以太坊的擴(kuò)展性解決方案詳細(xì)解讀

如果不是因?yàn)檫@篇研究報(bào)告是受 MolochDAO 之托而作，我想 DAOSquare 應(yīng)該不會(huì)翻譯如此“技術(shù)性”的學(xué)術(shù)論文（至少現(xiàn)階段不會(huì)）。不過，以太坊的擴(kuò)展性的確是一個(gè)重要且熱門的話題，現(xiàn)有的解決方案包括 OptimisTIc Rollup、Zk Rollup，而 OpTImisTIc Rollup 則是一個(gè)提出時(shí)間并不長的新興方案，它被認(rèn)為是最有前途的擴(kuò)容方案。

以下報(bào)告由 MolochDAO 授權(quán)制作，John Adler 提供相關(guān)意見/復(fù)審；但此篇所有觀點(diǎn)均代表本人。此外，項(xiàng)目評(píng)估僅為該報(bào)告發(fā)稿時(shí)的狀態(tài)簡(jiǎn)況（2020年2月）。事事均在變化，不做過度承諾。

籠罩以太坊擴(kuò)容社區(qū)的陰霾--OpTImsitc Rollup

2019下半年，Optimistic Rollups （ORU或Optiroll） 作為以太坊 Layer 2 擴(kuò)容協(xié)議迅速興起大熱。本文旨在概述新興 ORU 的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)至發(fā)稿時(shí)的簡(jiǎn)況（2020年2月）。我們先將 ORU 理論屬性放于 Layer 2 設(shè)計(jì)空間大背景下，之后比較不同項(xiàng)目的方法和技術(shù)設(shè)計(jì)決策以及其中的各種取舍。9個(gè)項(xiàng)目包括：

Fuel Labs

ANON

Whitehat， Cellani， Lim （ hereby “WCL”）

Pinkiebell

Offchain Labs

Interstate Network

Optimism

IDEX

Celer

點(diǎn)擊此處回顧他們的差異性。最后，我們將深入探討一些定性問題，這些問題將圍繞以上項(xiàng)目如何在空間中發(fā)揮自己的作用。

背景 & 理論

盡管美名在外，但開放且未授權(quán)的區(qū)塊鏈也有很多問題：網(wǎng)絡(luò)中的所有完整節(jié)點(diǎn)必須可見，并驗(yàn)證系統(tǒng)處理的每筆交易；超低效率（相較中心化數(shù)字支付系統(tǒng)而言）是加密貨幣備受爭(zhēng)論的擴(kuò)容挑戰(zhàn)的核心。

Layer 2 協(xié)議是減輕此類負(fù)擔(dān)的一類方法。將所有的節(jié)點(diǎn)全部驗(yàn)證所有交易，變?yōu)閮H由感興趣的各方（例如那些希望獲得自己資金的人）對(duì)交易的某些子集進(jìn)行本地驗(yàn)證，以此（以某種方式，形狀或形式）來轉(zhuǎn)移這種負(fù)擔(dān) 。重要的是，他們保留基本層無需信任的安全模型，同時(shí)無需依賴用戶自己運(yùn)行的軟件以外的資源。

· 數(shù)據(jù)可用性：解決

在以太坊 Layer 2 研發(fā)的早期階段，研發(fā)人員計(jì)劃在隱含假設(shè)下運(yùn)作，即基礎(chǔ)層“減輕驗(yàn)證負(fù)擔(dān)”就是完全將（某些）交易數(shù)據(jù)隔離在區(qū)塊鏈之外。（請(qǐng)參閱 Josh Stark 2018年初的文章 Making Sense of Ethereum’s Layer 2 以了解當(dāng)時(shí)的思維方式）。

加密貨幣協(xié)議有其內(nèi)在的經(jīng)濟(jì)屬性，可以激勵(lì)區(qū)塊生產(chǎn)者及時(shí)地、廣泛地共享區(qū)塊（除非是自私挖礦等邊緣情況 selfish-mining edge cases）；區(qū)塊鏈基礎(chǔ)層有時(shí)被稱為“數(shù)據(jù)可用性引擎”。確保數(shù)據(jù)是（完全）公開的，可以保證其能夠進(jìn)行驗(yàn)證，并且無效交易幾乎無法通過。

因此，在Layer 2的場(chǎng)景中，如果要將數(shù)據(jù)完全隔離在鏈外，將不再能保證我們有這種數(shù)據(jù)可用性；因?yàn)槟切?dān)心數(shù)據(jù)有效性的人可能會(huì)隱瞞數(shù)據(jù)。因此，我們必須弄清楚，在這種極端情況下，如何以某種方式確保不會(huì)發(fā)生無效的狀態(tài)更新。對(duì)于Layer 2系統(tǒng)，數(shù)據(jù)隱瞞問題始終是最難最壞的情況；因?yàn)樽钤愀獾木褪窃跊]有信息的情況下去探尋事實(shí)。

如果我們的定義足夠?qū)捤?，針?duì)該數(shù)據(jù)隱瞞問題的所有解決方案都可以分為兩大類：狀態(tài)通道和Plasma（channels and Plasma）。如果兩方在一個(gè)通道中，雙方一致同意后，鏈下數(shù)據(jù)的更新才真正有效。因此，如果 Alice 選擇保留 Bob 的數(shù)據(jù)，Alice 將處于最新狀態(tài)；保留數(shù)據(jù)對(duì)她沒有好處。相比之下，Plasma 則沒有雙方一致同意的這一要求。這直接導(dǎo)致在 Plasma 中，如果用戶沒有任何直接證據(jù)，則可能發(fā)生無效更新。即使在這種情況下，Plasma 仍可以保證用戶持有必要的鏈下數(shù)據(jù)，在交互質(zhì)疑期中證明并確保其資產(chǎn)所有權(quán)。

就實(shí)際結(jié)果而言，狀態(tài)通道已成為第一個(gè) Layer 2 構(gòu)造。人們很容易理解，且狀態(tài)通道（可能）確實(shí)解決了一些基礎(chǔ)的研究挑戰(zhàn)，我們的確也看到狀態(tài)通道在比特幣和以太坊上的應(yīng)用。狀態(tài)通道具有一些實(shí)用屬性，例如即時(shí)交易，這些屬性非常契合一些特定應(yīng)用程序的需求。盡管是較通用的擴(kuò)容方案，但在某種程度上仍受限制。從本質(zhì)上講，通道之間是彼此獨(dú)立的，且免信任的連接將導(dǎo)致資本效率低下，及/或受制于可用的流動(dòng)路徑。（我之前在 Bitcoin’s Lightning Network 發(fā)表了相關(guān)限制以及解決策略。）

Plasma 有望提供一種用途更廣，側(cè)鏈?zhǔn)綌U(kuò)容方案，使參與者之間可以更輕松地進(jìn)行信息交互，但是它的發(fā)展路程卻更艱難。有關(guān) Plasma 技術(shù)挑戰(zhàn)的細(xì)節(jié)不在本文討論范圍之內(nèi)。但是，（非常）簡(jiǎn)單來說，不能保證數(shù)據(jù)可用性的這種特質(zhì)，讓很多特性難以立刻保留，例如：支持任意計(jì)價(jià)支付，用戶的驗(yàn)證/存儲(chǔ)要求最小化，避免大批量退出方案，以及支持智能合約邏輯 。雖然可以緩解這些問題，但是解決一個(gè)障礙的代價(jià)往往是加劇另一個(gè)障礙。簡(jiǎn)而言之，很難做到完全正確，即使這些構(gòu)造足夠可行，其復(fù)雜性也會(huì)讓實(shí)踐變得困難而緩慢。（我已在此處及此處發(fā)表分析了 Plasma Cash 及其變體的合理進(jìn)展及其帶來的挑戰(zhàn)。

Plasma 的問題讓甚至一些人認(rèn)為其會(huì)消失（declare its demise）。即使有人認(rèn)為這種說法還為時(shí)過早（例如我），但是毫無疑問，Plasma 比預(yù)期設(shè)想的更加困難復(fù)雜，而且傳輸結(jié)果的空間速度比最初希望的要慢。隨著 Plasma 的停滯，以太坊社區(qū)渴望類似非監(jiān)管下的、具有側(cè)鏈特性的事物。此時(shí)，就研究和實(shí)施狀態(tài)而言，Optimistic Rollup 出現(xiàn)了。

· 數(shù)據(jù)可用性：讓步

我們可以在各種先前的提案中發(fā)現(xiàn)目前 Optimistic Rollup 的構(gòu)造痕跡，比如 Shadowchains， Coinwitness， bulk validation with ZK-SNARKS （現(xiàn)在稱之為 ZK-Rollup）， 以及2015年初的一場(chǎng)關(guān)于Arbitrum 的學(xué)生演講等。

就目前了解而言，John Adler 和 Mikerah Quintyne-Collins（又稱““Bad Crypto Bitch ”）將協(xié)議基礎(chǔ)稱為“合并共識(shí) Merged Consensus”。先前的 Plasma Group 團(tuán)隊(duì)（現(xiàn)為 Optimism，下文介紹）在一篇博客文章中描述了類似原理，并在 Optimistic Layer 2 游戲語義分析中將其定為框架，命名為 Optimistic Rollup（無論出于何種原因），并最終確定。

Optimictic Rollup 采用前一段中所述的框架并把它翻轉(zhuǎn)過來；ORU 并不打算在數(shù)據(jù)隱瞞的情況下保留非監(jiān)管性，而是采取了一種更直接的方法，即直接要求將交易數(shù)據(jù)發(fā)布在鏈上，更具體地說，要求將足夠的數(shù)據(jù)發(fā)布在鏈上，以便任何運(yùn)行以太坊節(jié)點(diǎn)的人都可以重建 ORU 的狀態(tài)。擴(kuò)容的好處在于，Layer 1 僅需發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并將其 Merkle 樹化為區(qū)塊根，無需執(zhí)行任何操作；（理想情況下）計(jì)算僅在 Layer 2 執(zhí)行。因此，交易數(shù)據(jù)作為呼叫數(shù)據(jù)發(fā)布在鏈上，并且不存儲(chǔ)在狀態(tài)中；因?yàn)闋顟B(tài)容量增長和計(jì)算成本（可能）是以太坊擴(kuò)容的核心瓶頸，這具有不小的增長空間。

與 Plasma 一樣，基礎(chǔ)層無法直接驗(yàn)證交易就意味著會(huì)有一些無效交易。在 ORU 下，任何當(dāng)事方都將見證無效交易的更新，然后通過欺詐證據(jù)向基礎(chǔ)層展示欺詐證明，欺詐證明將還原欺詐性區(qū)塊以及及后續(xù)的區(qū)塊更新。一旦過了足夠的時(shí)間而沒有提交欺詐證明，就可以確定并匯總區(qū)塊，從這些區(qū)塊中啟動(dòng)的提款就可以完成。為了抑制故意發(fā)布無效區(qū)塊的行為對(duì)社區(qū)的惡意破壞，區(qū)塊提交人會(huì)發(fā)布一個(gè)保證金，如果欺詐證明有效，將大幅削減保證金。這種防欺詐處理的精確方式是任何特定 ORU 結(jié)構(gòu)的核心。

與 Plasma 相比，ORU 有一個(gè)不可避免的根本性缺點(diǎn)，那就是它的擴(kuò)容性相對(duì)較低。假設(shè)鏈上數(shù)據(jù)與 ORU 塊中的數(shù)據(jù)成正比，則 ORU 構(gòu)造會(huì)受到基礎(chǔ)層最大數(shù)據(jù)量的限制。不過在其他方面 ORU 也有很多益處，包括：

· 更輕松/更廣泛地支持智能合約

· 更容易地支持任意付款面額

· 無需許可的區(qū)塊生產(chǎn)

· 更簡(jiǎn)單的博弈退出機(jī)制

· 相對(duì)簡(jiǎn)單的操作

正如我們預(yù)料，即使是上述因素也需要在不同的 ORU 結(jié)構(gòu)中相互權(quán)衡。（有關(guān) ORU 背后的更多信息，請(qǐng)參閱 John Adler 的 “The Why’s of Optimistic Rollup”。）

Projects Overview 項(xiàng)目概覽

本報(bào)告采訪了9個(gè)使用 ORU 設(shè)計(jì)模式的項(xiàng)目，其中一個(gè)項(xiàng)目選擇在發(fā)布時(shí)保持偽匿名狀態(tài)（以下稱為“ ANON”）。

僅考慮 Optimistic Rollup 范圍內(nèi)的項(xiàng)目，也就是說，它們必須都是 “Optimistic”，包括某種假設(shè)，即“假設(shè)有效，除非或者直到提交欺詐證明”（即，不是 ZK-rollup）并包括“Rollup”，即，鏈上發(fā)布了足夠的數(shù)據(jù)，任何觀察者都可以重建狀態(tài)并檢測(cè)無效性（即，不是 Plasma）。大多數(shù)所討論的大多數(shù)項(xiàng)目都嚴(yán)格符合這些參數(shù)，唯一的例外是 IDEX 2.0，其詳細(xì)信息將在下面討論?；?Plasma 或與 Plasma 相鄰的構(gòu)建上工作的其他各種項(xiàng)目，都屬于研究 ORU 的初期階段，包括 Matic，LeapDAO 和 Cryptoeconomics Lab。

· 智能合約支持和欺詐證明互動(dòng)性

ORU 項(xiàng)目之間的核心區(qū)別在于它們對(duì)智能合約腳本的支持程度，以及它們所需要的驗(yàn)證和欺詐證明的性質(zhì)。在本次調(diào)研的9個(gè)項(xiàng)目中，有5個(gè)項(xiàng)目在其 Rollup 中實(shí)現(xiàn)了完整的以太坊虛擬機(jī)功能，其中 rollup 側(cè)鏈具有 Solidity 智能合約支持，其支持程度（大致）與以太坊基礎(chǔ)層的智能合約支持程度相當(dāng)，而其余項(xiàng)目則更偏向于支持更有限的、受限的功能。

廣義上講，除了智能合約功能本身之外，支持完整的 EVM 能夠保證 rollup 和主鏈之間的技術(shù)一致性，有望與基礎(chǔ)架構(gòu)工具更輕松地集成，并且讓開發(fā)人員更容易過渡，他們已習(xí)慣在 Layer1 上使用 Solidity 編譯的智能合約。相反，那些更偏向于支持更有限的、受限的功能項(xiàng)目具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本更低的（或多或少）欺詐證明，驗(yàn)證更容易，可以針對(duì)特定用戶直接實(shí)現(xiàn)優(yōu)化以及總體上的簡(jiǎn)化。