LAYER: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交互模型

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，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"DataAvailability"。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。

數據：某鯨魚昨天再次從Binance提取563,571枚XRP:金色財經報道，據Lookonchain監測，某鯨魚昨天再次從Binance提取563,571枚XRP（46.2 萬美元）。該鯨魚已從Binance提取總計200萬枚XRP（166 萬美元），平均提取價格為 0.51 美元，當前未實現利潤約為64萬美元。[2023/7/20 11:06:39]

Layer2實現分類

從Layer2狀態同步方式，Layer2分為兩類：一類是側鏈實現，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OptimisticRollup。所謂OptimisticRollup，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：

香港理工大學開放2023年區塊鏈科技理學碩士學位申請:12月4日消息，據官方公告，香港理工大學2023年9月入學的區塊鏈科技理學碩士學位正在申請中，這是香港首個區塊鏈技術理學碩士，涉及基于區塊鏈的金融應用程序的設計、開發和安全性的主題，要求計算機、數學、工程或相關專業背景，學費約為30萬港幣。[2022/12/4 21:22:19]

zkRollup，按照采用的零知識證明協議又分為三類：1/Groth162/PLONK3/STARK。Groth16協議需要針對每一個電路進行初始設置(TrustedSetup)。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。

STARK協議和SNARK(Groth16/PLONK)協議比較：

美SEC執法主管：不會放慢針對加密貨幣的法律行動:9月9日消息，美國證券交易委員會執法部門主管 Gurbir Grewal 在由法律教育非營利組織執業法律研究所主辦的論壇上表示，無論使用什么技術，都將繼續采取行動，不會放慢針對加密貨幣的法律行動。他還稱：不執行我們監管結構中最基本的規則——這將是對信任的背叛。[2022/9/9 13:20:17]

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，optimisticRollup，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。

細看zkRollup

軟銀管理合伙人Yanni Pipilis和Munish Varma將加入前軟銀愿景基金負責人Misra的公司:7月27日消息，軟銀管理合伙人Yanni Pipilis和Munish Varma將加入前軟銀愿景基金負責人Misra的公司。[2022/7/27 2:39:49]

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。

以太坊橋TVL達到117.7億美元 近30天下跌60.4%:金色財經報道，Dune Analytics數據顯示，以太坊橋當前TVL達到117.7億美元，近30天下跌60.4%。其中鎖倉量最高的5個橋分別是PolygonBridges（41.11億美元）、ArbitrumBridges（24.7億美元）、AvalancheBridge（21.4億美元）、NearRaibow（9.71億美元）、FantomAnyswapBridge（9.7億美元）。[2022/6/18 4:36:30]

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。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：

TransactionRawData：在zksync中稱為pubdata。為了保證dataavailability，所有的Layer2的交易都會以裸數據的形式提交到Layer1。

Layer2Block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Layer2Block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TransactionRawData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。

Optimismvs.Arbitrum

OptimisticRollup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。OptimisticRollup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，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。optimisticRollup/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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