ROLL:L2的理解与思考

Layer2是个大的话题。是否去中心化,是否安全,资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间,总结一下Layer2的理解和思考。

Layer2交互模型

Layer2,相对于Layer1,在Layer1的基础上提供更丰富功能,更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下:

除了Layer1的交易外,其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态,所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见,也为了和Layer1保持一样的安全性,所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问,称为"DataAvailability"。所有的Layer2交易都在Layer2执行,并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确,不同的layer2方案有不同的实现方法。

Coinbase L2网络“Base, Introduced”NFT市值突破300万美元,过去一周增长2倍:金色财经报道,据nftgo.io最新数据显示,Coinbase L2网络Base, Introduced”NFT市值已突破300万美元,本文撰写时达到304万美元,当前“Base, Introduced”NFT地板价为0.0037 ETH,交易总额约为113万美元。历史数据显示,“Base, Introduced”NFT系列市值于2月24日首次突破100万美元,这意味着该指标过去一周已增长2倍。[2023/3/4 12:41:41]

Layer2实现分类

从Layer2状态同步方式,Layer2分为两类:一类是侧链实现,一类是Rollup。侧链,就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点,整个侧链的安全性,就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种:一种是zkRollup,一种是OptimisticRollup。所谓OptimisticRollup,乐观性Rollup,期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时,为了防止同步错误的状态,提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下,Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式,通过零知识证明技术,在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下:

以太坊L2协议Optimism的交易量超过Arbitrum:金色财经报道,基于以太坊的L2协议Optimism和Arbitrum在交易活动方面存在显着差异。自12月中旬以来,Optimism在交易数量方面的表现优于Arbitrum。(TheBlock)[2023/1/18 11:17:51]

zkRollup,按照采用的零知识证明协议又分为三类:1/Groth162/PLONK3/STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(TrustedSetup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是,相对另外两种算法,STARK协议,证明数据量大,验证时间长。相对来说,在Layer2的场景下,PLONK是目前广泛使用的算法。

STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较:

以太坊L2网络总锁仓量达到35亿美元,Arbitrum占比74.21%:金色财经报道,L2BEAT数据显示,截至9月13日,以太坊Layer2上总锁仓量已达到35亿美元。其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum,约26亿美元,占比74.21%。其次是dYdX,锁仓量超3.79亿美元,占比10.80%;Optimism以2.30亿美元的锁仓量位居第三,占比为6.55%。[2021/9/18 23:35:32]

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

总结一下,从安全性角度看,各种Layer2的排序如下:zkRollup,optimisticRollup,侧链。从提现的时间也印证了安全性,zkRollup的提现是分钟级别,其他两种方案,小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目。

Router Protocol和Polygon与DFyn合作启动L2 GalaxyFarm:3月8日消息,Polygon和Router Protocol与多个项目合作,以实现即时、无Gas交易和DeFi 耕作(farming)。Router Protocol正在建立一个跨链流动性协议,其第一个节点是Polygon上的AMM DEX Dfyn.network。DeFi farming将基于Dfyn.network,各个项目和参与者将在其之上增加流动性以参与L2 GalaxyFarm,从而为该生态系统引入无Gas farming。来自Polygon和以太坊生态系统的项目将参与GalaxyFarm以奖励社区。(AMBCrypto)[2021/3/8 18:25:57]

zkRollup,虽好,目前存在很大的缺陷:可编程性差。

细看zkRollup

相对其他Rollup方案,zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说,在Layer2每个交易除了“执行”外,还需要生成证明,证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道,零知识证明的安全性在于”电路“的安全性。对于Layer2,每种交易的处理”固化“为电路,电路逻辑完全公开。对应于每种电路,存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明,符合固化电路的逻辑。

V神:若不使用L2方案则无法短期解决可扩展性问题:10月3日消息,以太坊联合创始人V神表示,由于可扩展性问题和gas价格飞涨,当前的以太坊网络不能支持多种类型的应用程序。如果不使用第2层解决方案,则无法在短期到中期解决可扩展性问题。因此,升级以太坊2.0是从根本上解决这一问题所必需的步骤。但是,他还提到要完全实现以太坊2.0还需要很多时间。昨日消息,V神更新以太坊路线图,表明以rollup构建为中心,rollup即为主要的Layer 2解决方案。(CoinPost)[2020/10/3]

关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式,供所有人查阅电路逻辑。简单的说,为了实现zkRollup,需要实现Layer2执行对应的电路。事实上,电路的实现相对复杂,没有高级语言,很多情况下都是手写R1CS。进一步,为了利用zk证明系统,为了优化电路的实现,整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构。所以,zkRollup的系统需要考虑电路的结构,从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现,不管是zksync/zkswap/loopring,都只实现了特定交易场景。

反过来说,如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行,需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易,再者,EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看,这方面会限制整个zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分:

TransactionRawData:在zksync中称为pubdata。为了保证dataavailability,所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。

Layer2Block管理:在Layer2提交区块状态时,Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。

验证Layer2Block状态:在Layer2提交证明时,Layer1需要验证状态证明。

以一个区块350笔交易,每个交易的TransactionRawData的大小为20字节为例,一个区块处理的gas消耗:

虽然上述的数据不是精确值,但是足以说明交易原始数据在整个zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。从这个角度看,Layer2的有些项目选择通过其他链下的方式存储交易数据。

Optimismvs.Arbitrum

OptimisticRollup兼容EVM。也就是说,Layer2支持可编程性,并且在以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了保证链上的状态正确,这两种方案都提供一段时间内的挑战机制。挑战者提供挑战的证据,Layer1抉择正确与否。

Optimism采用OVM执行Layer2交易。取名OVM是为了区分Layer1的EVM。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性,Layer1需要“重放”Layer2的交易,也就是说,Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。OptimisticRollup最复杂的地方也在于此,用EVM模拟OVM,并执行Layer2的交易。可想而知,在Layer1的EVM模拟OVM的执行是比较繁琐,消耗较大的操作。

Arbitrum也是采用挑战机制。为了避免挑战的gas费用低,Arbitrum引入了AVM:

相对于EVM,AVM是一个相对简单的虚拟机。Arbitrum在AVM虚拟机上模拟EVM执行环境。也就是说,所有的Layer2交易都是在AVM执行,交易的执行状态可以用AVM状态表示。在提交到Layer1的状态有分歧时,挑战双方先将状态分割,找出“分歧点”。明确分歧点后,挑战双方都可提供执行环境,Layer1执行相关操作确定之前提交的状态是否正确。在Layer1挑战的是AVM的状态,分歧点的AVM的指令执行。

简单的说,为了省挑战的gas费用,Arbitrum采用了精简的AVM,通过快速分割,在链上只需要执行一个指令,判断状态是否执行正确。Arbitrum介绍文档中提到,整个挑战需要大概500字节的数据和9w左右的gas。在AVM的基础上,Arbitrum设计了mini语言和编译器,模拟了EVM的执行环境,从而兼容EVM。

总结

Layer2,相对于Layer1,在Layer1的基础上提供更丰富功能,更好的用户体验。资金状态确定性时长,安全性,可编程性是目前讨论的焦点。zkRollup是资金状态确定性最快的方案。optimisticRollup/侧链具有可编程性。zkRollup支持EVM的证明是个期待的方向。

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