ROL:一文了解Layer2模型、分類、具體方案

原文標題：L2-理解和思考

Layer2是個大的話題。是否去中心化，是否安全，資金狀態確認時間是Layer2的主要的討論話題。最近有點時間，總結一下Layer2的理解和思考。

Layer2，相對于Layer1，在Layer1的基礎上提供更豐富功能，更好的用戶體驗。抽象一下Layer2的邏輯以及交互模型如下：

除了Layer1的交易外（入金），其他Layer2的交易都在Layer2執行。為了Layer2在必要時恢復交易狀態，所有Layer2的交易數據需要安全存儲。簡單起見，也為了和Layer1保持一樣的安全性，所有Layer2的交易數據一般存儲在Layer1。這種交易數據的隨時可訪問，稱為"Data Availability"（數據可用性）。所有的Layer2交易都在Layer2執行，并同步到Layer1。如何證明Layer2同步的狀態正確，不同的layer2方案有不同的實現方法。

Cosmos Hub完成V9 Lambda升級并上線Replicated Security功能:金色財經報道，基于Cosmos的Cosmos HubCosmos Hub宣布已完成V9 Lambda升級并上線Replicated Security功能。此前稱為Interchain Security，該機制將讓其他區塊鏈放棄自己的驗證器并切換到 Cosmos Hub 的安全性和驗證器集。新產品應該為 Cosmos 生態系統中的鏈提供更多安全選項，并提升 Cosmos Hub 的存在感。

Replicated Security還將有助于使 Cosmos Hub 在更廣泛的生態系統中發揮更大的作用，并為其原生 atom 代幣提供更多用途。[2023/3/15 13:05:41]

從Layer2狀態同步方式，Layer2分為兩類：一類是側鏈實現（Side Chain），一類是Rollup。側鏈，就是通過不同于Layer1的共識進行Layer2狀態向Layer1的同步。僅從這一點，整個側鏈的安全性，就降低到Layer2的共識的安全性。Rollup又分為兩種：一種是zkRollup，一種是Optimistic Rollup。所謂Optimistic Rollup，樂觀性Rollup，期望絕大多數情況下Rollup正確向Layer1同步狀態。同時，為了防止同步錯誤的狀態，提供了挑戰機制。樂觀預計挑戰的機率比較小。在需要挑戰的情況下，Layer1可以判斷正確狀態。zkRollup是最直接的狀態同步方式，通過零知識證明技術，在向Layer1提交狀態的同時提供狀態變化的證明。Layer實現分類如下：

Michael Saylor：MicroStrategy將于明年發布由比特幣閃電網絡提供支持的軟件應用程序和解決方案:金色財經報道，MicroStrategy 創始人 Michael Saylor 周三在 Twitter Spaces 中談到了公司的計劃，MicroStrategy 將在 2023 年發布由比特幣閃電網絡提供支持的軟件應用程序和解決方案，目前正在探索的閃電網絡服務領域包括在線內容貨幣化、企業營銷、網絡付費墻和內部企業控制。[2022/12/29 22:15:16]

zkRollup，按照采用的零知識證明協議又分為三類：1/ Groth16 2/ PLONK 3/ STARK。Groth16協議需要針對每一個電路進行初始設置(Trusted Setup)。PLONK協議在一定規模下的電路只需要一次初始設置。STARK協議不需要初始設置。但是，相對另外兩種算法，STARK協議，證明數據量大，驗證時間長。相對來說，在Layer2的場景下，PLONK是目前廣泛使用的算法。

Pontem Network：Pontem錢包現已成為谷歌Chrome商店擴展應用:8月17日消息，據Aptos生態瀏覽器插件錢包Pontem Network官方社交媒體稱，Pontem Network旗下Pontem錢包現已成為谷歌Chrome商店擴展應用。Pontem Wallet將原生集成到基于Aptos構建的應用程序中，首先集成Pontem Network構建的AMM交易所LiquidSwap。Pontem表示，之后用戶將不再需要用錢包連接到DEX，而是在錢包中就有DEX，并在插件錢包中提供交易接口，還計劃為錢包以及Aptos/Move的第三方應用程序添加流動性質押。

此前，Pontem于2021年6月完成450萬美元融資，Mechanism Capital和Kenetic Capital領投，Alameda Ventures、Delphi Ventures、Animoca Brands、NGC Ventures等參投。[2022/8/17 12:31:11]

STARK協議和SNARK(Groth16/PLONK)協議比較（來源于Matter Labs的github鏈接）：

FTX現已支持ERC-20 GMT:據官方消息，FTX現已支持ERC-20 (Ethereum) - GMT。[2022/7/6 1:55:59]

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

總結一下，從安全性角度看，各種Layer2的排序如下：zkRollup，optimistic Rollup，側鏈。從提現的時間也印證了安全性，zkRollup的提現是分鐘級別，其他兩種方案，小時甚至是天級別。zkSync是比較完善的zkRollup開源項目，zkRollup，雖好，目前存在很大的缺陷：可編程性差。

相對其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk證明系統。也就是說，在Layer2每個交易除了“執行”外，還需要生成證明，證明執行過程的正確性。熟悉零知識證明技術的小伙伴都知道，零知識證明的安全性在于”電路“的安全性。對于Layer2，每種交易的處理”固化“為電路，電路邏輯完全公開。對應于每種電路，存在唯一的驗證秘鑰。驗證秘鑰用在Layer1驗證狀態證明。通過驗證的狀態證明，符合固化電路的邏輯。

歐洲央行執委：2023年底可就啟動數字歐元的實現階段作出決定:5月16日消息，歐洲央行執委帕內塔表示，在2023年底，我們可以就啟動數字歐元的實現階段作出決定。數字時代的公共資金必須保持貨幣錨的地位，數字歐元將強化貨幣主權。（金十）[2022/5/16 3:19:23]

關鍵就在于Layer2交易的執行和固化電路語義是否一致。公開電路就是一種共識方式，供所有人查閱電路邏輯。簡單的說，為了實現zkRollup，需要實現Layer2執行對應的電路。事實上，電路的實現相對復雜，沒有高級語言，很多情況下都是手寫R1CS。進一步，為了利用zk證明系統，為了優化電路的實現，整個Layer2的狀態經常優化為電路友好結構（merkle樹）。所以，zkRollup的系統需要考慮電路的結構，從而約束了Layer2交易以及賬戶模型。細心的小伙伴可以發現，不管是zksync/zkswap/loopring，都只實現了特定交易場景。

反過來說，如果需要通過zkRollup支持EVM的交易執行，需要將EVM的交易抽象成電路友好的賬戶模型。這種抽象并不容易，再者，EVM的描述電路可以預見比較大。從零知識證明的性能看，這方面會限制整個zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整個zkRollup方案的主要gas消耗為三部分（withdraw不考慮在內）：

Transaction Raw Data：在zksync中稱為pub data。為了保證data availability，所有的Layer2的交易都會以裸數據的形式提交到Layer1。

Layer2 Block管理：在Layer2提交區塊狀態時，Layer1維護著Layer2的區塊結構和狀態。

驗證Layer2 Block狀態：在Layer2提交證明時，Layer1需要驗證狀態證明。

以一個區塊350筆交易，每個交易的Transaction Raw Data的大小為20字節為例，一個區塊處理的gas消耗：

雖然上述的數據不是精確值，但是足以說明交易原始數據在整個zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。從這個角度看，Layer2的有些項目選擇通過其他鏈下的方式存儲交易數據。

Optimistic Rollup兼容EVM。也就是說，Layer2支持可編程性，并且在以太坊上的程序幾乎無縫遷移。為了保證鏈上的狀態正確，這兩種方案都提供一段時間內的挑戰機制。挑戰者提供挑戰的證據，Layer1抉擇正確與否。

Optimism采用OVM執行Layer2交易。取名OVM是為了區分Layer1的EVM。因為提交到Layer1的狀態需要檢驗正確性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是說，Layer1在有些情況下需要執行OVM交易的執行。Optimistic Rollup最復雜的地方也在于此，用EVM模擬OVM，并執行Layer2的交易。可想而知，在Layer1的EVM模擬OVM的執行是比較繁瑣，消耗較大的操作。

Arbitrum也是采用挑戰機制。為了避免挑戰的gas費用低，Arbitrum引入了AVM：

相對于EVM，AVM是一個相對簡單的虛擬機。Arbitrum在AVM虛擬機上模擬EVM執行環境。也就是說，所有的Layer2交易都是在AVM執行，交易的執行狀態可以用AVM狀態表示。在提交到Layer1的狀態有分歧時，挑戰雙方（Asserter和Challenger）先將狀態分割，找出“分歧點”。明確分歧點后，挑戰雙方都可提供執行環境，Layer1執行相關操作確定之前提交的狀態是否正確。在Layer1挑戰的是AVM的狀態，分歧點的AVM的指令執行。

簡單的說，為了省挑戰的gas費用，Arbitrum采用了精簡的AVM（非常方便狀態表示），通過快速分割，在鏈上只需要執行一個指令，判斷狀態是否執行正確。Arbitrum介紹文檔中提到，整個挑戰需要大概500字節的數據和9w左右的gas。在AVM的基礎上，Arbitrum設計了mini語言和編譯器，模擬了EVM的執行環境，從而兼容EVM。

總結：

Layer2，相對于Layer1，在Layer1的基礎上提供更豐富功能，更好的用戶體驗。資金狀態確定性時長，安全性，可編程性是目前討論的焦點。zkRollup是資金狀態確定性最快的方案。optimistic Rollup/側鏈具有可編程性。zkRollup支持EVM的證明是個期待的方向。

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