迭代與競爭:以太坊的 Layer2 擴容之路

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摘要

“車多路堵,擴容在即”——Layer2擴容一直是區塊鏈行業明確的發展趨勢之一,隨著以太坊生態活躍和網路擁堵,Layer2賽道又成為了市場的關注點。本文將系統性地介紹Layer2擴容機制的原理和發展歷程,展望未來的生態演化和投資機會。

Layer2擴容的本質——把區塊鏈上的部分運算任務放到鏈下,並將計算結果傳回鏈上,從而實現區塊鏈運算能力的提升。與之相對的Layer 1擴容是在區塊鏈協議上進行改進,從而實現擴容。而Layer 2擴容不改變區塊鏈協議本身,透過鏈上智慧合約與鏈下互動從而實現擴容。其核心環節在於Layer 1與Layer 2的資料互動,以及如何保證Layer 2上的資產安全。

以太坊“甜蜜的煩惱”——需求爆發帶來網路擁堵、費用飆升,Layer2既是技術問題也是平衡多方利益的手段。每當以太坊生態繁榮,使用者的增加帶來了更多的交易請求,複雜合約和複雜呼叫的增加減少了單個區塊的實際交易容量,ETH價格上升增加了交易的法幣計價手續費,擁堵的網路又會進一步抬高Gas價格,這種機制性的迴圈發展會使得以太坊的專案上出現泡沫化和頭部效應,整體上是降低了以太坊平臺應用的創新能力。以太坊擴容既是眾望所歸,也是大勢所趨,只有緩解了這種機制性擁堵和高昂手續費,才能實現以太坊生態的良性發展。

縱觀Layer 2擴容技術的發展,目前的技術路線主要包括側鏈擴容、狀態通道擴容、Plasma和Rollup:側鏈擴容的核心就是用另一條獨立的區塊鏈來承接目前交易,從而提高計算效率降低手續費。狀態通道在2014年左右被提出,它的核心是透過雜湊鎖定並在鏈下進行一系列交易,只把交易結果上鍊,尤其適合解決小額高頻支付的手續費過高的痛點。在2017年左右Plasma的擴容路線被提出,為了解決側鏈擴容中的側鏈安全性對資產的威脅,Plasma的設計原則就是即使在側鏈出故障的情況下也能保證使用者能第一時間提出自己的資產。Rollup的概念則是在2018年被提出,將交易資訊高度壓縮打包上鍊,即使鏈下資料完全不可用,也能提出資產。這些技術路線之間並非涇渭分明,而是一種相互融合的演化發展,展現著區塊鏈生態的自發性生長。

投資建議:我們認為目前Layer2擴容處於爆發前夕,最先上線且相容EVM的通用平臺Layer 2方案將具備很大的先發優勢,使用體驗將會成為決定性因素。Layer 2擴容將極大程度地降低手續費和提高交易效率,Defi市場很可能因此迎來洗牌。Layer 2擴容會降低鏈上操作成本,推動區塊鏈專案創新,可能在遊戲、金融、虛擬世界、元宇宙等領域實現更深度的區塊鏈創新應用。

風險提示:區塊鏈商業模式落地不及預期;監管政策的不確定性。

一、Layer 2是什麼?

區塊鏈擴容是為了提高區塊鏈的交易處理速度,從而能在相同時間內處理更多交易,可類比於車多路堵,需要新建高架、隧道來提供交通效率。Layer2擴容是鏈下擴容方案的統稱,指的是把區塊鏈上部分的運算過程放到鏈下,並將計算結果傳回區塊鏈,從而實現區塊鏈運算能力的提升。

與之相對的Layer 1擴容就是在區塊鏈協議上進行改進,從而實現擴容。而Layer 2擴容不改變區塊鏈協議本身,透過鏈上智慧合約與鏈下資料的互動來實現擴容。

以太坊為什麼要擴容?

以太坊透過EVM(以太坊虛擬機器)實現了圖靈完備的計算,開發者透過鏈上智慧合約可以實現複雜的程式邏輯,我們可以把以太坊抽象的看成是一臺去中心化的計算機。

以太坊透過Gas費機制防止惡意合約(如無限迴圈)的影響,限制單個區塊的容量大小,並且激勵參與者提高網路的使用效率。Gas費機制就是對使用者在鏈上的操作進行收費,費用根據規則按操作型別和複雜度計算。這些費用支付給維護網路並執行合約計算的礦工群體,挖到區塊的礦工獲得區塊內交易的總Gas費。Gas費由操作型別和複雜度決定,讀寫鏈上資訊和呼叫外部合約會比執行普通程式碼更貴。巨集觀上看,以太坊本意透過Gas機制動態調整了資源供需,防止惡意佔用鏈上資源的情況。

交易的Gas價格受以太坊網路水平影響,一般而言礦工會按照Gas價格高低和交易指令的等待時間來選擇打包的交易,優先打包Gas價格高和等待時間長的交易指令,使用者可根據網路情況決定Gas價格。Gas價格的單位一般為Gwei,1Gwei = 0.000 000 001ETH,單個交易所要支付的Gas費用=操作所需的Gas(由規則確定)×當前的Gas價格(由網路情況決定)。

Gas費機制為ETH帶來了天然的使用價值,也激勵著使用者和開發者精簡自己的操作和智慧合約,激勵礦工帶來打包交易。以太坊的單個區塊的容量大小也是透過Gas費來限制的(比特幣是透過區塊大小),單個區塊所包含的所有交易的Gas費不能超過Gas上限,從而限制了單個區塊的容量大小,挖到區塊的礦工可對Gas上限進行微調以適應網路狀況。

隨著最近半年以太坊生態應用的爆發,以太坊網路交易量急劇上升,ETH的價格也收益於生態發展而快速上升。各種套利機器人在DeFi應用中開啟了自動套利。套利者的網路速度敏感度要遠大於網路費用敏感度,只要套利空間比費用要大,他們就願意支付超高的Gas費用以換取交易的快速處理,網路的平均Gas費也水漲船高。普通使用者在參與這些應用的時候,則變得緩慢、網路擁堵,高昂的Gas費加上ETH的高價格,一次普通的Defi合約呼叫甚至能達到數十上百美元。隨著交易的費用上漲,以太坊將會面臨熱度減弱,專案創新減少的局面。

我們認為目前以太坊網路擁堵和高手續費是以太坊Gas費機制性問題,每當生態繁榮,使用者的上升帶來了更多的交易請求,複雜合約和複雜呼叫的增加減少了單個區塊的實際交易容量,ETH價格上升增加了交易的法幣計價手續費,擁堵的網路又會進一步抬高Gas價格,這種機制性惡化會使得以太坊的專案上出現泡沫化和頭部效應,初期專案和市場宣傳不夠的專案會因為高昂的手續費被使用者拒之門外,整體上是降低了以太坊平臺應用的創新能力。

上述矛盾對於公鏈而言是“甜蜜的煩惱”,只有當鏈上生態發展到一定程度,才會有Gas費的問題,究其背後,是礦工、Token持有人、生態專案方的三方博弈,網路穩定、激勵有效與應用創新處處需要平衡,處理不當會對社羣造成傷害,尤其是ETH已成為區塊鏈“樣板工程”之後。同樣,這種問題理論上是每一個採用原生代幣Gas費機制的區塊鏈網路都無法避免的,以太坊發展最快而最先面臨這樣的挑戰。

在目前這種情況下,以太坊擴容既是眾望所歸,也是大勢所趨,只有緩解了這種機制性擁堵和高昂手續費,才能實現以太坊生態的良性發展。

Layer 2擴容的基本框架

以太坊Layer 2擴容的核心思想在於:在主鏈的基礎上再搭建一個二層網路,幫助Layer 1分擔網路壓力,以達到整體效率的提升。目前以太坊Layer 2擴容技術架構主要有四類:狀態通道、側鏈、Plasma和Rollup。

Layer 2擴容機制的關鍵點在於Layer 1的合約設計、Layer 2的協議設計、跨鏈資料互動的設計尤其是資產存入和取出時的流程設計。由此我們勾勒出了Layer 2擴容機制基本框架,足以描述目前絕大部分Layer 2擴容專案。

為什麼要關注Layer 2擴容?

區塊鏈擴容路線關注如何在保證安全性的條件下實現更高的運算能力,Layer1擴容或許更能從本質上改變網路擁堵,例如ETH2.0採用的分片擴容。但Layer1擴容最大的弊端在於共識成本高,簡單的提高區塊容量會導致系統更加中心化,存在硬分叉的風險(如BCH從BTC分叉)。而Layer2擴容是一種更輕型、能夠快速實現的擴容方式,它可以承接主鏈已有的生態應用,並且所需資源成本比主鏈擴容要少得多,這也是Layer2賽道快速發展的原因之一。

縱觀Layer2擴容的發展,側鏈擴容和狀態通道擴容的思想要比以太坊網路的出現還要早,早在比特幣時期被提出,側鏈擴容的核心就是用另一條獨立的區塊鏈來承接目前交易,從而增大計算效率降低手續費。狀態通道在2014年左右被提出,它的核心是透過雜湊鎖定並在鏈下進行一系列交易,只把交易結果上鍊,尤其適合解決小額高頻支付的手續費過高的痛點。在2017年左右Plasma的擴容路線被提出,為了解決側鏈擴容中的側鏈安全性對資產的威脅,Plasma的設計原則就是在子鏈出故障的情況下也能保證使用者能提出自己的資產。Rollup的概念則是在2018年被提出,將交易資訊高度壓縮打包上鍊,即使鏈下資料完全不可用,也能提出資產。

Layer2擴容試圖在保證去中心化和安全性的條件下,突破以太坊現有的計算瓶頸。“殺手級”的Layer2擴容方案將很有可能改變當前的行業競爭格局,並且可能產生新的應用落地,擴大行業想象空間。因此我們建議關注Layer 2擴容的發展,本文也梳理了Layer 2不同路線的實現方式。

二、以太坊Layer 2擴容是怎麼實現的?技術路線一文總覽

側鏈擴容路線成熟,生態活躍卻飽受爭議

側鏈是與主鏈相容的區塊鏈網路,它與主鏈是相對概念,以太坊側鏈擴容技術路線的本質就是打造一個相容以太坊的區塊鏈網路,並運用跨鏈機制實現從主鏈到側鏈的資產轉移,並在側鏈上部署應用,分擔主鏈網路擁堵。

側鏈是一條獨立的區塊鏈,擁有自己獨立的共識機制,安全性不依靠主鏈,往往會採取DPOS、POA等更有效率的共識機制。

側鏈技術路線的重點在於跨鏈機制的設計。跨鏈機制的基本原理就是透過鎖定主鏈上的資產,並在側鏈發行相關資產,如果想要回到主鏈,只需要銷燬側鏈上的資產,並在主鏈上解鎖相關資產。因為區塊鏈自身不能獲取其它鏈上資訊,那麼誰傳遞並確認資訊從而決定資產的鎖定與發行就成為了關鍵問題,為了解決這個問題,可以採取透過第三方主體驗證的公證人人機制,或者透過區塊鏈自身進行驗證的中繼機制。公證人可以採用單一主體,也可以是是多個主體進行驗證並多籤確認交易。

側鏈擴容的最大風險在於側鏈自身的安全性和跨鏈過程的安全性:一旦側鏈出現故障,轉移到側鏈的資產便極有可能丟失。公證人和側鏈的執行節點一旦作惡,便可以從主鏈上轉移使用者的資產(Plasma和Rollup技術路線都是為了解決這個問題,保障使用者免受中心化和系統故障的威脅)。

儘管跨鏈機制已經日趨成熟,側鏈擴容變得越來越方便和高效,但這種擴容路線卻存在著很大的爭議。

2020年年底火熱至今的交易所公鏈,就可以看作是一種以太坊的側鏈擴容,承接了以太坊的生態外溢,取得了引人注目的使用者增長速度和鏈上資產數量。以幣安智慧鏈BSC為例,它相容了以太坊的資料與智慧合約,採取相似的區塊鏈資料結構與協議,並採用了TPS更高的DPos共識機制。以太坊資產和應用可以輕鬆轉移到BSC上,開發者也有成熟開發工具在BSC上進行應用開發。同時交易所憑藉自身的生態和使用者優勢,為BSC引流了數量可觀的使用者。因為與以太坊協議的相似性,大量對標以太坊Defi的BSC專案快速上線,以太坊上的生態應用也有部分向BSC上遷移。

相較於以太坊,交易所公鏈大大降低了合約執行的手續費,對小額資產或者初次接觸區塊鏈應用的使用者更為友好,快速增長的使用者和鏈上交易也證明了這一點。對於行業而言,交易所公鏈的崛起對去中心化生態的利弊存在著很大的爭議,既降低了使用者門檻、帶來了生態活躍,也是一種中心化的威脅。側鏈擴容還存在另一個爭議點,用於擴容的側鏈還屬於以太坊的生態嗎?側鏈本身能算是以太坊的Layer 2擴容方案嗎?如果交易所公鏈算是以太坊Layer 2擴容的一種,從發展現狀和使用者數量來看,側鏈擴容目前確實是Layer 2擴容最成熟和活躍的路線。

狀態通道專注於小額支付,但使用體驗和可用性較差

狀態通道是交易雙方在鏈上鎖定資產建立支付通道,並在鏈下進行交易,當使用者從主鏈取出資產時,只需把鏈下多次交易的結果證明提交至主鏈智慧合約驗證即可。

狀態通道攤薄了多次交易的手續費用,尤其適合小額多頻的交易場景。這種技術早在比特幣時期就被提出,因為鏈上交易的手續費都與交易金額無關,這導致小額交易的手續費用佔很高。

以狀態通道擴容專案雷電網路為例,流程如下:

參與者雙方需要將資產鎖定在智慧合約中,這一步保證了參與者可以相互轉賬和接收資產,直到參與者關閉了支付通道;

參與者維護者自己的賬戶餘額,雙方透過傳送簽名後的交易證明進行交易;

交易可以不斷地進行,直到其中一方決定取出資產並關閉通道,他可以隨時向智慧合約展示交易證明來關閉通道,另一方如果與退出方有交易的話也需要在當時展示交易證明;

當雙方都展示餘交易明後,便可以從智慧合約中取回存款。當另一方不能及時展示交易證明時,系統會判定他沒有接收到任何轉賬,並按照單方的證明進行分配,這種機制保證了任何人都一定能取回他的資金,即使對方不配合。

我們可以看出狀態通道的優勢在於:採用了雙方淨結算降低了單次交易費用;雙方交易細節不上鍊保障了交易隱私;同時退出機制最大程度的保障了參與方的資金安全。

但在使用體驗上有著嚴重不足:第一,只能和開通通道或者在支付網路內的使用者進行交易;第二,必須經常性地關注交易對手方是否選擇關閉通道,從而展示接收的交易以保障自己的權益;第三,狀態網路擴容機制的拓展性較差,難以實現鏈下交易外其他操作。

Plasma保障資產安全,資訊不可用成最大阻礙

Plasma可以看作是一種保障資產安全的側鏈技術,它將鏈下的狀態證明上傳主鏈,即使鏈下出現了安全問題,使用者也能夠證明並提出資產。Plasma技術架構目前主要有兩種主流的機制Plasma MVP、PlasmaCash。

Plasma MVP是透過UTXO和Merkle proof來實現使用者在不借助第三方的情況下實現資產退出的。在鏈下的交易以UTXO的形式記錄在Merkle tree上,並把相應雜湊值上傳至主網的智慧合約,這樣使用者只需要提供Merkle proof便能證明自己所擁有的UTXO,從而提出資金。

當使用者提出資產時需要一段質疑期進行欺詐證明,其他任何人都可以透過舉證該使用者已被花費的UTXO實現質疑。因為主鏈透過智慧合約雖然能夠驗證使用者提供的證據,卻無從得知的使用者隱藏的資訊(比如有些UTXO已經花費掉了)。

Plasma MVP的“群體離開問題”:當大部分使用者都想離開Plasma,則所有的狀態證明全部都要被提交到以太坊上,並在挑戰期內接受“挑戰”。由於Plasma是不限使用者數量的,但以太坊區塊的處理能力卻很有限,因此如果整個Plasma的有效狀態全部都提交給以太坊進行處理,會徹底堵死以太坊,導致交易的處理時間被大大拖延甚至遙遙無期。

Plasma Cash的機制與Plasma MVP非常類似,不同之處在於資產在子鏈上以NFT的形式進行記錄,其具體流程如下:

1、 使用者在合約中鎖定資產時,在Plasma上會收到一個代表所有存入資產的NFT;

2、 Plasma Cash採用特定的默克爾樹,每個NFT都有指定的位置,當發生轉賬時,相應位置記錄轉賬資訊,並將默克爾樹的根雜湊上傳主鏈;

3、 在交易時需要提供該NFT之前的交易記錄;

4、 當使用者退出時,需要提交前兩次交易的merkle proof;

5、 當使用者取出資產時,存在一個質疑時段,任何人都可以透過交易記錄進行質疑該使用者操作。

總體而言,Plasma技術路線的優點在於能夠在Layer2發生故障的情況下保證使用者的資產安全,這種運用去中心化密碼學的保障機制使得Plasma路線一度被社羣熱捧。

但Plasma技術路線存在的問題在於以下幾點:第一,在這種技術框架下限定了子鏈的資料結構,使得通用性拓展變得非常困難;第二,Plasma機制存在資料不可用問題,即主鏈沒辦法獲取所有鏈下資料,只能透過根雜湊進行簡單驗證,這也導致了退出機制比較複雜,往往需要很長的週期(數日)進行欺詐證明,同時使用者需要儲存自己的資料,時刻注意子鏈變化,非常影響使用體驗。

交易資料壓縮上鍊,通用化平臺即將落地,Rollup技術路線前景可觀

Rollup機制指的是高度壓縮交易並打包上傳主鏈,並透過零知識證明或欺詐證明驗證交易包的真實性,解決了Plasma的資料不可用問題。Rollup機制實現了資料在鏈上,運算在鏈下的分層模式,從而最大程度地保證了資產的安全性。

為了實現交易的高度壓縮,Rollup子鏈上維護著賬戶資產資料,每個賬戶都有自己相應編號。因此只需4個位元組就能實現223個賬戶的索引,足以應對絕大多數情況。與此類似,Rollup在所有能夠壓縮、又不影響可讀性的地方都進行了壓縮(如圖12),壓縮後的交易只有不到原來的十分之一。透過對交易的壓縮,Rollup機制能夠更有效率地利用現有的Layer 1網路容量,從而實現擴容,並且在擴容的同時保證了資料的鏈上可用性。

Rollup機制的核心問題就是驗證壓縮交易包中交易的真實性。對於這個問題,解決方案主要分為兩種型別:基於零知識證明的ZK Rollup;基於欺詐證明的Optimistic Rollup。目前兩種方案都在快速發展,不同的團隊選擇了不同的技術機制,以太坊主鏈上的專案們也做出了自己Layer 2遷移的選擇。

採用零知識證明的ZK Rollup是透過在傳送交易包時,同時傳送交易對應的零知識證明,智慧合約透過零知識證明驗證交易包的真實性。總體流程如下:

1、使用者轉入並鎖定資產,Layer 2狀態樹新增賬戶資訊並生成對應資產;

2、在Rollup網路中,使用者簽名併傳送交易;

3、排序者收集交易,壓縮打包成交易包,並生成零知識證明,並按照交易包更新狀態樹;

4、排序者將交易包和零知識證明廣播至主鏈;

5、智慧合約透過零知識證明驗證交易包的真實性,並且更新數值,執行相應的轉賬操作。

ZK Rollup的最大優勢就是高度去中心化和驗證效率高。在側鏈更新狀態的同時生成零知識證明,礦工執行的智慧合約能夠透過零知識證明驗證交易包中的新狀態是否源於舊狀態疊加交易產生,從而實現了Layer 2資料到Layer 1去中心化的資料驗證,同時因為Layer 1能快速識別來自Rollup的資料真實性,能快速完成資產的取出。

ZK Rollup的劣勢在生成零知識證明的過程複雜且困難,不僅需要大量運算,而且應用的定製化開發難度大,難以實現相容現有應用的通用平臺。

Optimistic Rollup(OP Rollup)技術路線選擇相信操作者提交的交易包真實性,並對欺詐的行為做出處罰。操作者需要質押了一定數量的資產,只有滿足資產質押的條件智慧合約才會接收其傳送的交易包,任何人都可以針對交易包的真實性發布欺詐性證明,一旦欺詐行為被判定便會失去所有的質押資產。透過對排序者和質疑者的經濟學激勵,使系統達到安全性的平衡。

當質疑者透過重新計算狀態值,發現交易包的錯誤時,他可以向智慧合約傳送一個欺詐性證明。欺詐性證明包括所有必要的資訊,包括交易前的賬戶狀態、交易對應的Merkleproof等。智慧合約能夠運用欺詐性證明,透過重放交易的方式檢驗交易包的真實性,實現欺詐交易的檢驗。

這種模式下的驗證效率被降低了,但它的好處在於能夠更容易實現通用平臺,從而相容EVM智慧合約,使得開發者工作量大大減少,這使得專案遷移的難度大大降低,為OP Rollup專案佔領Layer 2藍海提供了先天優勢,也能最快速度地解決以太坊網路的燃眉之急。

OP Rollup機制的缺點在於欺詐證明機制使得資產的存入和轉出都需要等待較長的質疑期,因為一旦合約中儲存的資產離開Rollup合約後,就不太可能進行交易的回滾和資產的追回了。相較於ZK Rollup,Optimistic Rollup的驗證效率低,交易壓縮率也更低,因此擴容能力也更差。

以太坊Layer 2擴容路線脈絡梳理,機制傳承而非一蹴而就

從側鏈擴容到Rollup機制,不難發現這些技術路線之間並不是涇渭分明,而是一種相互融合的演化發展。最新的Optimistic Rollup機制中的欺詐性證明,早在狀態通道擴容中就有類似的機制。而透過錨定主鏈來保護側鏈的資產安全性,也從最開始的Plasma方案傳遞到了Rollup技術路線。而跨鏈機制更是在大部分技術路線中都有運用。

三、以太坊Layer 2擴容的未來展望

目前以太坊網路Layer 2擴容技術處於快速發展期,解決方案百花齊放,每種方案都有自己的優勢所在,也獲得了與自身特性匹配的相關專案和社羣的支援。

短期而言,我們認為會看到一個高度競爭且分裂的Layer 2網路群,以太坊主網或將成為大宗交易、套利交易的通道,而各種Layer 2網路將為使用者帶來低價且高效的交易執行。短期內不同的Layer 2協議因為機制和技術問題可能暫時無法打通,將會形成較為獨立小型生態,相互間的互動成本較高(多次與主網交易)。這個階段,最先上線的相容EVM的通用平臺Layer2方案將具備很大的先發優勢,使用體驗將會成為決定性因素。Layer 2擴容將極大程度地降低手續費和提高交易效率,Defi市場可能因此迎來洗牌。

中期來看,Layer 2協議之間將嘗試實現資料打通,不同的方案會自發形成不同的Layer 2聯盟。我們認為ZK Rollup對比OP Rollup有著更好的安全性和使用體驗,將憑藉協議的優越性佔領大部分Layer 2市場份額。長期來看,我們認為最終以太坊社羣會角逐出Layer 2的最終贏家,佔領大部分市場,在保障去中心化和資訊保安的前提下實現擴容。統一的Layer 2協議也會降低網路的使用成本,有利於生態的發展。Layer 2擴容並不是中間態的妥協而是長期方案,在以太坊2.0成功上線後,Layer 2的擴容機制也依然能夠與分片擴容共存,提高網路吞吐量。

Layer 2擴容離不開加密貨幣錢包、區塊鏈瀏覽器、行情網站對相應專案進行支援跟進,提供更好的使用體驗。Layer 2擴容會降低鏈上操作成本,推動區塊鏈專案創新,從而催生在遊戲、DeFi、虛擬世界等領域實現更深度的區塊鏈應用。

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