深度解读Optimism：基本架构、Gas机制与挑战 |CatcherVC Research
在凭借理想化叙事制造愿景的同时，Optimism该如何走向去中心化之路，兑现“欺诈证明”机制和多Squencer轮换的设想，还有待时间去考验。作者：SA，CatcherVC
本文重点
- 出于对安全和去中心化的考虑，ETH区块Gas上限和出块时间无法大改；
- Layer2扩容的实质是造一条TPS更高的链，把这条链的信息挂到以太坊上；
- Optimism的市场增值空间极大，其TPS上限可达1600，但吞吐量的实际利用率不到千分之一，未来发展潜力巨大；
- 由于未开放对等节点，Optimism本地Sequencer出块后，甚至要1小时才可以验证其正确性，延时过长；
- 当前的Optimism和Arbitrum均由官方运行出块节点，存在严重的中心化问题，其立足根基更多在于项目方的“信用”，而非“程序正义”本身；
- Optimism在进行EVM等效性升级后，其“欺诈证明”机制无法使用，官方称将于未来解决该问题。
- 真正的去中心化和安全性比高效率更有价值。如果无法及时让用户参与网络维护，那么所谓的Layer2将和传统金融平台毫无区别。
前言
随着ETH合并正式迈入进程，Layer2和Rollup在区块链行内逐渐成为显学。究其本源，Layer2的目的是提高系统每秒处理的交易数量（TPS），并降低Gas费。前者是整个Layer2扩容的最核心要点，后者则是提升Layer2交互体验的关键。
依照其定义，TPS= 一段时间内处理的交易笔数 / 耗时，套用在区块链领域，若忽略分叉或区块重组等情况，可粗略视TPS=平均每个区块包含的交易笔数÷出块时间。对普通公链而言，提升TPS面对的是区块扩容和出块时间问题，同时，TPS的实际值还牵涉到公链采用的Gas机制，无论是ETH还是BSC和Polygon都不出其右。
但提升区块Gas容量或缩短出块时间都会破坏安全性，究其根源，以太坊扩容要面对的是“不可能三角”问题，要如何提高效率，又保障安全和去中心化，始终处在纸上谈兵、悬而未决的阶段。
对此，以Optimism和Arbitrum为代表的Layer2凭借高效率、低Gas的旗号快速崛起，颇为瞩目。在靠着精妙叙事吸引各路资本、靠着超低Gas收获广大用户的同时，其固存的中心化问题却日渐明晰，引起越来越多的关注与质疑。
本文将以重要细节揭示在确保去中心化的前提下，Layer1扩容所面临的困境，以及典型的高效Layer2项目存在的重大问题。
以太坊的Gas机制
决定以太坊效率的关键因素之一是其所采用的Gas机制。在以太坊系统中，Gas是一种计量形式，反映了不同操作的复杂度。就像汽车行驶需要消耗汽油一样，在以太坊上交易会产生Gas消耗。一笔最简单的ETH代币转账，Gas消耗为2.1万。其他类型的操作，如普通的ERC—20代币转账，或更复杂的合约交互，可产生几万甚至数十万的Gas消耗。
以太坊的单个区块有Gas上限，限定了一个区块内全部交易指令可消耗的Gas总量，这就好比冰箱塞满后就不能再装东西。在去年的EIP-1559实行前夕，单个区块的Gas上限约为1500万，粗略算来最多可容纳714笔ETH代币转账，若将平均出块周期13秒置入TPS计算式，则EIP—1559前以太坊的理论TPS上限是55。
但现实中很多交易是Gas消耗较高的合约交互，会大幅占用区块的Gas容量，实际的以太坊TPS均值被压低到20，拥堵不堪，这使得大量潜在的交易需求被排挤在链外。由于单笔交易的手续费=Gas Used×Gas Price，而Gas Used由系统决定，可视为常量，用户发起交易后要付出比别人更高的Gas Price，才能率先被系统响应。最终，因系统特性产生的的供需缺口造就了高昂手续费，让无数人叫苦不迭。
归根结底，ETH本质上是关于交易权限的拍卖平台，Gas Price就是竞标者的出价，交易权限的归属由供需双方通过竞价机制撮合达成。这种设计契合区块链的自由市场原则，却埋下了内卷的种子。
纵观以太坊的历史，每逢有“加密猫”“5.19”一类的热点事件激发交易需求，ETH链就会出现激烈的Gas War现象，谁付出的Gas Price越高谁的交易先上链，剧烈的价格战让Gas Price水涨船高，不能支付高昂手续费的用户被拒之门外，这使以太坊成为名副其实的“贵族链”，引发了无数争端，也让EIP—1559一度成为许多人眼中的“救星”。
但从事实来看，在去年备受瞩目、对区块的Gas机制做出大幅调整的EIP-1559，其核心作用也只是让Gas Price的浮动范围更可控，并降低ETH的通胀率及抛压，而非直接压低Gas Price或取缔Gas竞价机制。
虽然该提案将ETH区块的Gas上限提升至3000万，但只要新区块的实际Gas消耗超过1500万，下一个区块内的Gas Price就会在系统调节下逐级涨价，这个过程可以持续多个区块的时间，直到Gas Price极高，拦住绝大多数人，让新区块可收纳的交易数骤减，Gas消耗量回落至1500万为止。
（可以看到，Gas Price连续上涨了4个区块的时间）
观察统计数据，可以发现在EIP-1559施行的前后6个月内，以太坊的每日Gas 消耗仅有不到10%的提升。考虑到这6个月内出块周期稳定在13~13.5秒，则ETH每日出块6500~6650个，每个区块的Gas容量始终稳定在1500万上下，并无明显变化。
（图表中轴线为伦敦硬分叉第二天）
由于EIP-1559没有真正改变区块的Gas含量，以太坊的TPS没有被改善，手续费居高不下，大量的潜在用户仍滞留在以太坊系统外。
根据相关数据，当前的ETH拥有近2亿个独立地址，每日处理的交易笔数仅有100多万笔；相比之下，Gas费较低的BSC（BNB Chain）每日处理的交易笔数高居500万以上，其独立地址数却不到1.5亿个。粗略估算下，ETH网络最多满足了约15%的交易需求。
出块周期
从另一个角度看，由于TPS=每个区块包含的交易笔数÷出块时间，出块周期也是关系到TPS的关键。同时，出块周期中的几个阶段可映射以太坊业务逻辑中的不同组分，这正是Layer2扩容思想的关键点。
需要强调的是，以太坊是由大量服务器节点组成的系统，其业务逻辑包含执行、共识、多方存储3个部分。其中，
- 【执行】泛指对交易事件等指令进行处理，得到结果；
- 【共识】指所有节点都认可执行的结果；
- 【多方存储】指多个节点都存储相同的内容，并可供外界读取。
在部分资料中，也将【共识】称为【结算】，将【多方存储】称为【数据可用性】，这些叫法实质是互通的。
而一个出块周期由以下步骤构成：
- 首先，矿池节点间通过【工作量证明】选出一个优胜者，由其来完成【执行】交易的过程，制作新区块；
- 【工作量证明】需要暴力穷举随机数，消耗大量算力，这些任务由矿池内的矿机完成，耗时较长；
- 优胜的矿池节点会按照Gas Price的高低，从等待上链的交易事件中抓取一批来【执行】，得出结果，然后把交易信息和结果一并纳入新区块；
- 之后，新区块会被传播给所有的以太坊节点，内容会被检查。具体而言，检查区块的节点会读取其内容，把里面的交易再执行一遍，看出块矿池提交的数据是否正确。这就实现了【共识】；
- 最后，若新区块通过检查，节点们会收录新区块，完成【多方存储】。
所以，一个新区块会被复制超过2000份，存储在全网的以太坊节点里。更具体的说，所有的矿池节点、所有的全节点都会存储一份。通过这种形式，以太坊节点间近似实现了“一致性”。
（以太坊节点数量及物理位置分类）
综上，以太坊的一个完整出块周期，包含【工作量证明】+【执行】+【共识】+【多方存储】4个阶段。其中，【工作量证明】和【共识】阶段耗时最长。由于以太坊的矿池和全节点合起来超过2000个，这些节点要达成【共识】会产生大量的通讯时间；而【工作量证明】是具备弹性的时间填充工具，其设计初衷就是为了让出块周期稳定在15秒左右（现出块周期约为13秒）。
为何要让出块周期固定在13秒？这是出于对安全性和去中心化的考量后，所得出的较优解。由于以太坊节点众多，且物理位置分散，出块太快会增大节点间信息差，破坏【共识】；比如，如果将以太坊出块周期降至0.1秒，而将信息传播至美国和欧洲的不同节点时，存在1秒的时差，那么美国和欧洲的节点间就会存在10个区块的信息差异，这就违背了区块链的设计理念。
（以太坊节点物理位置分布）
如果强行将区块扩容，也会加剧不同节点间的信息差。比如，若将ETH区块的Gas容量提升10倍，则每个区块包含的交易数量会提升10倍，不同节点间可产生的信息差也会增加10倍。
按照相关资料，直到以太坊完成POS转型前，其出块周期都会稳定在13秒，转型POS后，出块周期也只会缩短1秒，稳定在12秒。如此算来，POS转型最多会让以太坊的TPS提升10%，有如杯水车薪。
目前，在保证安全性和去中心化程度不变的前提下，ETH的区块Gas容量与出块时间基本达到理论上的极限，已无太大优化空间。
OP Rollup扩容方案
如前文所述，出于周全考量，以太坊的区块容量和出块周期无法做出太大变动，其TPS基本维持在20以下，近两年来从未有太大改善。
对此，ETH官方以外的扩容方案走上了不同的道路。BSC、Polygon等完全独立于ETH的公链对区块参数做出了修改。以BSC为例，目前其区块Gas容量上限为8000万，可达ETH的2.7倍；同时，BSC将参与共识的节点数量压缩至20几个，仅为ETH的1%，极大压缩了节点达成共识的时间，出块周期缩短到了3秒。这虽然将TPS上限提高到了以太坊的10倍以上，但却与ETH网络“百炼成钢”的安全性完全割裂，去中心化程度也远低于ETH。
（BSC区块的平均Gas上限）
以Rollup为代表的Layer2则秉持不同的理念。虽然其本质也是以太坊之外的公链，但仍在很大程度上依附于以太坊的安全性。比如，OP Rollup（Optimistic Rollup）会把Layer2的区块链副本压缩存储至以太坊主网，同时：
- Layer2本地的出块周期仅保留【执行】交易的阶段；
- 【工作量证明】被取消；
- 【多方存储】功能被转移至以太坊网络；
- 【共识】过程由Layer2的验证者节点完成，但并不包含在Layer2本地的出块周期内。
Optimism的原理
以OP Rollup方案中最典型的Optimism为例，其4个最重要的模块分别为Sequencer（序列器）、Verifier（验证者）、CTC（交易链）、SCC（状态链）。其中，Sequencer和Verifier是有硬件实体的Layer2节点，两者基本构成了Layer2的节点网络；CTC 和SCC是部署在以太坊上的合约，这4个模块组成了Optimism的核心架构。
Sequencer是一个中心化的矿池节点，负责在Layer2本地出块。Optimism取缔了【工作量证明】过程，由唯一的Sequencer担任矿工，且不会立刻让其他节点做【共识】验证，这节省了大量时间。目前的Sequencer执行完交易马上就能敲定区块，本地出块时间甚至只需1秒，从根源上提高了TPS。
但是，Sequencer具备很强的中心化特征，它实际上制造了一条独立于以太坊的侧链，若没有【共识】和【多方存储】流程，必然缺乏安全保障。为了解决这个问题，Optimism在其早期文档中指出，Sequencer必须质押一定量的资产，并且：
- 每隔几分钟，Sequencer节点会把本地区块的压缩版本存储至ETH主网；这些内容包括交易数据的摘要，以及交易发生后的状态根StateRoot。这个过程就是Rollup（打包）；
- 交易数据的摘要被存入ETH上的CTC（交易链）合约，对应的状态根存入SCC（状态链）合约。这会产生两笔交易事件，此过程中，以太坊系统只负责【多方存储】内容，不会去检验正确性；
- Layer2的Verifier（验证者）会自动读取Sequencer存储至以太坊的内容，对其进行审查，这个步骤与以太坊的【共识】类似。
- 当前的Optimism和Arbitrum均由官方运行Sequencer节点，存在严重的中心化问题。
CTC和SCC是Optimism官方部署在以太坊上的合约，两者以Batch（批次）的结构，分别记录了Layer2交易数据的摘要，以及每笔交易执行后Layer2状态树的根哈希值。从外观看，CTC和SCC就像两个账单列表。
（注：状态树是一个数据库，记录链上地址的信息。获取状态树根和交易数据摘要，便可拼凑出Layer2本地的区块内容。一般而言，SCC合约中存储的Layer2状态根更为重要，获取状态根后，结合交易数据进行计算，便可知晓Sequencer是否擅自改写了用户地址余额。）
Layer2的Verifier（验证者）会自动读取CTC和SCC这两个合约中的记录，尽量拼凑出Sequencer本地的区块内容，并进行验证。
- 若Verifier发现Sequencer提交的数据有问题，便可发起质疑（挑战），并提交自认为正确的版本，挑战成功便可改写CTC与SCC中的错误数据，并获取一定量的代币奖励；
- Sequencer若被挑战成功，确认有不诚实行为，则受到一定惩罚，其质押的资产会被扣除一部分；若质押余额低于划定的阈值，则Sequencer被强制除名，不再有出块资格；
- 以上便是“欺诈证明”机制，指Verifier可披露Sequencer的欺诈行为。
- Verifier和Sequencer之间达成的【共识】具有严重滞后性。一笔交易提交后会立刻被Sequencer执行，但Verifier获取状态根、对结果进行最终验证却可以在1小时之后。
- Optimism在2021年11月进行了EVM等效性升级，其Sequencer和Verifier客户端取缔了旧版OVM虚拟机，基于旧版OVM设计的“欺诈证明”程序无法运转，而新版的“欺诈证明”程序尚未发布。
按照此前技术文档，Optimism将挑战的窗口时间设置为7天，若7天内没有Verifier发起挑战，则Sequencer发布的内容被敲定，无法再改写。
从本质来看，Optimism是由Layer1和Layer2上的软硬件实体组合成的跨域交互系统，其独特的业务逻辑是在以太坊上构造Layer2区块的映射版本。由于需要跨域传输信息，Optimism的Sequencer和Verifier需要运行以太坊客户端Geth的山寨版：L2geth，通过该软件，Sequencer方可实现横跨Layer2和Layer1的交互。
Optimism的Gas机制及其细节
在Gas费问题上，由于Optimism业务流程有向以太坊存储数据的步骤，其每笔交易的Gas费=Layer1部分+Layer2部分，而Arbitrum和Metis等其他OP Rollup方案也不外如此。
其中，Layer2部分主要涉及Sequencer节点执行交易的费用。由于Sequencer的TPS上限极高，且当前Optimism的用户较少，其本地Gas Price超低。计算公式为：L2 Gas费=L2 Gas Used×L2Gas Price。
- 据OP官方披露，一笔交易的Layer2部分仅占0.4%，剩余99.6%的Gas开销来自于Layer1部分。[1]
- 将其转化为简单的算式： 0.4%×执行费用 + 99.6%×存储费用。
不难看出，交易的执行费用已经被大幅缩小了。
所以，执行步骤越复杂的交易（期权等），在Optimism上可节省的成本越多。比如，以太坊上一次要100美元的期权操作，在Optimism上只需要1.5美元左右，仅为1/60；以太坊普通转账要3美元，Optimism可能要0.3美元，为1/10。
而Layer1部分的Gas费，公式= 比例系数×（固定开销+存储开销）。其中，固定开销 来自于打包数据和跨域传输的过程，存储开销 是在ETH上存入数据产生的Gas，比例系数 则由Optimism官方设定，主要是为了预留出一部分资金，防止ETH主网Gas价格激增，无法把数据顺利存上链。
（Optimism官方对手续费结构的解释）
若想深入理解，可以观察Rollup（打包）和存储的具体步骤：
- 在将一批交易数据存储至以太坊前，Sequencer会压缩内容，然后将这批交易组合成Batch（批次），传输给ETH网络节点。
- 每个Batch可包含几百笔交易数据，就像区块一样。发布Batch的时间周期由Sequencer动态调整，目前约为3~10分钟左右。
所以，打包和传输Batch的过程必然有工作量，这会消耗一定的计算资源，固定开销可以填补这部分成本。目前，Optimism上每笔交易的固定开销Gas为2100。Optimism官方表示，随着未来用户规模扩大，每个Batch收纳的交易数量增加后，固定开销将进一步下调。
而在Layer1上存储Batch时，Sequencer会以文本数据Calldata的形式向CTC合约传入Batch信息，一般而言，文本数据只用于存储，不会被用于执行运算。比起普通的合约调用，这一步大量节省了Gas。
（Sequencer向CTC传入的数据，是一堆16进制数形式的字符）
一般每隔几分钟，Sequencer就会向CTC传输一个交易Batch，其体验就像在以太坊上构建由交易Batch构成的链表。之后，Sequencer又会将交易Batch对应的状态根Batch存入SCC（状态链）合约，该过程与上面提到的类似。
（Optimism提交的状态根Batch）
以上过程会消耗Gas，具体的Gas消耗量视存储的内容多寡而定。不同的交易类型会产生不同的数据量，存储费用也不尽相同。
OPtimism的理论TPS上限究竟能达到多少？
要探究Optimism的理论TPS上限，我们应当设想一种临界状态：
- Sequencer本地出块速度远高于以太坊主网，那么Layer2原生内容和Layer1 副本内容之间一直有信息差△。随着Layer2用户增多，实际TPS激增，Layer2和Layer1间信息差△可以被扩大；
- 当Optimism逼近其理论TPS上限时，Layer2和Layer1间每秒的信息差△可以非常大。所以，此时Optimism必须尽快向以太坊主网提交数据，不惜一切代价同步数据；
- 最终，Sequencer发起的指令，占用了以太坊区块的全部Gas，也即以太坊上全部可用的资源，都为Optimism所用，每一个以太坊区块里收纳的都是Sequencer提交的数据；
- 以EIP-1559后每个以太坊区块的Gas上限为3000万来计算，若Optimism本地执行、向以太坊提交的也都是最简单的转账操作，则此时Optimism的TPS上限约为1600左右【2】。
（W3.Hitchhiker团队计算的各种Layer2方案理论TPS上限）
综上所述，Optimism的TPS上限至少为以太坊的16倍。考虑到目前Optimism用户太少，实际TPS甚至不到以太坊的3%，其发展空间最大可达现在的500倍。
对以上内容进行整理，结合实际调查，在此归纳得出：
- Sequencer节点自己制造了一条TPS极高的区块链，这便是扩容之源。虽然效率极高，但因其高度中心化，Sequencer可能作恶或宕机；
- 为了增强安全性，Optimism要求Sequencer质押一定资产，并要求Sequencer在ETH主网上披露Layer2区块关键信息，Verifier会自动读取，检查准确性；
- 由于存储在ETH上的交易数据是被压缩过的，且以太坊节点不负责具体执行这些交易，不负责验证数据的正确性，这可以大量节省Gas。目前，在Optimism上执行复杂的期权操作，Gas费可低至以太坊的1%。
（Optimism上的一笔期权开立操作，只用了1.2美元；以太坊上要100多美元）
- Verifier和Sequencer之间达成的【共识】具有严重的滞后性。一笔交易提交后会立刻被Sequencer执行，但Verifier获取状态根、对结果进行最终验证却可以在1小时之后。由于延时过长，可存在多种类别的攻击场景，这对Optimism的安全性是潜在的威胁。
（Optimism的Sequencer上传到Layer1的状态根Batch，周期居然可以达到1小时）
- Verifier受到的激励 = 挑战成功的代币奖励 － 节点运行成本。发布“欺诈证明”且挑战成功是一个不可预测的事件，概率不高，所以Verifier受到的激励不强，此类节点的数量不易扩充，共识和安全性仍然弱于以太坊。
如前文所述，扩充Verifier最有效的方式是增强激励，或者开放对等节点网络。对于尚未发行代币也未开放对等节点的Optimism而言，难以像Metis那样通过自己发行的代币激励验证者。所以，当前的Optimism在如何扩充验证节点规模、增强验证的时效性上，均面临着不小的挑战。
- 值得注意的是，目前Optimism和Arbitrum等OP Rollup的Sequencer节点均由官方提供，所以，Sequencer惩罚机制是否有效，尚且存在争议；目前Optimism和Arbitrum的安全性更多来自于项目方的“信用”，而非“程序正义”本身；
- 颇为重要的是，Optimism在2021年11月进行了EVM等效性升级，其Sequencer和Verifier客户端取缔了旧版OVM虚拟机，基于旧版OVM设计的“欺诈证明”程序无法运转。而新版的“欺诈证明”程序尚未投入运行，目前挑战机制无法生效。
结语
尽管如今的Optimism炙手可热，表现出巨大的发展前景和增值空间，但如前文所说，其仍面临着过度中心化的问题。GavinWood曾说：“真正的去中心化和安全性比高效率更有价值。”如果无法及时让用户参与网络维护，那么所谓的Layer2将和传统金融平台毫无区别。
（Gavin Wood曾就去年Solana短暂宕机一事称：真正的去中心化和安全性比高效率更有价值。如果用户不能自己运行网络的全节点，那么这样的项目将和传统银行毫无区别）
在靠着理想化叙事制造扩容愿景的同时，已经“大而不倒”的Optimism该如何走向去中心化之路，兑现“欺诈证明”机制和多Squencer轮换的设想，还有待时间去考证。但可以确定的是，从长期看，只有真正的去中心化可以在历史的风沙之中屹立不倒，永世长存。
参考文献
