V神最新大作 : 混合式Layer 2 协议的曙光

编译：洒脱喜

注：原文作者是以太坊创始人Vitalik Buterin，以下是译文内容。

特别感谢Plasma Group团队提供的审阅及反馈工作。

目前2层（layer 2）扩容方法（基本上是指Plasma和状态通道）正从理论阶段走向实践阶段，但同时，这些扩容技术所存在的内在挑战也越来越容易被看到，也因此它们距离成为成熟的以太坊扩容技术还有一段距离。以太坊在很大程度上可以说是成功的，因为它的开发体验是非常简单的：你编写一个程序，发布该程序，任何人都可以与之交互。另一方面，设计一个状态通道或Plasma应用，依赖于很多关于激励和特定于应用的开发复杂性的明确推理。对于特定的用例，例如相同的两方之间的重复付款和二人博弈游戏（如在Celer中成功实现的那样），状态通道是适合的，但对于更广泛的应用而言，这被证明是具有挑战性的。而Plasma（尤其是Plasma Cash），在支付方面可以很好地发挥作用，但面对更多的应用也同样会面临挑战：即使实施一个去中心化交易所，也需要客户端存储更多的历史数据，在Plasma上应用以太坊式智能合约似乎也非常困难。

但与此同时，一个被遗忘的“半layer-2”协议类别又重新出现了——这个类别在扩展性方面的收益较小，但其具有更容易泛化和更有利安全模型的好处。在一篇被大家遗忘已久的博客文章中，我介绍了“影子链”（shadow chain）的概念，即区块数据发布在链上，但默认情况下区块不会被验证的一种架构。相反，区块是被暂时接受的，只有在一段时间（比如2周）后才能最终确定。在这两周内，一个暂时接受的区块可能会受到挑战；只有这样才能验证该区块，如果该区块被证明是无效的，那么该区块所在链将被恢复，并且原始发布者的存款将受到惩罚。合约不会跟踪系统的完整状态，它只跟踪状态根（state root），用户自己可通过从头至尾处理提交给链的数据来计算状态。而最近出现的一个ZK Rollup提议，通过使用ZK-SNARKs验证区块的有效性，在没有挑战期的情况下做同样的事情。

在链上发布ZK Rollup包（package）的剖析图：影响ZK Rollup系统状态（即帐户余额）的数百笔“内部交易”被压缩成一个包（package），每笔内部交易包含约10个字节，用于指定状态转换，再加上一个约100-300字节的SNARK（证明转换都是有效的）。

在这两种情况下，主链用于验证数据可用性，但不（直接）验证区块有效性或执行任何重要的计算，除非有挑战被提出。因此，这种技术并不具有惊人的可扩展性收益，因为链上数据开销最终会成为瓶颈，尽管如此，它依然是一个非常重要的技术。数据比计算便宜，有很多方法可以非常显著地压缩交易数据，特别是因为交易中的大部分数据是签名数据，很多签名可通过多种形式的聚合压缩为单个签名。zk rollup通过将每笔交易压缩到仅10个字节，其可承诺每秒500笔交易，这比以太坊链本身的吞吐量高出30倍。签名不需要包括在内，因为有效性由零知识验证。而使用BLS聚合签名，可以在影子链中实现类似的吞吐量（最近称为“optimistic rollup”，以突出其与ZK Rollup的相似性）。而即将到来的以太坊伊斯坦布尔硬分叉，将把数据的gas成本从每字节68单位降低到每字节16单位，从而将这些技术的吞吐量再提高4倍（即TPS会超过2000）。

那么，数据链上（on-chain）技术（如zk/optimistic rollup）与数据链下技术（如plasma）相比有什么好处呢？首先，前者不需要半可信的运营者。在ZK Rollup中，由于有效性是由加密证明验证的，所以package提交者没法实现恶意破坏（根据设置，恶意提交者可能会导致系统停止几秒钟，但这是可实现的最大危害）。在optimistic rollup中，恶意提交者可以发布坏区块，但下一个提交者将在发布自己的区块之前立即挑战该区块。在ZK rollup和optimistic rollup中，在链上发布足够的数据，允许任何人计算完整的内部状态，只需按顺序处理所有提交的delta，并且没有可夺走此属性的“数据预扣攻击”。因此，成为一个运营者可能是完全没有权限的，所需要的只是一个用于反垃圾交易目的的保证金（比如10eth）。

第二，optimistic rollup特别容易概括；optimistic rollup系统中的状态转换函数实际上可以是任何可在单个区块的gas限制内计算的函数（包括提供验证过渡期所需状态部分的Merkle分支）。尽管在实践中，使ZK SNARKs超过通用计算（例如EVM执行）是非常困难的(至少目前而言是这样），ZK Rollup在理论上也是可用同样的方式进行概括的。第三，optimistic rollup更容易构建客户端，因为其对第二层网络基础设施的需求更少，只需扫描区块链就可以完成更多的工作。

但这些优势来自于哪里呢？答案在于一个被称为数据可用性问题的高级技术性问题（请参阅注释、视频）。基本上，在第二层系统中有两种欺骗方法。第一种是将无效数据发布至区块链，第二种方法是根本不发布数据（例如，在Plasma中，将新Plasma区块的根哈希发布到主链，但不向任何人透露区块的内容）。已发布但无效的数据很容易处理，因为一旦数据在链上发布，就有多种方法可以明确地确定其是否有效，而无效的提交则是明确无效的，因此提交者可能会受到严重惩罚。另一方面，不可用的数据会更难处理，因为即使在受到质疑时可检测到不可用性，也无法可靠地确定未发布的数据是谁的错误，尤其是在数据被默认保留的情况下，仅当某些验证机制试图验证其可用性时才按需显示。这一点在“渔夫困境”（Fisherman’s dilemma）中得到了说明，它显示了一个挑战响应游戏如何无法区分恶意提交者和恶意挑战者：

渔夫困境，如果你只在时间T3开始查看给定的特定数据，那么你不知道自己是处在Case 1还是Case 2中，因此谁是错误的呢？

Plasma和状态通道，通过将问题推给用户，都是围绕解决“渔夫困境”问题：如果你作为用户，你决定你正在与之交互的另一个用户（状态通道的交易对手，或者Plasma链的运营者）不向你发布他们应发布的数据，那么你有责任退出，并转移到另一个交易对手/运营者。事实上，作为一个用户，你拥有所有以前的数据，以及关于你签署的所有交易的数据，这允许你向链证明你在 layer-2协议中拥有哪些资产，从而安全地将它们带出系统。你证明了一个（先前同意的）给了你资产的操作的存在，没有其他人能证明你批准的将资产发送给他人的操作的存在，所以你得到了资产。

这种技术很优雅，然而，它依赖于一个关键的假设：每个状态对象都有一个逻辑上的“所有者”，并且没有所有者的同意就无法更改对象的状态。这对于基于UTXO的支付而言是好的（但不适用于基于账户的支付，因为在这种情况下，你可以在没有他人同意的情况下向上编辑他人的余额；这就是基于账户的Plasma如此困难的原因），它甚至可用于去中心化交易所，但这种“所有权”属性还远远不够。一些应用程序（例如uniswap）并不具有自然所有者，即使在那些拥有所有者的应用程序中，也常常有多个人可合法地对对象进行编辑。而且，如果不引入拒绝服务（DoS）攻击的可能性，就无法允许任意第三方退出资产，准确地说这是因为无法证明发布者或提交者是否有过错。

另外，Plasma和状态通道也存在各自特有的问题。状态通道不允许已不是通道一部分的用户进行链外交易（理由：假设存在从通道内部向任意新用户发送1美金的方法，然后，这种技术可被多次并行使用，将1美元发送给比系统中资金更多的用户，已破坏了其安全保证）。Plasma要求用户存储大量的历史数据，当不同的资产可相互缠结时，这些数据会变得更大（例如，当一项资产以另一项资产的转移为条件进行转移时，就像在具有单段式（single-stage）买单机制的去中心化交易所中发生的那样）。

由于数据链上计算链下（data-on-chain computation-off-chain）第2层技术没有数据可用性问题，所以它们没有这些弱点。ZK rollup和optimistic rollup非常小心地在链上放置足够的数据，以允许用户计算第2层系统的完整状态，确保如果任何参与者消失，新的参与者都可轻松取代他们。它们唯一存在的问题，是在不进行链上计算的情况下验证计算，这是一个更容易解决的问题。而且，扩展性获得了显著的提高：在ZK Rollup中，每笔交易大约有10个字节，通过使用BLS聚合签名，可以在optimistic rollup中实现类似级别的可扩展性。这相当于目前理论上每秒最多可支持500笔交易，而在伊斯坦布尔硬分叉后，就可实现超过2000 TPS。

但如果你想要实现更多的可扩展性呢？然后，在数据链上layer 2和数据链下layer 2 协议之间有一个很大的中间地带，有很多混合方法可以为你提供这两者的一些好处。举个简单的例子，可通过发布一个映射来防止在Plasma Cash上实现的去中心化交易所的历史存储爆炸问题，该映射表示哪些订单与链上的哪些订单（每个订单小于4字节）匹配：

左边：如果Plasma Cash用户拥有1个币，他们需要存储的历史数据。中间：如果Plasma Cash用户拥有1个使用原子交换与另一个币进行交换的币，他们需要存储的历史数据。 右边：如果订单匹配在链上发布，Plasma Cash用户需要存储的历史数据。

即使在去中心化交易所的环境之外，用户需在Plasma中存储的历史数据量，也可以通过让Plasma链定期在链上发布每个用户的一些数据来减少。我们还可以想象一个平台在某些状态没有逻辑“所有者”的情况下像Plasma一样工作（像ZK rollup或optimistic rollup那样）。Plasma开发人员已开始着手这些优化工作。

因此，对于layer 2可扩展性解决方案的开发人员来说，这种混合方案极大地提高了开发的易用性、通用性和安全性，并减少了每个用户的负载（例如，不需要用户存储历史数据）。这样做的效率损失也被夸大了：即使在完全脱链的layer-2结构中，用户在不同的交易对手和供应者的存款、取款和移动将是不可避免的，并且会经常发生，因此，不管怎样，都会有大量的每用户链上数据。混合路由（route）为在半layer-2体系结构中快速部署完全通用的以太坊式智能合约打开了大门。

另请参见：

1. Introducing the OVM

2. Blog post by Karl Floersch

3. Related ideas by John Adler