RUM:解读以太坊 Layer 2 竞争格局及趋势_STE

以太坊的扩容问题迫在眉睫,而以太坊2.0分片规划开发缓慢,Layer2上的扩容解决方案在短期内最有可能改变以太坊的拥堵现状。以太坊中践行Layer2扩容的团队基于相同或不同的技术方案,例如Rollup和Plasma,进行相应的产品化落地。目前大部分产品还处于开发阶段,它们之间的格局将影响到以太坊生态的格局。本文根据Layer2开发团队对外披露的方案,对其实用性进行解读和评估,总结Layer2项目的发展趋势以及目前Layer2方案面临的问题。

如何理解Layer2方案以及竞争力

Layer2:底层与应用的中间商

Layer2解决方案的思路是将本应该在Layer1上运行的计算过程放到链下,将结果传回链上确认。无论是普通的转账,还是复杂的智能合约,都可以通过Layer2方案实现快速交易以节约Gas费。Layer2作为以太坊中的扩容工具,也是连接底层网络和上层应用的中间层。从这个角度看,人们对Layer2有两方面的要求:应用需要Layer2进行快速清算;主网和用户需要Layer2保证计算结果的正确性以及资金安全。

一般来说,例如Rollup和Plasma技术,是通过主链上的智能合约来实现Layer2层和主链之间的交流,用户通过与智能合约交互实现在Layer2层上的充值与提现,Layer2通过更新状态将结果传回主链上。但是状态更新不是自动进行的,需要指定负责人来执行,也就是Layer2的运营商。以Rollup为例,虽然任何人都可以进行Rollup的操作,但在链下进行计算和主链上更新需要花费资源,因此需要对运营商进行经济激励才能保证Rollup运行。尤其是对于需要欺诈证明和挑战期的方案来说,如果没有合适的激励方式,那么很难维持项目的可持续。Layer2上的交易费用由用户承担,运营商会收到这些奖励。侧链作为广义上的Layer2方式也是通过这种方式运行,侧链有独立的验证节点,用户在使用侧链或进行跨链时要向侧链的节点发出请求。Layer2是底层与网络应用之间的中间商,会因提供便利而收取费用。

Layer2方案竞争力的体现

换一个角度考虑,Layer2与底层网络和应用这两者的发展都相关,如果底层网络以太坊出现问题,导致无人使用也就无需Layer2扩容。如果Layer2上没有繁荣的应用生态,也不会有用户使用,那同样没有存在的必要。既涉及到应用又涉及到用户,这样来说,Layer2方案之间的竞争颇具公链竞争的态势。但不同的是,用户退出公链生态就几乎无法转移到其他生态中使用,除非卖出所有公链中所有资产,而Layer2上的用户可以自由在Layer2上进入和退出。如果Layer2上的应用不具有吸引力,用户可以随时转移到其他Layer2上的应用中。在现在的环境下,对于用户来说Layer2本身没有吸引力,使用Layer2关注的更多是上面的应用。所以对于Layer2要注重两个方面的体验,开发者的体验和用户的体验。

以太坊在开发者社区已经形成了护城河效应,因此对于Layer2来说,越接近以太坊的开发环境,就越能获得开发者的青睐。尤其是Layer2的很多目标应用都已经部署在主网上,如果需要开发者再针对Layer2环境进行开发,那么十分耗费时间精力。就像每一种新技术,Layer2方案也具有先发优势,尤其是以太坊用户都在期待Layer2网络上线,因此尽快地开发Layer2解决方案并部署热门应用是Layer2目前提高竞争力最有效的途径。

在提高用户体验方面,首先要做的是保护用户的资金安全。其次,要让用户无感地在主网和Layer2之间移动,如果其中操作繁琐,则会造成用户门槛进而影响使用人数。还有Layer2的立足之本,用户需要在Layer2达到比主网更流畅的用户体验,并且能有效节约Gas费。

综合来说,人们为使用Layer2付出的成本以及得到的便利的综合评估,就是各Layer2的竞争力。

Layer2解决方案及特点

Layer2的技术解决方案可以分为几种,例如状态通道、侧链、Plasma和Rollup等,同一种技术也会由不同的团队开发成不同的版本。下面是目前热门Layer2解决方案及特点。

OptimisticEthereum

OptimisticEthereum是由?Optimism?公司开发实现的基于OptimisticRollup技术的Layer2网络,计划主网于2021年7月上线。目前测试网上已经有Synthetix和Unipig两个应用的Demo版本,他们也将成为主网上线后的第一批应用。

OE上使用了自创的OVM虚拟机,相当于Layer2上EVM的代替版。由于执行环境不同这两者不完全相同,在主链上执行的智能合约需要转义成适用于OVM的操作码。在OE中,需要通过欺诈证明和挑战期来确定状态的正确性,其中涉及在Layer1上的多次交易,而且需要一定的时间。Layer2上状态的最终确认需要7天的时间,如果存在欺诈交易则会回滚。OE的安全性也来源于欺诈证明的保证,那些揭示错误交易并在OE上提交证明的用户会因此受到奖励。为了防止运营者无成本作恶,成为运营者需要在以太坊上存入诚信保证金。如果他们的欺诈行为被验证者发现,那运营者的保证金就会部分交给验证者,部分被销毁,这是出于运营者可以在验证者提出证明前抢跑的考虑。

由于欺诈证明的存在和挑战期的限制,用户提现时有一周的等待时间,这也是OE现在的弊端,可以通过流动性提供者的方案解决。如果OE中的一个验证者证明了用户的一笔交易是正确的,在规定时间后会真实提现,那么他就可以充当流动性提供者,提前将资金预支给用户,等待用户提现完成再偿还,以赚取挑战期内的利息。或者用户所需的应用都在OE上,用户也就无需提现到主链上。

在费用方面,用户在向OE智能合约转账和提现时需要消耗Gas费,在OE中进行交易时也许支付Gas费给运营者。OE中的Gas费计算方式与主网有所不同,例如在OE上的GasPrice是固定的常数,目前初始值为1Gwei,无需用户再进行设置。

ArbitrumRollup

ArbitrumRollup由?OffchainLabs?团队实现,同样基于OptimisticRollup技术,目前发布了测试网V4版本,这是未来主网的候选版本。Arbitrum在OffchainLabs的规划中除了Rollup之外,还有未上线的适用于其他应用的状态通道和侧链。目前ArbitrumRollup的测试网生态版图包括Bancor,Balancer,Bounce,MCDEX和Arbiswap等应用,也包括Chainlink和TheGraph这样的基础设施。

图1:Arbitrum架构

如上图所示,Arbitrum建立在以太坊之上,使用EthBridge维系Layer1和Layer2之间的连接,调用EthBridge合约可以实现主网与Arbitrum链的交互。AVMArchitecture之上是Arbitrum底层运行的虚拟机AVM,ArbOS完全在AVM中运行,负责管理和执行智能合约。最重要的是,ArbOS为智能合约提供了与EVM兼容的执行环境。左上方的用户在使用钱包或前端工具与Arbitrum进行交互时,无需使用新的工具,开发人员也无需进行额外开发,可以直接将现有的Solidity合约转移到Arbitrum中。

与OptimisticRollup的思路相同,ArbitrumRollup使用欺诈证明保证网络安全。相同的,Arbitrum中也会有专门的运营者和验证者,运营者需要缴纳押金防止作恶。专门的验证者对运营者错误行为进行监督,否则每个交易参与者都亲自验证监督的话,会影响用户体验。在进行争端仲裁时,Arbitrum会在链下对争议内容进行拆分,在确定了最小的争议范围之后再调用以太坊合约进行决策。因此在Layer1层面的验证上,Arbitrum的效率会更高。

在Arbitrum中,同样需要为使用虚拟机支付Gas,这体现为ArbGas,也是对Arbitrum运营者的经济补偿。ArbGas用于评估AVM中执行计算所花费的时间,1亿ArbGas大约等于2020年初OffchainLabs开发者电脑的1秒CPU时间。每条AVM指令的ArbGas成本是通过测量设置的,与以太坊中的Gas计算有所不同。目前在测试版本中,默认的费用设置为零。

zkSync

zkSync由MatterLabs开发实现,基于ZKRollup技术,通过密码学证明链上数据的真实性保证资产安全。运营者在上传数据时会附加有效性证明,主网可以在数据上传时即时验证信息,所以让Layer2达到和主网同等的安全性。目前zkSync的生态包括Curve、AAVE、Balancer、1inch等,已经上线了主网,2.0版本的主网预计在2021年8月上线。

zkSync以用户资金安全为首要目标,使用了加密技术PLONK和RedShift。其中RedShift是一种透明通用的SNARK,由纽约大学的Assimakis和MatterLabs的Konstantin、Alexander研究发现。在使用zkSync时,交易有两部分成本:1.Layer2上的状态储存和SNARK生成成本,这取决于硬件的使用;2.运营者支付将数据传回以太坊主网上的成本以及验证SNARK证明的成本,这取决于以太坊上的GasPrice价格。ZKRollup最大的阻碍就是与智能合约相关的有效性证明的验证成本过高,因此不适用于智能合约的场景。zkSync通过重新对智能合约编写让其适用在ZKRollup中使用。但需要开发者重新使用Zinc语言部署合约,这将是目前zkSync未来最重要的计划之一。

涉及zkSync中的交易转账时,用户可以使用转账的代币支付Gas费,没有必须使用ETH的要求。目前zkSync网络是由集中管理的方式运营,未来将引入多个角色让网络更分散,例如引入PoS共识机制等。为了维持运营者的收支平衡,zkSync中的费用会随着主网Gas费改变,但保证zkSync的使用费用始终比以太坊网络低,ETH转账低20倍以上,ERC20代币转账低100倍以上。未来zkSync还将推出自己的代币用于治理和抵押,并上线更手续费更低的平台zkPorter。

zkPorter将和zkSync2.0版本主网一同上线,zkPorter中的数据将被转移到链下,可以与zkSync账户无缝交互,其中账户的数据可得性将由守护者的zkSync代币持有者保障。守护者需要抵押zkSync代币并参与PoS,如果数据不可得,他们将失去抵押的资金。

StarkWare

StarkWare是基于ZKRollup技术实现的扩容方案,目前的客户有DeversiFi、iMMUTABLE,dYdX。不同于zkSync,StarkWare使用的是STARK技术,一种简洁全透明的零知识证明。Cairo是StarkWare推出的图灵完备使用STARK证明的平台,以上的应用也是基于Cairo搭建的。除此之外,StarkWare还推出了交易平台StarkEx。

StarkWare还开发了一种名为Validium的模式,在这种方案下,用户将交易数据发给委员会成员,他们的数据会被储存在链下,降低了ZKRollup中的资金的安全性,但由此效率会有所提高,更适用于高频的场景。

Polygon

Polygon是Matic网络的升级产品,与Matic成为两个不同的扩容解决方案。Matic使用了Plasma框架,来保证侧链的去中心化和安全性。Matic在Plasma链中应用了基于账户的模型,不同于其他Plasma中的UTXO系统,这让PlasmaMatic适用于以太坊系统,支持EVM。Plasma侧链使用PoS共识机制,质押Matic代币可以成为网络中的验证者。Polygon的独立侧链完全与以太坊适配,因此用户和开发者的学习成本为零,通过桥链接支持互操作性,侧链中有独立的验证者保证安全。Polygon目前上线了侧链和Plasma两个以太坊扩容方式,ZKRollup和OptimisticRollup产品在未来的规划中。这是为了实现不同用户的扩容需求,例如企业级应用、初创公司和专注网络安全的公司等。Aavegotchi、Easyfi、SportX、Aave等应用使用了Polygon的架构。

图2:Polygon中的固定链模式和独立链模式

xDai?Chain

xDaiChain是MakerDAO基金会推出的以太坊兼容侧链,以xDAI为网络交易的支付工具,xDAI与DAI同比例兑换。由于兼容EVM,以太坊中所有应用都可以直接迁移到侧链上。目前xDAI的生态应用有很多,包括1Hive,Honeyswap,PerpetualProtocol,Sushiswap,Unique.one等等。

xDai侧链使用了权益证明机制POSDAO进行记账和治理,采用了双层代币模型,除了xDai作为支付代币外,还发行了STAKE代币作为治理代币。目前的验证节点还是中心化的受信任的节点,未来会逐渐开放。在以太坊2.0节点,xDaiChain将成为一个分片或者Rollup加入到以太坊网路中。

其他类Layer2项目

除了专注以太坊Layer2领域的项目外,还有一些原本目标是高速可扩展的公链,但实际中与以太坊运行环境不断靠近让其逐渐有了Layer2项目的影子,如Harmony,CelerNetwork,BSC,Heco等。跨链协议Polkadot上的项目也在探索与以太坊上应用的适配,例如AcalaEVM成功部署了Uniswap合约并运行。

最典型的例子是BSC和Heco,这两者使用的虚拟机和以太坊相同,开发者可以直接将智能合约从以太坊上迁移过来。而且BSC和Heco在底层改变了公链的共识机制等参数,出块速度更快并实现了更大的承载量,用户可以在节约交易花费。如果其他公链在兼容性与以太坊相称的话,就可以被视为以太坊上的侧链,也就是广义上的Layer2。

Layer2的发展趋势及问题

Layer2的发展预期

各种Layer2方案层出不穷,我们在第一部分指出,Layer2的竞争力在于降低开发者难度以及提高用户体验,因此未来所有Layer2还将朝着这两个方向进行,例如OptimisticRollup类产品改善欺诈证明和挑战期的用户体验,ZKRollup对虚拟机和智能合约方面进行开发,让其更适用于目前的DeFi应用。侧链的实现虽然较为容易,但要提高资金安全和去中心化方面的保证。

Layer2层面上,很难在降低手续费、可扩展性、去中心化、数据可得性这几方面同时实现平衡。随着Layer2技术的不断发展,例如最新的Rollup技术,如果忽视挑战期或智能合约造成的不便,已经在去中心化和数据可能性方面实现了进步。然而为了追求更快的交易速度和降低手续费,比如zkPorter和Validium模式中,只能靠牺牲数据可得性来实现,不得不将数据转移到链下储存。不难理解,为了达成更高的效率,只能尽可能少地使用链上资源,也就是交给运营节点更多的权力,所以需要更完善的机制设计避免节点作恶。未来Layer2方案会在速度、费用、去中心化和数据可得性这几方面进行取舍,针对不同的场景会出现不同的解决方案。

对于Layer2的运营者或验证者来说,进行相关工作需要经济上的激励。对于大多数Layer2网络来说,发行代币也是未来趋势,主要用于治理或激励。但对于使用同一种技术的项目来说,例如OE和Arbitrum,经济激励的设计也是他们的竞争力之一。就像DeFi生态中的竞争,如果Layer2的对参与者的激励更多,那就会因此吸引更多的运营者和验证者来保证网络安全。

Layer2只是以太坊上的工具,更重要还是运行在Layer2上的应用。可以看出,与Layer2项目合作最多的是需要高频交易的DEX。随着DEX项目的升级,例如Uniswap的V3版本,在Layer2上运行的需求就更强烈。未来Layer2上的竞争也是Layer2上应用之间的竞争,因此对于Layer2来说争夺应用更为关键,尤其是需要高频交易的应用。

Layer2方案面临的问题

除了侧链网络,Rollup技术的Layer2解决方案的开发进度是低于预期的,因此难以判断上线之后是否能真正符合预期,开发难度是目前Layer2面临的问题。Layer2之间的互操作性也是目前Layer2方案面临的问题,不同的Layer2是由不同智能合约控制的,因此在相同Layer2中应用进行交互才能降低手续费。如果同一应用部署在不同的Layer2中,则会影响它的流动性。因此跨Layer2解决方案也是目前的研究方向。

思考与总结

上文是对目前以太坊Layer2中主流项目竞争格局和趋势的分析,Layer2作为连接以太坊底层和应用的中间层,也是以太坊主链上的扩容工具。最需要关注的就是为应用开发者和用户层面上的使用体验,尤其是对应用的争夺。由于在不同的Layer2会影响应用的交互性,形成Layer2层面上完整的生态是理想的状态。

虽然各Layer2方案都朝着提高可用性的方向发展,但最后不会出现统一的胜出者,这是因为在不同场景中会出现不同需求。例如在高频交易场景下人们会更对手续费更敏感,这就可以牺牲掉部分的数据可用性以经济机制来防止作恶。但在其他更需要安全性的场景下,就可以使用完全数据可用的方案。

为了维持Layer2方案的可持续性,处理运营者和用户之间的关系同样重要。如果对运营者的激励过少,那么可能没有足够的运营者和验证者维持网络的去中心化和安全。如果对用户收费过多,也可能造成用户和应用的流失。尤其是大部分Rollup方案都采用了与主网不同的Gas费收取方式,是否能实现运营者收支平衡还需上线后再做评估。

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