以太坊:解讀以太坊 Layer 2 競爭格局及趨勢

以太坊的擴容問題迫在眉睫，而以太坊 2.0 分片規劃開發緩慢，Layer 2 上的擴容解決方案在短期內最有可能改變以太坊的擁堵現狀。以太坊中踐行 Layer 2 擴容的團隊基于相同或不同的技術方案，例如 Rollup 和 Plasma，進行相應的產品化落地。目前大部分產品還處于開發階段，它們之間的格局將影響到以太坊生態的格局。本文根據 Layer 2 開發團隊對外披露的方案，對其實用性進行解讀和評估，總結 Layer 2 項目的發展趨勢以及目前 Layer 2 方案面臨的問題。

Layer 2 解決方案的思路是將本應該在 Layer 1 上運行的計算過程放到鏈下，將結果傳回鏈上確認。無論是普通的轉賬，還是復雜的智能合約，都可以通過 Layer 2 方案實現快速交易以節約 Gas 費。Layer 2 作為以太坊中的擴容工具，也是連接底層網絡和上層應用的中間層。從這個角度看，人們對 Layer 2 有兩方面的要求：應用需要 Layer 2 進行快速清算；主網和用戶需要 Layer 2 保證計算結果的正確性以及資金安全。

一般來說，例如 Rollup 和 Plasma 技術，是通過主鏈上的智能合約來實現 Layer 2 層和主鏈之間的交流，用戶通過與智能合約交互實現在 Layer 2 層上的充值與提現，Layer 2 通過更新狀態將結果傳回主鏈上。但是狀態更新不是自動進行的，需要指定負責人來執行，也就是 Layer 2 的運營商。以 Rollup 為例，雖然任何人都可以進行 Rollup 的操作，但在鏈下進行計算和主鏈上更新需要花費資源，因此需要對運營商進行經濟激勵才能保證 Rollup 運行。尤其是對于需要欺詐證明和挑戰期的方案來說，如果沒有合適的激勵方式，那么很難維持項目的可持續。Layer 2 上的交易費用由用戶承擔，運營商會收到這些獎勵。側鏈作為廣義上的 Layer 2 方式也是通過這種方式運行，側鏈有獨立的驗證節點，用戶在使用側鏈或進行跨鏈時要向側鏈的節點發出請求。Layer 2 是底層與網絡應用之間的中間商，會因提供便利而收取費用。

換一個角度考慮，Layer 2 與底層網絡和應用這兩者的發展都相關，如果底層網絡以太坊出現問題，導致無人使用也就無需 Layer 2 擴容。如果 Layer 2 上沒有繁榮的應用生態，也不會有用戶使用，那同樣沒有存在的必要。既涉及到應用又涉及到用戶，這樣來說，Layer 2 方案之間的競爭頗具公鏈競爭的態勢。但不同的是，用戶退出公鏈生態就幾乎無法轉移到其他生態中使用，除非賣出所有公鏈中所有資產，而 Layer 2 上的用戶可以自由在 Layer 2 上進入和退出。如果 Layer 2 上的應用不具有吸引力，用戶可以隨時轉移到其他 Layer 2 上的應用中。在現在的環境下，對于用戶來說 Layer 2 本身沒有吸引力，使用 Layer 2 關注的更多是上面的應用。所以對于 Layer 2 要注重兩個方面的體驗，開發者的體驗和用戶的體驗。

動態 | 江卓爾解讀甘孜藏族自治州通知：冬天枯水期發電少，挖礦的就不要用了:金色財經報道，就甘孜藏族自治州發布《我州積極做好迎峰度冬保電工作》通知一事，江卓爾發微博稱，看標題，翻譯一下：雖然我們四川甘孜州，夏天豐水期棄水棄電很多，歡迎你們挖礦來用，增加我們收入，但是現在冬天枯水期了，發電少，你們挖礦的就不要用了，各電站要把大部分電賣給電網，不要自己礦場用光光，不然我們電就不夠用了，還要從外面買電。[2019/12/26]

以太坊在開發者社區已經形成了護城河效應，因此對于 Layer 2 來說，越接近以太坊的開發環境，就越能獲得開發者的青睞。尤其是 Layer 2 的很多目標應用都已經部署在主網上，如果需要開發者再針對 Layer 2 環境進行開發，那么十分耗費時間精力。就像每一種新技術，Layer 2 方案也具有先發優勢，尤其是以太坊用戶都在期待 Layer 2 網絡上線，因此盡快地開發 Layer 2 解決方案并部署熱門應用是 Layer 2 目前提高競爭力最有效的途徑。

在提高用戶體驗方面，首先要做的是保護用戶的資金安全。其次，要讓用戶無感地在主網和 Layer 2 之間移動，如果其中操作繁瑣，則會造成用戶門檻進而影響使用人數。還有 Layer 2 的立足之本，用戶需要在 Layer 2 達到比主網更流暢的用戶體驗，并且能有效節約 Gas 費。

綜合來說，人們為使用 Layer 2 付出的成本以及得到的便利的綜合評估，就是各 Layer 2 的競爭力。

Layer 2 的技術解決方案可以分為幾種，例如狀態通道、側鏈、Plasma 和 Rollup 等，同一種技術也會由不同的團隊開發成不同的版本。下面是目前熱門 Layer 2 解決方案及特點。

Optimistic Ethereum （OE）是由?Optimism?公司開發實現的基于 Optimistic Rollup 技術的 Layer 2 網絡，計劃主網于 2021 年 7 月上線。目前測試網上已經有 Synthetix 和 Unipig （Uniswap 的 Layer 2 版本）兩個應用的 Demo 版本，他們也將成為主網上線后的第一批應用。

OE 上使用了自創的 OVM 虛擬機，相當于 Layer 2 上 EVM 的代替版。由于執行環境不同這兩者不完全相同，在主鏈上執行的智能合約需要轉義成適用于 OVM 的操作碼。在 OE 中，需要通過欺詐證明和挑戰期來確定狀態的正確性，其中涉及在 Layer 1 上的多次交易，而且需要一定的時間。Layer 2 上狀態的最終確認需要 7 天的時間，如果存在欺詐交易則會回滾。OE 的安全性也來源于欺詐證明的保證，那些揭示錯誤交易并在 OE 上提交證明的用戶會因此受到獎勵。為了防止運營者無成本作惡，成為運營者需要在以太坊上存入誠信保證金。如果他們的欺詐行為被驗證者發現，那運營者的保證金就會部分交給驗證者，部分被銷毀，這是出于運營者可以在驗證者提出證明前搶跑的考慮。

動態 | 紐交所為Bakkt測試舉行啟動儀式 外媒解讀此舉表明監管機構已為Bakkt開綠燈:據Trustnodes消息，比特幣結算期貨平臺Bakkt將于7月22日開始測試。7月18日，紐約證交所(NYSE)董事會已舉行比特幣結算期貨啟動儀式。區塊鏈投資基金Pantera Capital首席執行官Dan Morehead表示在Bakkt數字資產峰會(Bakkt Institutional Digital Asset Summit)上表示:“我們坐在紐約證交所的董事會會議室里——這是比特幣的第一次。”Trustnodes評論稱，到目前為止，峰會沒有取得什么成果，也不清楚是否有媒體受邀，但此次活動的舉辦表明，經過數月的漫長過程，Bakkt目前正在推進比特幣期貨的測試工作。Bakkt已經通過自我認證獲得了美國商品期貨交易委員會(CFTC)的批準，經過長時間的談判，舊的規章制度得到了政策上的調整。[2019/7/20]

由于欺詐證明的存在和挑戰期的限制，用戶提現時有一周的等待時間，這也是 OE 現在的弊端，可以通過流動性提供者的方案解決。如果 OE 中的一個驗證者證明了用戶的一筆交易是正確的，在規定時間后會真實提現，那么他就可以充當流動性提供者，提前將資金預支給用戶，等待用戶提現完成再償還，以賺取挑戰期內的利息。或者用戶所需的應用都在 OE 上，用戶也就無需提現到主鏈上。

在費用方面，用戶在向 OE 智能合約轉賬和提現時需要消耗 Gas 費，在 OE 中進行交易時也許支付 Gas 費給運營者。OE 中的 Gas 費計算方式與主網有所不同，例如在 OE 上的 Gas Price 是固定的常數，目前初始值為 1Gwei，無需用戶再進行設置。

Arbitrum Rollup 由?Offchain Labs?團隊實現，同樣基于 Optimistic Rollup 技術，目前發布了測試網 V4 版本，這是未來主網的候選版本。Arbitrum 在 Offchain Labs 的規劃中除了 Rollup 之外，還有未上線的適用于其他應用的狀態通道和側鏈。目前 Arbitrum Rollup 的測試網生態版圖包括 Bancor，Balancer，Bounce，MCDEX 和 Arbiswap （Uniswap 的 Arbitrum 版本）等應用，也包括 Chainlink 和 The Graph 這樣的基礎設施。

動態 | 媒體：螞蟻金服成立區塊鏈公司只是事務性公司 不要過度解讀:據上海黃埔2月25日報道，螞蟻金服旗下螞蟻區塊鏈科技（上海）有限公司在黃浦區正式揭牌成立。據了解，除螞蟻區塊鏈科技（上海）有限公司之外，螞蟻金服旗下另一創新企業螞蟻雙鏈科技（上海）有限公司也在同期成立。消息人士稱，螞蟻金服旗下的子公司眾多，而這些子公司往往跟注冊地有關，跟實際負責業務關聯不大。而成立這兩家公司只是屬于事務性的，為了當地辦事方便，不必做過分解讀。（財經網）[2019/2/26]

圖 1：Arbitrum 架構

如上圖所示，Arbitrum 建立在以太坊之上，使用 EthBridge 維系 Layer 1 和 Layer 2 之間的連接，調用 EthBridge 合約可以實現主網與 Arbitrum 鏈的交互。AVM Architecture 之上是 Arbitrum 底層運行的虛擬機 AVM，ArbOS 完全在 AVM 中運行，負責管理和執行智能合約。最重要的是，ArbOS 為智能合約提供了與 EVM 兼容的執行環境。左上方的用戶在使用錢包或前端工具與 Arbitrum 進行交互時，無需使用新的工具，開發人員也無需進行額外開發，可以直接將現有的 Solidity 合約轉移到 Arbitrum 中。

與 Optimistic Rollup 的思路相同，Arbitrum Rollup 使用欺詐證明保證網絡安全。相同的，Arbitrum 中也會有專門的運營者和驗證者，運營者需要繳納押金防止作惡。專門的驗證者對運營者錯誤行為進行監督，否則每個交易參與者都親自驗證監督的話，會影響用戶體驗。在進行爭端仲裁時，Arbitrum 會在鏈下對爭議內容進行拆分，在確定了最小的爭議范圍之后再調用以太坊合約進行決策。因此在 Layer 1 層面的驗證上，Arbitrum 的效率會更高。

在 Arbitrum 中，同樣需要為使用虛擬機支付 Gas，這體現為 ArbGas，也是對 Arbitrum 運營者的經濟補償。ArbGas 用于評估 AVM 中執行計算所花費的時間，1 億 ArbGas 大約等于 2020 年初 Offchain Labs 開發者電腦的 1 秒 CPU 時間。每條 AVM 指令的 ArbGas 成本是通過測量設置的，與以太坊中的 Gas 計算有所不同。目前在測試版本中，默認的費用設置為零。

分析 | 肖颯律師解讀五部門風險提示:今日，大成律師事務所律師肖颯在其個人公眾號上發文，解讀銀保監會等五部門共同發布的《關于防范以\"虛擬貨幣\"\"區塊鏈\"名義進行非法集資的風險提示》。肖颯表示，風險提示中明確提出\"代為投資，極可能是詐騙活動\"。這句話具有重要的現實立案價值。這就意味著，ETH等也有望成為詐騙罪的犯罪對象，而不僅僅是2013年被定性的特定的虛擬商品一比特幣。也就是說，未來詐騙罪立案的范圍可能會較大幅度擴大，保護的范圍也在擴大。[2018/8/27]

zkSync 由 Matter Labs 開發實現，基于 ZK Rollup 技術，通過密碼學證明鏈上數據的真實性保證資產安全。運營者在上傳數據時會附加有效性證明，主網可以在數據上傳時即時驗證信息，所以讓 Layer 2 達到和主網同等的安全性。目前 zkSync 的生態包括 Curve、AAVE、Balancer、1inch 等，已經上線了主網，2.0 版本的主網預計在 2021 年 8 月上線。

zkSync 以用戶資金安全為首要目標，使用了加密技術 PLONK 和 RedShift。其中 RedShift 是一種透明通用的 SNARK，由紐約大學的 Assimakis 和 Matter Labs 的 Konstantin、Alexander 研究發現。在使用 zkSync 時，交易有兩部分成本：1. Layer 2 上的狀態儲存和 SNARK 生成成本，這取決于硬件的使用；2. 運營者支付將數據傳回以太坊主網上的成本以及驗證 SNARK 證明的成本，這取決于以太坊上的 Gas Price 價格。ZK Rollup 最大的阻礙就是與智能合約相關的有效性證明的驗證成本過高，因此不適用于智能合約的場景。zkSync 通過重新對智能合約編寫讓其適用在 ZK Rollup 中使用。但需要開發者重新使用 Zinc 語言部署合約，這將是目前 zkSync 未來最重要的計劃之一。

涉及 zkSync 中的交易轉賬時，用戶可以使用轉賬的代幣支付 Gas 費，沒有必須使用 ETH 的要求。目前 zkSync 網絡是由集中管理的方式運營，未來將引入多個角色讓網絡更分散，例如引入 PoS 共識機制等。為了維持運營者的收支平衡，zkSync 中的費用會隨著主網 Gas 費改變，但保證 zkSync 的使用費用始終比以太坊網絡低，ETH 轉賬低 20 倍以上，ERC20 代幣轉賬低 100 倍以上。未來 zkSync 還將推出自己的代幣用于治理和抵押，并上線更手續費更低的平臺 zkPorter。

今晚朱濤做客《金色講堂》解讀區塊鏈產業生態:4月12號晚20:00，《金色講堂》邀請中國高科技產業化研究會區塊鏈產業聯盟理事長、世界區塊鏈組織副總干事朱濤先生前來對目前區塊鏈技術的國際化出路進行講解，針對區塊鏈如何有效實現產業應用的方向進行分享，讓學員深入了解技術的的最終歸宿是什么。[2018/4/12]

zkPorter 將和 zkSync 2.0 版本主網一同上線，zkPorter 中的數據將被轉移到鏈下，可以與 zkSync 賬戶無縫交互，其中賬戶的數據可得性將由守護者（Guardian）的 zkSync 代幣持有者保障。守護者需要抵押 zkSync 代幣并參與 PoS，如果數據不可得，他們將失去抵押的資金。

StarkWare 是基于 ZK Rollup 技術實現的擴容方案，目前的客戶有 DeversiFi、iMMUTABLE，dYdX。不同于 zkSync，StarkWare 使用的是 STARK 技術，一種簡潔全透明的零知識證明。Cairo 是 StarkWare 推出的圖靈完備使用 STARK 證明的平臺，以上的應用也是基于 Cairo 搭建的。除此之外，StarkWare 還推出了交易平臺 StarkEx。

StarkWare 還開發了一種名為 Validium 的模式，在這種方案下，用戶將交易數據發給委員會成員，他們的數據會被儲存在鏈下，降低了 ZK Rollup 中的資金的安全性，但由此效率會有所提高，更適用于高頻的場景。

Polygon 是 Matic 網絡的升級產品，與 Matic 成為兩個不同的擴容解決方案。Matic 使用了 Plasma 框架，來保證側鏈的去中心化和安全性。Matic 在 Plasma 鏈中應用了基于賬戶的模型，不同于其他 Plasma 中的 UTXO 系統，這讓 Plasma Matic 適用于以太坊系統，支持 EVM。Plasma 側鏈使用 PoS 共識機制，質押 Matic 代幣可以成為網絡中的驗證者。Polygon 的獨立側鏈完全與以太坊適配，因此用戶和開發者的學習成本為零，通過橋鏈接支持互操作性，側鏈中有獨立的驗證者保證安全。Polygon （Matic）目前上線了側鏈和 Plasma 兩個以太坊擴容方式， ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 產品在未來的規劃中。這是為了實現不同用戶的擴容需求，例如企業級應用、初創公司和專注網絡安全的公司等。Aavegotchi、Easyfi、SportX、Aave 等應用使用了 Polygon 的架構。

圖 2：Polygon 中的固定鏈模式（左）和獨立鏈模式（右）

xDai Chain 是 MakerDAO 基金會推出的以太坊兼容側鏈，以 xDAI 為網絡交易的支付工具，xDAI 與 DAI 同比例兌換。由于兼容 EVM，以太坊中所有應用都可以直接遷移到側鏈上。目前 xDAI 的生態應用有很多，包括 1Hive，Honeyswap，Perpetual Protocol，Sushiswap，Unique.one 等等。

xDai 側鏈使用了權益證明機制 POSDAO 進行記賬和治理，采用了雙層代幣模型，除了 xDai 作為支付代幣外，還發行了 STAKE 代幣作為治理代幣。目前的驗證節點還是中心化的受信任的節點，未來會逐漸開放。在以太坊 2.0 節點，xDai Chain 將成為一個分片或者 Rollup 加入到以太坊網路中。

除了專注以太坊 Layer 2 領域的項目外，還有一些原本目標是高速可擴展的公鏈，但實際中與以太坊運行環境不斷靠近讓其逐漸有了 Layer 2 項目的影子，如 Harmony，Celer Network，BSC，Heco 等。跨鏈協議 Polkadot 上的項目也在探索與以太坊上應用的適配，例如 Acala EVM 成功部署了 Uniswap 合約并運行。

最典型的例子是 BSC 和 Heco，這兩者使用的虛擬機和以太坊相同，開發者可以直接將智能合約從以太坊上遷移過來。而且 BSC 和 Heco 在底層改變了公鏈的共識機制等參數，出塊速度更快并實現了更大的承載量，用戶可以在節約交易花費。如果其他公鏈在兼容性與以太坊相稱的話，就可以被視為以太坊上的側鏈，也就是廣義上的 Layer 2。

各種 Layer 2 方案層出不窮，我們在第一部分指出，Layer 2 的競爭力在于降低開發者難度以及提高用戶體驗，因此未來所有 Layer 2 還將朝著這兩個方向進行，例如 Optimistic Rollup 類產品改善欺詐證明和挑戰期的用戶體驗，ZK Rollup 對虛擬機和智能合約方面進行開發，讓其更適用于目前的 DeFi 應用。側鏈的實現雖然較為容易，但要提高資金安全和去中心化方面的保證。

Layer 2 層面上，很難在降低手續費、可擴展性、去中心化、數據可得性這幾方面同時實現平衡。隨著 Layer 2 技術的不斷發展，例如最新的 Rollup 技術，如果忽視挑戰期或智能合約造成的不便，已經在去中心化和數據可能性方面實現了進步。然而為了追求更快的交易速度和降低手續費，比如 zkPorter 和 Validium 模式中，只能靠犧牲數據可得性來實現，不得不將數據轉移到鏈下儲存。不難理解，為了達成更高的效率，只能盡可能少地使用鏈上資源，也就是交給運營節點更多的權力，所以需要更完善的機制設計避免節點作惡。未來 Layer 2 方案會在速度、費用、去中心化和數據可得性這幾方面進行取舍，針對不同的場景會出現不同的解決方案。

對于 Layer 2 的運營者或驗證者來說，進行相關工作需要經濟上的激勵。對于大多數 Layer 2 網絡來說，發行代幣也是未來趨勢，主要用于治理或激勵。但對于使用同一種技術的項目來說，例如 OE 和 Arbitrum，經濟激勵的設計也是他們的競爭力之一。就像 DeFi 生態中的競爭，如果 Layer 2 的對參與者的激勵更多，那就會因此吸引更多的運營者和驗證者來保證網絡安全。

Layer 2 只是以太坊上的工具，更重要還是運行在 Layer 2 上的應用。可以看出，與 Layer 2 項目合作最多的是需要高頻交易的 DEX。隨著 DEX 項目的升級，例如 Uniswap 的 V3 版本，在 Layer 2 上運行的需求就更強烈。未來 Layer 2 上的競爭也是 Layer 2 上應用之間的競爭，因此對于 Layer 2 來說爭奪應用更為關鍵，尤其是需要高頻交易的應用。

除了側鏈網絡，Rollup 技術的 Layer 2 解決方案的開發進度是低于預期的，因此難以判斷上線之后是否能真正符合預期，開發難度是目前 Layer 2 面臨的問題。Layer 2 之間的互操作性也是目前 Layer 2 方案面臨的問題，不同的 Layer 2 是由不同智能合約控制的，因此在相同 Layer 2 中應用進行交互才能降低手續費。如果同一應用部署在不同的 Layer 2 中，則會影響它的流動性。因此跨 Layer 2 解決方案也是目前的研究方向。

上文是對目前以太坊 Layer 2 中主流項目競爭格局和趨勢的分析，Layer 2 作為連接以太坊底層和應用的中間層，也是以太坊主鏈上的擴容工具。最需要關注的就是為應用開發者和用戶層面上的使用體驗，尤其是對應用的爭奪。由于在不同的 Layer 2 會影響應用的交互性，形成 Layer 2 層面上完整的生態是理想的狀態。

雖然各 Layer 2 方案都朝著提高可用性的方向發展，但最后不會出現統一的勝出者，這是因為在不同場景中會出現不同需求。例如在高頻交易場景下人們會更對手續費更敏感，這就可以犧牲掉部分的數據可用性以經濟機制來防止作惡。但在其他更需要安全性的場景下，就可以使用完全數據可用的方案。

為了維持 Layer 2 方案的可持續性，處理運營者和用戶之間的關系同樣重要。如果對運營者的激勵過少，那么可能沒有足夠的運營者和驗證者維持網絡的去中心化和安全。如果對用戶收費過多，也可能造成用戶和應用的流失。尤其是大部分 Rollup 方案都采用了與主網不同的 Gas 費收取方式，是否能實現運營者收支平衡還需上線后再做評估。

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