跨域傳輸的過程，存儲開銷是在ETH上存入數據產生的Gas，比例系數則由Optimism官方設定，主要是為了預留出一部分資金，防止ETH主網Gas價格激增，無法把數據順利存上鏈。

若想深入理解，可以觀察Rollup和存儲的具體步驟：在將一批交易數據存儲至以太坊前，Sequencer會壓縮內容，然后將這批交易組合成Batch，傳輸給ETH網絡節點。每個Batch可包含幾百筆交易數據，就像區塊一樣。發布Batch的時間周期由Sequencer動態調整，目前約為3~10分鐘左右。所以，打包和傳輸Batch的過程必然有工作量，這會消耗一定的計算資源，固定開銷可以填補這部分成本。目前，Optimism上每筆交易的固定開銷Gas為2100。Optimism官方表示，隨著未來用戶規模擴大，每個Batch收納的交易數量增加后，固定開銷將進一步下調。而在Layer1上存儲Batch時，Sequencer會以文本數據Calldata的形式向CTC合約傳入Batch信息，一般而言，文本數據只用于存儲，不會被用于執行運算。比起普通的合約調用，這一步大量節省了Gas。

一般每隔幾分鐘，Sequencer就會向CTC傳輸一個交易Batch，其體驗就像在以太坊上構建由交易Batch構成的鏈表。之后，Sequencer又會將交易Batch對應的狀態根Batch存入SCC合約，該過程與上面提到的類似。

以上過程會消耗Gas，具體的Gas消耗量視存儲的內容多寡而定。不同的交易類型會產生不同的數據量，存儲費用也不盡相同。OPtimism的理論TPS上限究竟能達到多少？

要探究Optimism的理論TPS上限，我們應當設想一種臨界狀態：Sequencer本地出塊速度遠高于以太坊主網，那么Layer2原生內容和Layer1副本內容之間一直有信息差△。隨著Layer2用戶增多，實際TPS激增，Layer2和Layer1間信息差△可以被擴大；當Optimism逼近其理論TPS上限時，Layer2和Layer1間每秒的信息差△可以非常大。所以，此時Optimism必須盡快向以太坊主網提交數據，不惜一切代價同步數據；最終，Sequencer發起的指令，占用了以太坊區塊的全部Gas，也即以太坊上全部可用的資源，都為Optimism所用，每一個以太坊區塊里收納的都是Sequencer提交的數據；以EIP-1559后每個以太坊區塊的Gas上限為3000萬來計算，若Optimism本地執行、向以太坊提交的也都是最簡單的轉賬操作，則此時Optimism的TPS上限約為1600左右。

綜上所述，Optimism的TPS上限至少為以太坊的16倍。考慮到目前Optimism用戶太少，實際TPS甚至不到以太坊的3%，其發展空間最大可達現在的500倍。對以上內容進行整理，結合實際調查，在此歸納得出：Sequencer節點自己制造了一條TPS極高的區塊鏈，這便是擴容之源。雖然效率極高，但因其高度中心化，Sequencer可能作惡或宕機；為了增強安全性，Optimism要求Sequencer質押一定資產，并要求Sequencer在ETH主網上披露Layer2區塊關鍵信息，Verifier會自動讀取，檢查準確性；由于存儲在ETH上的交易數據是被壓縮過的，且以太坊節點不負責具體執行這些交易，不負責驗證數據的正確性，這可以大量節省Gas。目前，在Optimism上執行復雜的期權操作，Gas費可低至以太坊的1%。

Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重的滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。由于延時過長，可存在多種類別的攻擊場景，這對Optimism的安全性是潛在的威脅。

Verifier受到的激勵=挑戰成功的代幣獎勵－節點運行成本。發布“欺詐證明”且挑戰成功是一個不可預測的事件，概率不高，所以Verifier受到的激勵不強，此類節點的數量不易擴充，共識和安全性仍然弱于以太坊。如前文所述，擴充Verifier最有效的方式是增強激勵，或者開放對等節點網絡。對于尚未發行代幣也未開放對等節點的Optimism而言，難以像Metis那樣通過自己發行的代幣激勵驗證者。所以，當前的Optimism在如何擴容驗證節點規模、增強驗證的時效性上，均面臨著不小的挑戰。值得注意的是，目前Optimism和Arbitrum等OPRollup的Sequencer節點均由官方提供，所以，Sequencer懲罰機制是否有效，尚且存在爭議；目前Optimism和Arbitrum的安全性更多來自于項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；頗為重要的是，Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉。而新版的“欺詐證明”程序尚未投入運行，目前挑戰機制無法生效。結語

盡管如今的Optimism炙手可熱，表現出巨大的發展前景和增值空間，但如前文所說，其仍面臨著過度中心化的問題。GavinWood曾說：“真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。”如果無法及時讓用戶參與網絡維護，那么所謂的Layer2將和傳統金融平臺毫無區別。

在靠著理想化敘事制造擴容愿景的同時，已經“大而不倒”的Optimism該如何走向去中心化之路，兌現“欺詐證明”機制和多Squencer輪換的設想，還有待時間去考證。但可以確定的是，從長期看，只有真正的去中心化可以在歷史的風沙之中屹立不倒，永世長存。參考文獻《TheRoadtoSub-dollarTransactionsPart1:SlashingFeesby30%》《一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比》

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