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GAS:深度解讀Optimism擴容方案:基本架構、Gas機制與挑戰

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Time:1900/1/1 0:00:00

作者:Web3erLiu,CatcherVC

本文重點

出于對安全和去中心化的考慮,ETH區塊Gas上限和出塊時間無法大改;Layer2擴容的實質是造一條TPS更高的鏈,把這條鏈的信息掛到以太坊上;Optimism的市場增值空間極大,其TPS上限可達1600,但吞吐量的實際利用率不到千分之一,未來發展潛力巨大;由于未開放對等節點,Optimism本地Sequencer出塊后,甚至要1小時才可以驗證其正確性,延時過長;當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行出塊節點,存在嚴重的中心化問題,其立足根基更多在于項目方的“信用”,而非“程序正義”本身;Optimism在進行EVM等效性升級后,其“欺詐證明”機制無法使用,官方稱將于未來解決該問題。真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。如果無法及時讓用戶參與網絡維護,那么所謂的Layer2將和傳統金融平臺毫無區別。?

前言

隨著ETH合并正式邁入進程,Layer2和Rollup在區塊鏈行內逐漸成為顯學。究其本源,Layer2的目的是提高系統每秒處理的交易數量,并降低Gas費。前者是整個Layer2擴容的最核心要點,后者則是提升Layer2交互體驗的關鍵。

依照其定義,TPS=一段時間內處理的交易筆數/耗時,套用在區塊鏈領域,若忽略分叉或區塊重組等情況,可粗略視TPS=平均每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間。對普通公鏈而言,提升TPS面對的是區塊擴容和出塊時間問題,同時,TPS的實際值還牽涉到公鏈采用的Gas機制,無論是ETH還是BSC和Polygon都不出其右。

但提升區塊Gas容量或縮短出塊時間都會破壞安全性,究其根源,以太坊擴容要面對的是“不可能三角”問題,要如何提高效率,又保障安全和去中心化,始終處在紙上談兵、懸而未決的階段。

對此,以Optimism和Arbitrum為代表的Layer2憑借高效率、低Gas的旗號快速崛起,頗為矚目。在靠著精妙敘事吸引各路資本、靠著超低Gas收獲廣大用戶的同時,其固存的中心化問題卻日漸明晰,引起越來越多的關注與質疑。

本文將以重要細節揭示在確保去中心化的前提下,Layer1擴容所面臨的困境,以及典型的高效Layer2項目存在的重大問題。

以太坊的Gas機制

決定以太坊效率的關鍵因素之一是其所采用的Gas機制。在以太坊系統中,Gas是一種計量形式,反映了不同操作的復雜度。就像汽車行駛需要消耗汽油一樣,在以太坊上交易會產生Gas消耗。一筆最簡單的ETH代幣轉賬,Gas消耗為2.1萬。其他類型的操作,如普通的ERC—20代幣轉賬,或更復雜的合約交互,可產生幾萬甚至數十萬的Gas消耗。

Cube Chain已停止出塊31個小時:7月27日消息,據Cube Chain區塊鏈瀏覽器顯示,Cube Chain于7月26日13:04(UTC+8)停止出塊,最后區塊號為11950406,當前TVL為14萬美元。[2023/7/27 16:02:22]

以太坊的單個區塊有Gas上限,限定了一個區塊內全部交易指令可消耗的Gas總量,這就好比冰箱塞滿后就不能再裝東西。在去年的EIP-1559實行前夕,單個區塊的Gas上限約為1500萬,粗略算來最多可容納714筆ETH代幣轉賬,若將平均出塊周期13秒置入TPS計算式,則EIP—1559前以太坊的理論TPS上限是55。

但現實中很多交易是Gas消耗較高的合約交互,會大幅占用區塊的Gas容量,實際的以太坊TPS均值被壓低到20,擁堵不堪,這使得大量潛在的交易需求被排擠在鏈外。由于單筆交易的手續費=GasUsed×GasPrice,而GasUsed由系統決定,可視為常量,用戶發起交易后要付出比別人更高的GasPrice,才能率先被系統響應。最終,因系統特性產生的的供需缺口造就了高昂手續費,讓無數人叫苦不迭。

歸根結底,ETH本質上是關于交易權限的拍賣平臺,GasPrice就是競標者的出價,交易權限的歸屬由供需雙方通過競價機制撮合達成。這種設計契合區塊鏈的自由市場原則,卻埋下了內卷的種子。

縱觀以太坊的歷史,每逢有“加密貓”“5.19”一類的熱點事件激發交易需求,ETH鏈就會出現激烈的GasWar現象,誰付出的GasPrice越高誰的交易先上鏈,劇烈的價格戰讓Gas?Price水漲船高,不能支付高昂手續費的用戶被拒之門外,這使以太坊成為名副其實的“貴族鏈”,引發了無數爭端,也讓EIP—1559一度成為許多人眼中的“救星”。

但從事實來看,在去年備受矚目、對區塊的Gas機制做出大幅調整的EIP-1559,其核心作用也只是讓GasPrice的浮動范圍更可控,并降低ETH的通脹率及拋壓,而非直接壓低GasPrice或取締Gas競價機制。

雖然該提案將ETH區塊的Gas上限提升至3000萬,但只要新區塊的實際Gas消耗超過1500萬,下一個區塊內的GasPrice就會在系統調節下逐級漲價,這個過程可以持續多個區塊的時間,直到Gas?Price極高,攔住絕大多數人,讓新區塊可收納的交易數驟減,Gas消耗量回落至1500萬為止。

觀察統計數據,可以發現在EIP-1559施行的前后6個月內,以太坊的每日Gas消耗僅有不到10%的提升。考慮到這6個月內出塊周期穩定在13~13.5秒,則ETH每日出塊6500~6650個,每個區塊的Gas容量始終穩定在1500萬上下,并無明顯變化。

委內瑞拉對加密貨幣挖礦的禁令正在毀掉它曾經擁抱的行業:金色財經報道,委內瑞拉暫時禁止在國內開采加密貨幣,實際上正在扼殺總統尼古拉斯·馬杜羅努力推動的行業。?國家監管機構在對一項大型腐敗計劃展開調查后,于3月份首次下令停止加密貨幣挖礦。據稱,該計劃中,加密貨幣錢包被用于轉移欠國有石油公司Petroleos de委內瑞拉SA的款項。?[2023/6/26 21:59:29]

由于EIP-1559沒有真正改變區塊的Gas含量,以太坊的TPS沒有被改善,手續費居高不下,大量的潛在用戶仍滯留在以太坊系統外。

根據相關數據,當前的ETH擁有近2億個獨立地址,每日處理的交易筆數僅有100多萬筆;相比之下,Gas費較低的BSC每日處理的交易筆數高居500萬以上,其獨立地址數卻不到1.5億個。粗略估算下,ETH網絡最多滿足了約15%的交易需求。

出塊周期

從另一個角度看,由于TPS=每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間,出塊周期也是關系到TPS的關鍵。同時,出塊周期中的幾個階段可映射以太坊業務邏輯中的不同組分,這正是Layer2擴容思想的關鍵點。

需要強調的是,以太坊是由大量服務器節點組成的系統,其業務邏輯包含執行、共識、多方存儲3個部分。其中,

泛指對交易事件等指令進行處理,得到結果;指所有節點都認可執行的結果;指多個節點都存儲相同的內容,并可供外界讀取。在部分資料中,也將稱為,將稱為,這些叫法實質是互通的。

而一個出塊周期由以下步驟構成:

首先,礦池節點間通過選出一個優勝者,由其來完成交易的過程,制作新區塊;需要暴力窮舉隨機數,消耗大量算力,這些任務由礦池內的礦機完成,耗時較長;優勝的礦池節點會按照GasPrice的高低,從等待上鏈的交易事件中抓取一批來,得出結果,然后把交易信息和結果一并納入新區塊;之后,新區塊會被傳播給所有的以太坊節點,內容會被檢查。具體而言,檢查區塊的節點會讀取其內容,把里面的交易再執行一遍,看出塊礦池提交的數據是否正確。這就實現了;最后,若新區塊通過檢查,節點們會收錄新區塊,完成。所以,一個新區塊會被復制超過2000份,存儲在全網的以太坊節點里。更具體的說,所有的礦池節點、所有的全節點都會存儲一份。通過這種形式,以太坊節點間近似實現了“一致性”。

綜上,以太坊的一個完整出塊周期,包含+++4個階段。其中,和階段耗時最長。由于以太坊的礦池和全節點合起來超過2000個,這些節點要達成會產生大量的通訊時間;而是具備彈性的時間填充工具,其設計初衷就是為了讓出塊周期穩定在15秒左右。

金融科技巨頭Flutterwave獲得盧旺達電子貨幣許可證:金色財經報道,尼日利亞金融科技巨頭 Flutterwave宣布,它已在盧旺達獲得另外兩個牌照,這將有助于其擴大在東非的業務。這些許可證稱為電子貨幣發行人和匯款許可證,由盧旺達國家銀行頒發。

根據一份聲明,擁有這兩個許可證還允許 Flutterwave 部署其包括跨境匯款解決方案在內的一系列產品。包括 Flutterwave 的商店、支付鏈接、發票和結帳在內的產品也將可供盧旺達的個人和企業使用。[2023/3/21 13:15:56]

為何要讓出塊周期固定在13秒?這是出于對安全性和去中心化的考量后,所得出的較優解。由于以太坊節點眾多,且物理位置分散,出塊太快會增大節點間信息差,破壞;比如,如果將以太坊出塊周期降至0.1秒,而將信息傳播至美國和歐洲的不同節點時,存在1秒的時差,那么美國和歐洲的節點間就會存在10個區塊的信息差異,這就違背了區塊鏈的設計理念。

如果強行將區塊擴容,也會加劇不同節點間的信息差。比如,若將ETH區塊的Gas容量提升10倍,則每個區塊包含的交易數量會提升10倍,不同節點間可產生的信息差也會增加10倍。

按照相關資料,直到以太坊完成POS轉型前,其出塊周期都會穩定在13秒,轉型POS后,出塊周期也只會縮短1秒,穩定在12秒。如此算來,POS轉型最多會讓以太坊的TPS提升10%,有如杯水車薪。

目前,在保證安全性和去中心化程度不變的前提下,ETH的區塊Gas容量與出塊時間基本達到理論上的極限,已無太大優化空間。

OPRollup擴容方案

如前文所述,出于周全考量,以太坊的區塊容量和出塊周期無法做出太大變動,其TPS基本維持在20以下,近兩年來從未有太大改善。

對此,ETH官方以外的擴容方案走上了不同的道路。BSC、Polygon等完全獨立于ETH的公鏈對區塊參數做出了修改。以BSC為例,目前其區塊Gas容量上限為8000萬,可達ETH的2.7倍;同時,BSC將參與共識的節點數量壓縮至20幾個,僅為ETH的1%,極大壓縮了節點達成共識的時間,出塊周期縮短到了3秒。這雖然將TPS上限提高到了以太坊的10倍以上,但卻與ETH網絡“百煉成鋼”的安全性完全割裂,去中心化程度也遠低于ETH。

以Rollup為代表的Layer2則秉持不同的理念。雖然其本質也是以太坊之外的公鏈,但仍在很大程度上依附于以太坊的安全性。比如,OPRollup會把Layer2的區塊鏈副本壓縮存儲至以太坊主網,同時:

Coinbase Support:正在處理以太坊網絡存款延遲問題:金色財經報道,Coinbase Support表示,正在處理以太坊網絡存款延遲問題。資金是安全的。[2023/1/5 10:23:02]

Layer2本地的出塊周期僅保留交易的階段;被取消;功能被轉移至以太坊網絡;過程由Layer2的驗證者節點完成,但并不包含在Layer2本地的出塊周期內。?

Optimism的原理

以OPRollup方案中最典型的Optimism為例,其4個最重要的模塊分別為Sequencer、Verifier、CTC、SCC。其中,Sequencer和Verifier是有硬件實體的Layer2節點,兩者基本構成了Layer2的節點網絡;CTC和SCC是部署在以太坊上的合約,這4個模塊組成了Optimism的核心架構。

Sequencer是一個中心化的礦池節點,負責在Layer2本地出塊。Optimism取締了過程,由唯一的Sequencer擔任礦工,且不會立刻讓其他節點做驗證,這節省了大量時間。目前的Sequencer執行完交易馬上就能敲定區塊,本地出塊時間甚至只需1秒,從根源上提高了TPS。

但是,Sequencer具備很強的中心化特征,它實際上制造了一條獨立于以太坊的側鏈,若沒有和流程,必然缺乏安全保障。為了解決這個問題,Optimism在其早期文檔中指出,Sequencer必須質押一定量的資產,并且:

每隔幾分鐘,Sequencer節點會把本地區塊的壓縮版本存儲至ETH主網;這些內容包括交易數據的摘要,以及交易發生后的狀態根StateRoot。這個過程就是Rollup;交易數據的摘要被存入ETH上的CTC合約,對應的狀態根存入SCC合約。這會產生兩筆交易事件,此過程中,以太坊系統只負責內容,不會去檢驗正確性;Layer2的Verifier會自動讀取Sequencer存儲至以太坊的內容,對其進行審查,這個步驟與以太坊的類似。當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行Sequencer節點,存在嚴重的中心化問題。

CTC和SCC是Optimism官方部署在以太坊上的合約,兩者以Batch的結構,分別記錄了Layer2交易數據的摘要,以及每筆交易執行后Layer2狀態樹的根哈希值。從外觀看,CTC和SCC就像兩個賬單列表。

Layer2的Verifier會自動讀取CTC和SCC這兩個合約中的記錄,盡量拼湊出Sequencer本地的區塊內容,并進行驗證。

加密貨幣借貸平臺Nexo計劃未來6個月內回購5000萬美元NEXO代幣:金色財經消息,據外媒報道,加密貨幣借貸平臺Nexo計劃在未來6個月的時間內回購價值5000萬美元的NEXO代幣,其此前于2021年11月至2022年5月之間回購了1億美元的NEXO代幣。被回購的代幣將被發送到公司的鏈上投資者保護儲備金中,并分12個月釋放,之后將會用于平臺上的利息支付或進行戰略投資。(CoinDesk)[2022/8/31 12:58:53]

若Verifier發現Sequencer提交的數據有問題,便可發起質疑,并提交自認為正確的版本,挑戰成功便可改寫CTC與SCC中的錯誤數據,并獲取一定量的代幣獎勵;Sequencer若被挑戰成功,確認有不誠實行為,則受到一定懲罰,其質押的資產會被扣除一部分;若質押余額低于劃定的閾值,則Sequencer被強制除名,不再有出塊資格;以上便是“欺詐證明”機制,指Verifier可披露Sequencer的欺詐行為。Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行,但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級,其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機,基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉,而新版的“欺詐證明”程序尚未發布。按照此前技術文檔,Optimism將挑戰的窗口時間設置為7天,若7天內沒有Verifier發起挑戰,則Sequencer發布的內容被敲定,無法再改寫。

從本質來看,Optimism是由Layer1和Layer2上的軟硬件實體組合成的跨域交互系統,其獨特的業務邏輯是在以太坊上構造Layer2區塊的映射版本。由于需要跨域傳輸信息,Optimism的Sequencer和Verifier需要運行以太坊客戶端Geth的山寨版:L2geth,通過該軟件,Sequencer方可實現橫跨Layer2和Layer1的交互。

Optimism的Gas機制及其細節

在Gas費問題上,由于Optimism業務流程有向以太坊存儲數據的步驟,其每筆交易的Gas費=Layer1部分+Layer2部分,而Arbitrum和Metis等其他OPRollup方案也不外如此。

其中,Layer2部分主要涉及Sequencer節點執行交易的費用。由于Sequencer的TPS上限極高,且當前Optimism的用戶較少,其本地GasPrice超低。計算公式為:L2Gas費=L2GasUsed×L2GasPrice。

據OP官方披露,一筆交易的Layer2部分僅占0.4%,剩余99.6%的Gas開銷來自于Layer1部分。將其轉化為簡單的算式:0.4%×執行費用+?99.6%×存儲費用。不難看出,交易的執行費用已經被大幅縮小了。

所以,執行步驟越復雜的交易,在Optimism上可節省的成本越多。比如,以太坊上一次要100美元的期權操作,在Optimism上只需要1.5美元左右,僅為1/60;以太坊普通轉賬要3美元,Optimism可能要0.3美元,為1/10。

而Layer1部分的Gas費,公式=?比例系數×。其中,固定開銷?來自于打包數據和跨域傳輸的過程,存儲開銷?是在ETH上存入數據產生的Gas,比例系數?則由Optimism官方設定,主要是為了預留出一部分資金,防止ETH主網Gas價格激增,無法把數據順利存上鏈。

若想深入理解,可以觀察Rollup和存儲的具體步驟:

在將一批交易數據存儲至以太坊前,Sequencer會壓縮內容,然后將這批交易組合成Batch,傳輸給ETH網絡節點。每個Batch可包含幾百筆交易數據,就像區塊一樣。發布Batch的時間周期由Sequencer動態調整,目前約為3~10分鐘左右。所以,打包和傳輸Batch的過程必然有工作量,這會消耗一定的計算資源,固定開銷可以填補這部分成本。目前,Optimism上每筆交易的固定開銷Gas為2100。Optimism官方表示,隨著未來用戶規模擴大,每個Batch收納的交易數量增加后,固定開銷將進一步下調。

而在Layer1上存儲Batch時,Sequencer會以文本數據Calldata的形式向CTC合約傳入Batch信息,一般而言,文本數據只用于存儲,不會被用于執行運算。比起普通的合約調用,這一步大量節省了Gas。

一般每隔幾分鐘,Sequencer就會向CTC傳輸一個交易Batch,其體驗就像在以太坊上構建由交易Batch構成的鏈表。之后,Sequencer又會將交易Batch對應的狀態根Batch存入SCC合約,該過程與上面提到的類似。

以上過程會消耗Gas,具體的Gas消耗量視存儲的內容多寡而定。不同的交易類型會產生不同的數據量,存儲費用也不盡相同。

OPtimism的理論TPS上限究竟能達到多少?

要探究Optimism的理論TPS上限,我們應當設想一種臨界狀態:

Sequencer本地出塊速度遠高于以太坊主網,那么Layer2原生內容和Layer1副本內容之間一直有信息差△。隨著Layer2用戶增多,實際TPS激增,Layer2和Layer1間信息差△可以被擴大;當Optimism逼近其理論TPS上限時,Layer2和Layer1間每秒的信息差△可以非常大。所以,此時Optimism必須盡快向以太坊主網提交數據,不惜一切代價同步數據;最終,Sequencer發起的指令,占用了以太坊區塊的全部Gas,也即以太坊上全部可用的資源,都為Optimism所用,每一個以太坊區塊里收納的都是Sequencer提交的數據;以EIP-1559后每個以太坊區塊的Gas上限為3000萬來計算,若Optimism本地執行、向以太坊提交的也都是最簡單的轉賬操作,則此時Optimism的TPS上限約為1600左右。

綜上所述,Optimism的TPS上限至少為以太坊的16倍。考慮到目前Optimism用戶太少,實際TPS甚至不到以太坊的3%,其發展空間最大可達現在的500倍。

對以上內容進行整理,結合實際調查,在此歸納得出:

Sequencer節點自己制造了一條TPS極高的區塊鏈,這便是擴容之源。雖然效率極高,但因其高度中心化,Sequencer可能作惡或宕機;為了增強安全性,Optimism要求Sequencer質押一定資產,并要求Sequencer在ETH主網上披露Layer2區塊關鍵信息,Verifier會自動讀取,檢查準確性;由于存儲在ETH上的交易數據是被壓縮過的,且以太坊節點不負責具體執行這些交易,不負責驗證數據的正確性,這可以大量節省Gas。目前,在Optimism上執行復雜的期權操作,Gas費可低至以太坊的1%。

Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重的滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行,但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。由于延時過長,可存在多種類別的攻擊場景,這對Optimism的安全性是潛在的威脅。

Verifier受到的激勵=挑戰成功的代幣獎勵?-?節點運行成本。發布“欺詐證明”且挑戰成功是一個不可預測的事件,概率不高,所以Verifier受到的激勵不強,此類節點的數量不易擴充,共識和安全性仍然弱于以太坊。如前文所述,擴充Verifier最有效的方式是增強激勵,或者開放對等節點網絡。對于尚未發行代幣也未開放對等節點的Optimism而言,難以像Metis那樣通過自己發行的代幣激勵驗證者。所以,當前的Optimism在如何擴容驗證節點規模、增強驗證的時效性上,均面臨著不小的挑戰。

值得注意的是,目前Optimism和Arbitrum等OPRollup的Sequencer節點均由官方提供,所以,Sequencer懲罰機制是否有效,尚且存在爭議;目前Optimism和Arbitrum的安全性更多來自于項目方的“信用”,而非“程序正義”本身;頗為重要的是,Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級,其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機,基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉。而新版的“欺詐證明”程序尚未投入運行,目前挑戰機制無法生效。?

結語

盡管如今的Optimism炙手可熱,表現出巨大的發展前景和增值空間,但如前文所說,其仍面臨著過度中心化的問題。GavinWood曾說:“真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。”如果無法及時讓用戶參與網絡維護,那么所謂的Layer2將和傳統金融平臺毫無區別。

在靠著理想化敘事制造擴容愿景的同時,已經“大而不倒”的Optimism該如何走向去中心化之路,兌現“欺詐證明”機制和多Squencer輪換的設想,還有待時間去考證。但可以確定的是,從長期看,只有真正的去中心化可以在歷史的風沙之中屹立不倒,永世長存。

參考文獻

《TheRoadtoSub-dollarTransactionsPart1:SlashingFeesby30%》《一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比》

Tags:GAS以太坊ISMOptimismVEGAS價格西格瑪幣兌換以太坊公告QubismOptimism Doge

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