干貨 | 深入理解以太坊各個Layer2擴容解決方案_ROL:The Troller Coin

自從Defi熱潮席卷以太坊，導致以太坊擁堵，Gas費用創歷史新高。我們一直以來關心的以太坊擴容的現實問題：在以太坊2.0尚未推出，更為貼合實際的Layer2方案有望解決以太坊的擴容問題。

這次，分布式課堂邀請了Celer團隊的Michael著重講述「鏈下」技術，它們包括狀態通道、Plasma、RollUp等。

，獲得計算機碩士學位。Michael目前在Celer負責對于區塊鏈技術，特別是各種二層擴容技術的研究，他參與了通用狀態通道、狀態守衛者側鏈(SGN)以及HybridRollup等的核心設計和開發工作。）

狀態通道

優點：延遲低，實時性高

缺點：用戶人數有限，資金利用率低

用途：小額支付/預測市場/賭球賽馬

一般情況下是雙方會在鏈下建立一個狀態通道，通過交換私鑰進行簽名以后的信息，并在鏈下進行交易。當時比特幣比特幣實現了名為閃電網絡的支付通道網絡，把這個狀態通道互相連接起來：即使用戶沒有直接狀態通道，也可以通過幾個中間節點把它一一層一層地轉發過去，相當于channelnetwork。

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基本上，狀態通道的延遲能做到互聯網的延遲。比如說服務器之間的延遲是多少，這個狀態通道的延遲就是多少。市面上通過其他鏈發送交易的速度是秒級的。但是狀態通道的話，一般都是毫秒級的。另外，它還有一個優點就是實時性非常高。

狀態通道是一種scaleup的手段。scaleup的意思是用技術手段線性地將區塊鏈擴容，比如說像分片。比如說以太坊2.0要啟動64個分片，然后它的容量就增加了64倍。而對于狀態通道來說，他現在能支持1000個用戶同時在線，未來可能最多支持到64000個用戶，這個數字還是很低的。

盡管狀態通道的scaleup是說你節點數量越多，你的網絡越大，你的容量越大。這只是一個很美好的設想，實際上它受到了一個很大的限制——lowliquidityutilization。狀態通道是要這個雙方都把這個錢存到鏈上的通道，之后再互相進行發送支付。第一步，就是要把錢存到鏈上去，這個錢是有限的。就是你比如說手上你有1000個以太，狀態通道只能發送1000個以太。如果你突然發送一筆2000以上的以太，它就無能為力了。

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因為容量可以擴容，然而資金流動性卻沒有辦法擴容。如果一個用戶給另一個用戶發送一大筆錢，那中間每一個轉發的節點都要有這么大的容量，在現實生活中是不太可能的。等大家把這么多錢都鎖到一個狀態通道里邊，如果只能用狀態通道轉發的話，這個效率是非常低下。

狀態通道只能支持小額支付。像閃電網絡其實并不大，可能和資金利用率低是有關系的。另外，把一般的dAPP搬到狀態通道是相當難的。我們曾經嘗試把五子棋搬到狀態通道上。盡管我們寫了sdk，讓別的項目的開發去用，他們還是覺得這個開發是相當難的。

另外，狀態機只適用于這個固定的人數。就是你要把uniswap放在狀態機上是不現實的。因為在這個dAPP的用戶是無限量的，沒有一個固定的用戶集。即使你把棋類游戲或是稍大的PC游戲搬到狀態通道上，這些游戲也必須寫成狀態機的形式。他們每一個狀態的轉移，要非常清楚地寫出來。

比特幣全網未確認交易數量為20591筆:金色財經報道，據BTC.com數據顯示，目前比特幣全網未確認交易數量為20591筆，全網算力為3483.86 EH/s，24小時交易速率為3.25交易/s，目前全網難度為47.26 T，預測下次難度下調1.31%至47.26 T，距離調整還剩9天23小時。[2023/4/11 13:55:43]

理論上，你可以把任意單機游戲都搬到狀態通道上。但現實中沒有人會去這樣做，除非你是非常不信任游戲服務器。一般來說，預測市場以及賭球賽馬，是可以搬到狀態通道上的。

側鏈

優點：代碼和數據獨立

不增加主鏈的負擔

缺點：安全性弱

側鏈的本質就是在這個基礎層上再搭一個鏈，然后用完全另外一套驗證人。它的整個安全性是分開的：主鏈有主鏈的安全性，側鏈有側鏈的安全性。

主鏈從POW轉到POS會有更強的安全性，但側鏈的驗證人偏少，安全性也較弱：比如說Cosmos才只有100個驗證人。

側鏈的TPS取決于它的驗證人。驗證的人數越多，它的TPS會越低。側鏈的延遲是相對低的，比狀態通道的毫秒級高一些，比主鏈的十幾秒幾十秒延遲低很多。

Coinbase：非常重視有關搶先交易的指控，對非法行為零容忍:金色財經報道，Coinbase的一位發言人在一份聲明中回應了悉尼科技大學研究人員的一項研究稱，“Coinbase非常重視有關搶先交易的指控，我們努力確保所有市場參與者都能獲得相同的信息。作為這項工作的一部分，我們已采取措施將資產測試和集成步驟中出現技術信號的可能性降至最低。我們對非法行為零容忍，并對其進行監控，并在適當的時候進行調查。”

此前報道，悉尼科技大學研究人員的一項研究發現Coinbase內幕交易實例超出7月份被指控范圍。[2022/8/18 12:32:43]

狀態通道的安全性就是雙方互相簽過名，就具備主鏈的安全性。只要一方做惡，另外一方都可以提交到主鏈，把它這個爭議解決掉。而側鏈的話就是你要信任多數的驗證人是好人，所以它的安全性要比主鏈低很多。

Rollup/Plasma

Plasma：缺點是無法應用到智能合約上

用戶跑節點的負擔重

RollUp：優點是數據在鏈上，

可以隨時驗證

鏈下支付可以用任何代幣支付

而鏈上支付只能用ETH

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Rollup是19年慢慢火起來的一個概念。和Rollup類似的Plasma，是以太坊上也是V神認為大有希望的一個解決方案。Plasma的問題是它只能夠把支付做好，對于稍微復雜的智能合約卻無能為力。作惡的一方是不會把數據給你提交上鏈，以至于這種爭議至少要等兩個星期才能解決。這個過程是對于用戶來說難以接受的。另外，由于Plasma的數據都在鏈下，用戶跑plasma的節點負擔是很重的：你跑的時間長了，就會消耗幾十個G或者幾百個G，是手機無法承受的。

19年有人提出了RollUp，在我看來是一個中間道路。RollUp就是鏈下的計算+鏈上的數據+Fraudproof。然后它最關鍵的一個點就是不是所有數據都在鏈上，它的鏈上數據僅僅限于它每一筆交易的輸入，但不包括它的最終狀態。比如說，你從a走到b，我只是把路徑告訴你了；但是你具體在a做了什么事，在b做了什么事，這種狀態是記錄在鏈下的。

任何人任何用戶都可以去看RollUp的區塊，也就是打包后的交易，然后把它這個狀態的轉移重新更換。如果狀態轉移是錯的，用戶就可以在鏈上提交Fraudproof，并將驗證人淘汰掉。因為驗證人在鏈上是有質押的，如果他作惡的話，他的質押會被沒收掉。且雖然不是每一筆Rollup都會進行驗證，但是驗證人會一直跑，一旦發現有Fraud，就可以拿到相應獎勵。這個過程可以理解為任何人都可以進行抽查以及督察。

他的好處是數據都在鏈上，可以任憑用戶隨時去驗證，不會出現像plasma那樣的數據可用性問題。且驗證的結果具有唯一性，驗證人鏈下把這個智能合約跑一遍，就會發現驗證鏈下的計算是否按照鏈上的智能合約。從經濟學角度來說，一般的驗證人不太會去做惡，因為他的質押額太大了。

RollUp和Plasma其實非常類似。只是Rollup把數據放到鏈上去，FraudProof的過程會非常簡單。Rollup的TPS會在主鏈的幾百倍左右，一般是在幾百上千的級別；根據不同業務，如果應用簡單一些的話，應該可以做到幾千級別。而plasma的TPS最高能到上萬。

OptimisticRollUP/ZKRollUp

OptimisticRollUP：

可以支持通用的智能合約

缺點：需一到兩周時間去跑證明

ZKRollUP：可以支持支付以及DEX

缺點：耗內存和CPU/無法支持智能合約

離落地還有時間

OptimisticRollUP從技術來說要比ZKRollUp簡單很多。它的好處是可以支持通用的智能合約。ZK和Optimistic的區別是，FraudProof變成了ValidityProof。這兩種驗證方式相當于兩種不同的思維方式：OptimisticRollUP是樂觀思維，就是說相信驗證人是不會做惡的；ZK是悲觀思維，相信驗證人還是會作惡的，所以要生成一個零知識證明，然后和RollUp一起打包到鏈上去。大家去驗證不需要跑狀態轉移，因為這個轉移已經通過零知識證明跑過一遍了。

這就類似法律上的舉證證明，是自證清白還是別人證明你是好人。ZKRollUp相當于自證清白。其實，Optimistic和ZK都牽涉到一個最終性的問題。OptimisticRollUP的最終性是比較長的，用戶沒有跑過這個證明，提現期需要一到兩周。這期間系統會給足夠多的窗口，讓足夠多的人去驗證這個事情。ZK不會碰到這個問題，因為一旦它的零知識證明上鏈，它的最終性也就確認了。

那么ZKRollUp的問題是什么呢？它對于這個節點要求是非常非常高的。ZKRollUp就是耗CPU和內存，并需要很強的服務器去做這個打包。而OptimisticRollUP對于打包者的要求并不那么高。唯一要求的就是驗證人在鏈上質押來保證不會作惡。

由于這個ZK的復雜性，導致它目前只能用于一些特定的應用：比如說像那個支付和DEX。另外ZK還包含了零知識電路，它是密碼學中非常新的概念，目前存在安全隱患的可能。

HybridRollUp

避免了中心化的問題，引入了側鏈做打包人

HybridRollUp是結合了側鏈和RollUp。我們發現了一個問題打包者可能很中心化，比如說路印。而ZKRoll因為對打包者要求很高，它的中心化問題更加嚴重。這會引發一個問題：假設路印的服務器到期以后，機器就會發生宕機，交易所會進入提現模式，相當于變相被解散。為了預防這種風險，我們犧牲了一些TPS，引入了側鏈的驗證人。

HybridRollUp的好處：第一，不會出現打包人只有一個以及單點故障這個情況，因為這需要一個側鏈共同去打包。第二，作惡的可能性更小了，因為需要所有節點共同加強才能去作惡。且安全性是雙重的：側鏈以及RollUp的雙重安全性會防止有人作惡。

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