一文讀懂以太坊 Layer 2 解決方案：ZK Rollup、Optimistic rollup、Validium、Plasma

作者：Daolectic Research

原文標題：《How to scale Ethereum? --- A comprehensive analysis of all the actual Layer 2 environment》

編譯：麟奇，鏈捕手

區塊鏈領域中最具爭議的話題之一無疑是可擴展性。

具體而言，隨著以太坊越來越受歡迎，區塊中的交易請求也在增加，因此交易成本也在隨之增加。由於以太坊主網每秒處理大約15筆交易，因此提高吞吐量是有必要的。為了減輕以太坊節點的負擔，出現了許多L2解決方案，每個解決方案都有自己的優點和缺點。

為了提高以太坊網絡在其實際單鏈配置中的速度，多種替代擴展策略被應用：它們都旨在為以太坊主區塊鏈上的交易處理減負以提高可擴展性，但所採取的方式各有不同。

值得注意的是，這些擴展技術並非以太坊獨有，也可被用於其他網絡。

現有的主要擴展方案

實際上，已有多種新穎的共識算法和技術，例如分片，可以直接在基礎層解決可擴展性問題。

近幾個月來，只占當前區塊鏈一小部分的分片鏈獲得了大量關注。尤其是鏈遊方面的發展，例如基於Harmony One的DeFi Kingdoms和Near Protocol的EVM兼容鏈Aurora的推出。這些生態系統發展的主要驅動力是部署在其中的應用程序的實際價值，即更快的出塊時間和更低gas費所帶來的用戶體驗提高。

以太坊2.0可能就屬於分片家族。

此外，還有構建在例如rollup之上的側鏈和解決方案：這種技術繼承了來自主層的所有安全性和共識協議，與大多數其他擴展技術相比具有相當大的優勢。在這方面，這些解決方案可以被歸類為"非托管"側鏈。

從本質上講，rollup收集大量交易，在鏈下 對其進行 計算，然後將它們作為單個鏈上交易進行廣播。

目前在以太坊主網上活躍的rollup分為兩種類型：

• Zk Rollup（Zk 代表零知識），以有效性證明進行支持
• Optimistic，由欺詐證明支持

零知識證明ZKP

從其純粹的定義開始，零知識證明(ZKP)是一組工具，可以在不揭示基本假設的情況下驗證信息。

"零知識"一詞源於沒有提供任何("零")關於特定事實的信息的理念：這是由一組加密技術實現的，該技術使"證明者"能夠在不披露任何數據的情況下，以數據方式向"驗證者"表明一個計算斷言是有效的。

ZKP已被引入區塊鏈領域。零知識證明分為兩種類型：交互式和非交互式。

• 交互式ZKP要求證明者進行一系列的活動或操作，以說服驗證者他們擁有某些知識。交互式ZKP中所需的大部分活動都包含了數學概率思想。
• 非交互式ZKP不需要證明者和驗證者之間的交互，否則驗證可能會在之後進行。在這種情況下，此類ZKP需要額外的計算機或軟件。

所有ZKP（交互式或非交互式）必須滿足三個先決條件：

1. 完整性：如果陳述為真，驗證者可以驗證被證明者持有的所有必要輸入。
2. 有效性：該判斷不能被駁斥，且當被證明者沒有提供必要的輸入時，驗證不會成立。
3. 零知識：驗證者除判斷是真或假之外，不會看到其它信息。個人數據將始終保持匿名和加密狀態。

相關閱讀：科普：什麼是零知識證明，零知識證明的用例有哪些？

ZK Rollup

Zk Rollup將所有交易數據提交到主鏈，並使用Zk-Snark（零知識簡潔非交互式知識性論證）驗證交易。

Vitalik Buterin在2018提出了這個加密工具。

縮寫SNARK代表簡潔，知識的非交互論證：

• "簡潔"意味著證明比底層數據更短。
• 知識論證表明，如果沒有適當的"證人"或證據來證明他們所提供的信息是真實的，一個證明者就不能構建被驗證的證明。

一旦這些驗證完成並發布到主鏈，其中包含的所有交易都被宣布為最終交易。因其使用加密活動，L2節點構建證明所需的處理能力非常高也更加快速。

ZK rollup通過中繼器組合交易，然後由中繼器生成zkp來證明交易的真實性。之後，在主層上提交並發布證明。

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Optimistic rollup

Optimistic rollup的基本假設是，所有已處理的事務都是有效的。事實上，這個名字來源於節點鏈的樂觀狀態。

每當發現交易無效時，節點可以通過提供欺詐證據對發現不正確交易的整批交易提出質疑：一批交易將由支持optimistic rollup的底層系統（optimistic virtual machine，OVM）在主鏈上重新運行。

總體而言，OVM 允許L2上的交易完成，即使它們已被L1拒絕為無效：此外，如果交易被視為無效，則L2鏈將被重置為欺詐交易之前存在的狀態。由於欺詐交易，所有後續交易都處於無用狀態。

由於optimistic的方法建立在提交的交易總是真實的前提下，直到被證明是不同的，所以它在某種程度上被認為是"基於信任的"。

如果對生態系統中的參與者提供適當的激勵，那麼假設可能成真。然而，為了防止出現最壞的情況，也需要採取額外的預防措施。例如，當把資產從L2轉移到L1時，Optimism規定了七天的搁置期，以為驗證者提供足夠的時間來發現和標記欺詐交易。

Validium

Validium運行方式類似於ZK rollup，不同之處在於數據被保存在鏈下。因為交易數據不是發布在區塊鏈上的，所以有必要採用額外的信任假設，用戶必須信任操作員，以便在需要時可以訪問數據。

Validium的鏈下數據存儲有很多好處，交易速度更快，並且因為公眾無法訪問交易，所以用戶隱私性也得到了提高。

然而，由於數據是在鏈外保存的，因此用戶將無法隨時看到其在智能合約中的可用金額。

因此，用戶必須從中繼器那裡獲取數據才能掌握自己的資金，並且他們必須信任中繼器。

為了解決這個問題，StarkWare這樣的解決方案提供了一個數據可用性委員會（DAC），其會存儲所有鏈下數據，並在緊急情況下變為公開可訪問，減少用戶對中繼器的依賴：由於其仍使用zkp，所以不存在廣播不正確狀態的危險；用戶現在必須信任的只是信息的及時性。

Validium解決方案是較新的，建立在ZKR基礎之上，如果擴展解決方案的有效性證明套件越來越受歡迎，其勢頭會不斷提高。

使用Validium解決方案的項目包括DeversiFi、ZKSwap（支付、交易平台）、Sorare（足球NFT遊戲）和Immutable X（NFT 市場）。

Plasma

在Plasma的家族中，可以找到幾個基本上是以太坊複製版的區塊鏈，它們通過信任最小化的網橋體系結構連接到以太坊。每個Plasma chain都可以採用自己的交易驗證流程，但以太坊區塊鏈仍具有最終交易真實性的權威。

Plasma不需要用戶對運營商抱有絕對信任，即使是在不誠實或妨礙操作的情況下，用戶始終有機會收回資金。雖然Plasma的推出引起了以太坊社區的極大興趣，但也帶來了許多挑戰：新的數據可用性網絡攻擊、要求用戶監控交易以檢測惡意活動，以及在大量用戶試圖同時退出Plasma鏈的情況下對主鏈上數據容量的擔憂，減緩了基於Plasma系統的採用。

此外，許多Plasma設計被一系列的用戶體驗和安全問題所困擾，而且它們並沒有為智能合約的開發提供原生的便利性。OMG和Polygon現在已經放棄了Plasma，導致一些人認為它實際上已經不存在了。

技術比較

迄今為止，Optimistic rollup受到了最大的關注和採用，這要歸功於其使開發人員能夠將其以太坊應用程序"複製和粘貼"到L2平台的性質。

Uniswap 和 Synthetix 等以太坊主網頭部應用程序已經開始使用基於概率rollup解決方案的Optimistic rollup解決方案部署其應用程序。同樣，ZK rollups 和 Validium 解決方案雖然目前對通用智能合約的支持非常有限，但仍在積極部署中。

ZKR 相對於 Optimistic Rollup的一個主要優勢是沒有爭議期（提款時間）。由於使用zkp來建立交易真實性，中繼器將無法欺騙系統。另一個需要考慮的因素是ZKR用戶始終能夠移動其資產，因為數據始終保存在鏈上。

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總的來說，這些舉措的發展高度依賴於他們 能夠 提供什麼。零知識證明EVM兼容性的未來為基於有效性證明的L2解決方案組合的發展提供了良好的前景。

隨著Matter Labs和StarkWare開創性地選擇數據可用性來使用這些證明的可訪問性，其可能會超越optimistic rollup的普及度。零知識證明所提供的安全性，以及中繼器發布惡意活動的難度，使得L2系統採用其力量的未來看起來更加光明。

截至2月20日，整個L2生態的TVL約為60億美元。

根據下圖L2Beat數據顯示，optimistic rollup占總市值的70%，Arbitrum以31億美元排名第一。dYdX是採用ZK-Rollup的L2，以9.95億美元緊隨其後。到目前為止，Validium相關TVL較低，但隨著IMX和Sorare的出現，也很有增長潛力。

結論

預計rollup的使用將是未來最常見的擴展方式。其中很多是近期首次部署的，這是一個重要的里程碑。考慮到以太坊2.0的發布還有很長一段時間，所以rollup可能會存在很長一段時間。

可組合性是以太坊的一個關鍵元素，它使網絡中的任何人都可以輕鬆地在現有資產之上和周圍構建新的用例。

如果你是以太坊網絡的用戶，這實際上給了你很大的自由度：你可以在同一個安全框架下，同一條鏈上，通過一些用戶友好活動進行相對複雜的交易。

雖然L2解決方案通過降低gas費明顯改善了用戶體驗，但也提供了獨立執行環境的選項。

最近，應用開發者在選擇在哪個平台上部署之前，開始變得猶豫不決，因為他們一直在觀望哪個L2解決方案更受歡迎。

一個或多個L2之間的集成將是未來發展的一個關鍵。不僅對整個以太坊生態系統的網絡效應有影響，而且對更廣泛的智能合約平台環境也影響巨大。