ROL:Jump Crypto：詳解各類區塊鏈擴容解決方案

作者：RahulMaganti，JumpCrypto合伙人

原標題：《AFrameworkforAnalyzingL1s》

編譯：胡韜，鏈捕手

介紹

在上一篇文章中，我們建立了一個分析L1的框架，特別是考慮到最近已經建立了無數的新鏈。我們還簡要指出，許多這些新穎的L1背后的動機主要集中在尋找區塊鏈可擴展性的解決方案。讓我們仔細看看其中的一些解決方案。在這篇文章中，我們的目標是：

提供各種第1層和第2層擴展解決方案的概述。

沿著一些核心維度分析和比較這些不同的解決方案。

給出我們對哪些擴展架構最有前途的看法。

可擴展性三難困境

在2017年初的一篇博客文章中，VitalikButerin提出了可擴展性三難困境，指的是定義區塊鏈系統可行性的三個主要屬性：去中心化；(2)安全；(3)可擴展性。??

在這三個方面，我們認為在不過度損害其他兩個支柱的情況下，可擴展性仍然是最難解決的問題。安全性和去中心化對于這些系統的性能仍然至關重要，但正如我們稍后將看到的，解決擴展分布式系統的挑戰也為去中心化和安全性提供了關鍵突破，這是出于非常根本的原因。因此，我們強調有效擴展區塊鏈的能力將是更普遍地決定加密行業未來成功的關鍵因素。

從廣義上講，擴容有兩種主要類別：第1層和第2層。兩者對于增加區塊鏈的吞吐量都是相關的和關鍵的，但側重于Web3堆棧的不同方面甚至層。在過去的幾年里，擴容無疑得到了很多關注，并且經常被吹捧為大規模采用區塊鏈技術的關鍵途徑，尤其是在零售用途不斷攀升和交易量增加的情況下。

第1層(L1s)

第1層很少有主要的擴展架構脫穎而出：

狀態分片

并行執行

共識模型的改進

有效性證明

狀態分片

分片有很多種，但核心原則始終保持不變：

分片分配驗證和計算的成本，因此每個節點都不需要驗證每筆交易。

分片中的節點，就像在更大的鏈中一樣，必須：中繼交易；(2)驗證交易；(3)存儲分片的狀態。

Lookonchain：Jump Trading將7萬枚LDO轉入Binance和KuCoin:3月8日消息，據Lookonchain數據顯示，Jump Trading在過去2小時內將7萬枚LDO（價值約18萬美元）轉移至Binance和KuCoin。據悉，該地址于2021年5月10日以1207枚ETH（當時約合476萬美元）購入559萬枚LDO，購買價格為0.85美元，目前仍持有299萬枚LDO（約合763萬美元）。[2023/3/8 12:49:48]

分片鏈應通過以下方式保留非分片鏈的安全原語：有效的共識機制；(2)安全證明或簽名聚合。?

分片允許將一條鏈拆分為K個不同的獨立子網或分片。如果網絡中總共有N個節點，則有N/K個節點操作K個子網中的每一個子網。當給定分片中的一組節點驗證一個區塊時，它會給出一個證明或一組簽名，聲稱該子網是有效的。然后所有其他節點，S-{K_1}需要做的就是驗證簽名或證明。。

要理解分片的擴展優勢，關鍵是要理解這種體系結構在增加鏈的總計算能力方面提供的價值。現在，假設一個節點的平均容量為C:O。假設鏈需要處理B塊。非分片鏈的計算能力是微不足道的O；然而，由于分片鏈可以并行處理塊，因此分片鏈的容量為：O。一般來說，運行時節省的成本是倍增的！這里可以找到Vitalik更深入的技術解釋。切分是以太坊2.0和近幾年發展路線圖中最顯著的基礎組件。

并行執行

分片和并行執行在許多方面是相似的。雖然分片嘗試在不同子鏈上并行驗證區塊，但并行執行側重于將處理各個節點交易的工作分開。這種架構的效果是，節點現在可以并行處理數千個合約！

我們不會詳細介紹其工作原理，但這里有一篇很棒的文章，更深入地介紹了Solana中并行執行如何通過Sealevel工作。

共識模型

共識是第1層區塊鏈協議的核心——對于要在鏈上最終確定的交易/數據，網絡中的參與者需要一種就鏈狀態相互達成一致的方式。??因此，隨著新交易的添加和鏈的進展，共識是確保共享狀態一致性的一種手段。然而，不同的共識機制也可能導致我們衡量區塊鏈性能的關鍵指標出現根本差異：安全性、容錯性、去中心化、可擴展性等等。然而，單獨的共識模型并不能決定區塊鏈系統的性能。不同的共識模型適用于不同的擴展機制，最終可以確定特定網絡的功效。

Jump Trading自1月26日以來已將近70萬枚LDO轉入幣安和Kucoin:2月12日消息，鏈上分析師Lookonchain披露鏈上數據顯示，Jump Trading自1月26日以來已將681,218枚枚LDO轉入幣安和Kucoin，價值約合170萬美元。歷史數據顯示，Jum Trading在2021年5月10日以1207 ETH購入5,587,963枚LDO，截止目前仍持有約360萬枚LDO，價值約合900萬美元。

行情顯示，LDO現報2.5119 USDT，24H漲幅為7.53%。[2023/2/12 12:02:14]

第2層(L2s)

從根本上說，第2層擴展基于第1層上的資源變得異常昂貴的前提。為了降低用戶、服務和其他社區參與者的成本，應將繁重的計算負載移至鏈外，同時仍試圖保留第1層上的加密和博弈論原語提供的底層安全保證

這方面的早期嘗試主要涉及在鏈下兩方之間建立“可信通道”，然后在第1層完成狀態更新。狀態通道通過“將區塊鏈狀態的某些部分鎖定到由一組定義的參與者控制的多重簽名合約中”來做到這一點。Plasma鏈由Vitalik首先在本文中提出：允許創建無限數量的側鏈，然后使用欺詐證明來完成第1層上的交易。

Rollup

Rollup也是一種將計算移至鏈下，同時仍記錄消息或交易在鏈上的方式。原本會在第1層記錄、挖掘和驗證的交易在第2層記錄、匯總和驗證，然后發布到原始第1層。該模型實現了兩個目標：釋放基礎層的計算資源；(2)仍然保留第1層的底層密碼學安全保證。

交易被“匯總”，然后傳遞給由Sequencer排序的的收集箱合約交易

存儲在L2上的合約執行鏈外合約調用

然后，合約將新狀態的Merkle根作為calldata發回L1鏈

OptimisticRollup

驗證者將在先驗假設它們有效的情況下將交易發布到鏈上。如果他們這樣選擇，其他驗證者可以質疑交易，但肯定不是必須的。。然而，一旦發起挑戰，兩方就被迫參與爭議解決協議。

在高層次上，爭議解決算法的工作原理如下：

Alice聲稱她的斷言是正確的。Bob不同意。

然后Alice將斷言分成相等的部分

數據：過去13天Jump Trading共從交易所提取730萬枚HFT:金色財經報道，據Lookonchain數據，Jump Trading鏈上地址在過去13天內共從交易所提取了730萬枚HFT（約343萬美元）。

此前報道，去中心化交易平臺項目Hashflow是Binance第31個Launch pool項目。[2022/11/24 8:03:36]

然后Bob必須選擇他認為斷言的哪一部分是錯誤的

遞歸運行步驟1-3。

Alice和Bob玩這個游戲，直到子斷言的大小只是一個指令。現在，協議只需執行此指令。如果Alice是正確的，那么Bob就會失去他的股份，反之亦然。

可以在此處找到對Arbitrum爭議解決協議的更深入解釋。

在Optimistic的情況下，成本很小/恒定O。在有爭議的情況下，該算法在O中運行，其中n是原始斷言的大小。

這種Optimistic驗證和爭議解決架構的一個關鍵結果是，OptimisticRollup有一個誠實方保證，這意味著要使鏈安全，協議只需要一個誠實方來發現和報告欺詐行為。

Zero-KnowledgeRollups

在當今的許多區塊鏈系統和第1層中，共識是通過有效地“重新運行”交易計算來驗證鏈的狀態更新來實現的。換句話說，要在網絡上完成交易，網絡中的節點需要執行相同的計算。這似乎是一種驗證鏈條歷史的幼稚方法—確實如此！那么問題就變成了，有沒有一種方法可以確保我們可以快速驗證交易的正確性，而不必在大量節點上復制計算。嗯，是的！這就是ZKrollups派上用場的地方——實際上，它們確保驗證的成本大大低于執行計算的成本。

現在，讓我們深入了解ZK-Rollups如何在保持高度安全性的同時實現這一目標。在高級ZK-rollup協議中包含以下組件：

ZK驗證者-驗證鏈上的證明。

ZKProver?-從應用程序或服務中獲取數據并輸出證明。

鏈上合約-跟蹤鏈上數據并驗證系統狀態。

已經出現了大量的零知識證明系統，尤其是在去年。有兩種主要的證據類別：SNARK；(2)STARK，盡管他們之間的界限每天都變得越來越模糊。

數據：加密做市商Jump Trading相關地址今日轉出1萬枚ETH:10月25日消息，被Nansen標記為“Jump Trading: 0x071 Robinhood Custody”的地址在5小時前轉出1萬枚ETH（約1338萬美元），目前地址余額202.86萬枚ETH（約27.13億美元），10天、27天前該地址也曾分別轉出1萬枚ETH。[2022/10/25 16:37:50]

我們不會討論ZK證明系統現在如何工作的技術細節，但這里有一個很好的圖表，它說明了我們如何從智能合約獲得類似于可以有效驗證的證明的東西。

Rollup比較的關鍵維度

速度

正如我們之前提到的，擴展的目標是提供一種方法來提高網絡處理交易的速度，同時降低計算成本。因為OptimisticRollups沒有為每筆交易生成證明，它們通常比ZKRollups快得多。

隱私

ZK證明本質上是保護隱私的，因為它們不需要訪問計算的基礎參數來驗證它。想想下面這個具體的例子：假設我想向你證明我知道鎖和盒子的組合。一種天真的方法是與你分享組合并要求您嘗試打開盒子。如果盒子打開，那么很明顯我知道這個組合。但是假設我必須證明我知道這個組合而不透露任何關于組合的信息。讓我們設計一個簡單的ZK-proof協議來演示它是如何工作的：

我請你在一張紙上寫下一句話

我把盒子遞給你，讓你從盒子上的一個小縫里撕開那張紙

我背對著你，把組合打進盒子里

我打開紙條，把紙條還給你。

你確認紙條是你的！

就是這樣！一個簡單的零知識證明。一旦你確認該紙幣實際上與你放入盒子中的紙幣相同，我已向你證明我能夠打開盒子，因此先驗地知道盒子的組合。

通過這種方式，零知識證明特別擅長允許一方向對方證明聲明的真實性，而無需透露對方不會擁有的任何信息。

EVM兼容性

以太坊虛擬機(EVM)定義了一組指令或操作碼，用于實現基本的計算機和特定于區塊鏈的操作。以太坊上的智能合約編譯成這個字節碼。然后字節碼作為EVM操作碼執行。EVM兼容性意味著你正在運行的虛擬機指令集和EVM指令集之間存在1:1映射。

分析：高頻交易公司JumpTrading正處于低價抄底模式中:HexCapital分析師NickChong發推分析認為，總部位于美國的股票及加密貨幣高頻交易公司JumpTrading似乎進入BTFD模式（比特幣俚語BTFD:buythef***ingdip低價抄底）。當市場出現下跌時，JumpTrading在Bittrex、Binance和Huobi交易了數百萬USDT。據其統計，過去一天里有500萬USDT被發送到各大交易所進行購買交易。截至目前，JumpTrading還持有約1100萬USDT。[2020/11/27 22:21:10]

當今市場上最大的第2層解決方案是建立在以太坊之上的。當以太坊原生項目想要遷移到第2層時，EVM兼容性提供了一種無縫的、最少代碼的擴展路徑。項目只需要在L2上重新部署他們的合約并從L1橋接他們的代幣。

最大的OptimisticRollups項目Arbitrum和Optimism/Boba都與EVM兼容。zkSync是為數不多的考慮到EVM兼容性而構建的ZKRollup之一，但仍然缺乏對一些EVM操作碼的支持，包括ADDMOD、SMOD、MULMOD、EXP與CREATE2。雖然無法提供支持CREATE2確實會給與合約的反事實交互、限制升級性和用戶入門帶來問題，但我們認為對這些操作碼的支持將很快實現，從長遠來看不會成為使用ZKrollup的重大障礙。

橋接

因為L2是獨立的鏈，它們不會自動繼承原生L1代幣。以太坊上的原生L1代幣必須橋接到相應的L2才能與部署在那里的dApp和服務進行交互。無縫連接代幣的能力仍然是一個關鍵挑戰，不同的項目探索各種架構。通常，一旦用戶調用depositL1，就需要在L2端鑄造一個等價的代幣。為這個過程設計一個高度通用的架構可能特別困難，因為有廣泛的代幣和代幣標準驅動協議。

最終性

最終性是指確認鏈上交易有效性的能力。在第1層，當用戶提交交易時，它幾乎是瞬間完成的。。在第2層上，情況不一定如此。提交到運行OptimisticRollups協議的第2層鏈的狀態更新將首先假定更新是有效的。但是，如果提交此更新的驗證者是惡意的，則需要有足夠的時間讓誠實的一方來質疑該聲明。通常，此挑戰期設置為約7天。平均而言，想要從L2提取資金的用戶可能需要等待大約2周！

另一方面，ZKRollups不需要這么大的挑戰期，因為每個狀態更新都使用證明系統進行驗證。因此，ZKRollups協議上的交易與底層第一層上的交易一樣是最終的。毫不奇怪，ZKRollups提供的即時確定性已成為爭奪L2擴展優勢的關鍵優勢。

一些人認為，雖然OptimisticRollups不一定能保證L1的快速最終性，但快速提款通過讓用戶在挑戰期結束之前獲得資金，提供了一種清晰、易于使用的解決方法。雖然這確實為用戶提供了一種訪問其流動性的方法，但這種方法存在幾個問題：

用于維護L2到L1提款的流動性池的額外開銷。

快速提款不是通用的——僅支持代幣提款。不能支持任意L2到L1調用。

在挑戰期結束之前，流動性提供者無法保證交易的有效性。

流動性提供者必須：信任他們提供流動性的人，限制去中心化的好處；(2)構建自己的欺詐/有效性證明，有效地違背了利用L2鏈中內置的欺詐證明/共識協議的目的。

測序

排序器與任何其他完整節點一樣，但可以任意控制收件箱隊列中的排序交易。如果沒有這種排序，網絡中的其他節點/參與者無法確定特定批次交易的結果。從這個意義上說，這為用戶在執行交易時提供了一定程度的確定性。

反對為此目的使用定序器的主要論點是，它們會造成故障的中心點——如果定序器出現故障，則可用性可能會受到影響。等一下……這是什么意思？這不是破壞去中心化的愿景嗎？嗯……有點。排序器通常由開發L2的項目運行，通常被視為半信任實體，通常為項目利益相關者采取行動。對于一想到這一點就咬緊牙關的去中心化強硬派，你可能會因為知道這里和這里正在對去中心化公平排序進行大量工作/研究而感到安慰。

最近大型L2生態系統上的測序儀中斷，繼續證明了對容錯、去中心化測序的需求。

資本效率

OptimisticRollups與ZKRollups之間比較的另一個關鍵點是它們的資本效率。如前所述，Optimistic?L2依賴欺詐證明來保護鏈，而ZKRollups則利用有效性證明。

欺詐證明提供的安全性基于一個簡單的博弈論原則：攻擊者試圖分叉鏈的成本應該超過他們能夠從網絡中提取的價值。在OptimisticRollups的情況下，驗證者將一定數量的代幣押在他們認為隨著鏈進展而有效的Rollup區塊上。惡意行為者將被罰款。

因此，資本效率和安全性之間存在根本性的權衡。提高資本效率可能需要縮短延遲/質詢期，同時增加欺詐性斷言未被網絡中其他驗證者檢測或質詢的可能性。

移動延遲期相當于沿著資本效率與延遲期曲線移動。然而，隨著延遲期的變化，用戶需要考慮其對安全性和最終性之間權衡的影響——否則他們會對這些變化無動于衷。

目前Arbitrum和Optimism等項目的7個延遲期是由社區考慮到這些方面決定的。這是OffchainLabs的EdFelten對他們如何確定延遲期的最佳長度的深入解釋。

通過構造，有效性證明不易受到相同的資本效率/安全性權衡的影響。

特定應用鏈/擴展

當我們談論多鏈未來時，我們到底指的是什么？是否會有大量具有不同架構的高性能第1層、更多的第2層擴展解決方案，或者只有少數具有針對自定義用例的定制優化的第3層鏈？

我們的信念是，對基于區塊鏈的服務的需求將從根本上由用戶對特定類型應用程序的需求驅動，無論是NFT鑄造還是用于借貸、質押等的DeFi協議……從長遠來看與任何技術一樣，我們希望用戶希望從底層原語中抽象出來。

特定于應用程序的鏈提供了一種通過利用狹窄優化來部署高性能服務的機制。因此，我們預計這些類型的鏈將成為旨在推動大規模采用的Web3基礎設施的關鍵組成部分。

這些鏈的出現主要有兩種方式：

具有自己的原語的獨立生態系統專注于非常特定的應用程序。

在現有L1和L2鏈之上構建的附加層，但經過微調以優化特定用例的性能。

在中短期內，這些獨立的鏈可能會出現顯著增長，但我們認為這是它們短期新穎性的功能，而不是可持續興趣和使用的信號。即使是現在，像Celo這樣更成熟的特定于應用程序的鏈似乎也相對稀少。雖然這些獨立的特定于應用程序的鏈生態系統為特定用例提供了卓越的性能，但它們通常缺乏使其他通用生態系統如此強大的特性：

靈活性和易用性

高度可組合性

流動性聚合和對本地資產的訪問

下一代擴展基礎設施必須在這兩種方法之間取得平衡。

分形擴容方法

分形擴容方法與這種區塊鏈擴容的“分層模型”高度相關。它提供了一種獨特的方式來將原本孤立的、不同的應用程序特定鏈生態系統與更廣泛的社區統一起來，這樣做有助于保持可組合性，實現對通用邏輯的訪問，并從底層L1和L2獲得安全保證。

它是如何工作的？

交易根據它們打算服務的場景在本地事例之間拆分。

利用底層L1/L2層的安全性、擴展性和隱私屬性，同時針對獨特的定制需求進行優化

利用基于證明證明和遞歸證明的新型架構

任何消息都附有證明該消息和導致該消息的歷史有效的想法

這是Starkware的一篇很棒的文章，討論了分形擴容的架構。

結束的想法

區塊鏈擴展在過去幾年中變得更加突出，這是有充分理由的——在像以太坊這樣的高度去中心化的鏈上進行驗證的計算成本已經變得不可行。隨著區塊鏈的普及，鏈上交易的計算復雜度也在快速增長，進一步增加了保護鏈的成本。對現有第1層和動態分片等架構的優化可能非常有價值，但需求的急劇增長需要采用更細致的方法來開發安全、可擴展和可持續的去中心化系統。

我們相信這種基于構建針對特定行為優化的鏈層的方法，包括針對特定應用程序的通用計算和支持隱私的邏輯。因此，我們將Rollup和其他第2層技術視為通過啟用鏈下計算/存儲和快速驗證來擴展吞吐量的核心。

如有任何問題、意見或想法，請聯系@RahulMaganti！

參考

https://plasma.io/plasma.pdf

https://medium.com/starkware/fractal-scaling-from-l2-to-l3-7fe238ecfb4f

https://developer.offchainlabs.com/docs/inside_arbitrum

*?https://minaprotocol.com/blog/solving-the-scalability-trilemma*

https://medium.com/offchainlabs/optimizing-challenge-periods-in-rollup-b61378c87277

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