以太坊的扩展性解决方案详细解读

如果不是因为这篇研究报告是受 MolochDAO 之托而作，我想 DAOSquare 应该不会翻译如此“技术性”的学术论文（至少现阶段不会）。不过，以太坊的扩展性的确是一个重要且热门的话题，现有的解决方案包括 Optimistic Rollup、Zk Rollup，而 Optimistic Rollup 则是一个提出时间并不长的新兴方案，它被认为是最有前途的扩容方案。

以下报告由 MolochDAO 授权制作，John Adler 提供相关意见/复审；但此篇所有观点均代表本人。此外，项目评估仅为该报告发稿时的状态简况（2020年2月）。事事均在变化，不做过度承诺。

笼罩以太坊扩容社区的阴霾--Optimsitc Rollup

2019下半年，Optimistic Rollups （ORU或Optiroll） 作为以太坊 Layer 2 扩容协议迅速兴起大热。本文旨在概述新兴 ORU 的开发生态系统至发稿时的简况（2020年2月）。我们先将 ORU 理论属性放于 Layer 2 设计空间大背景下，之后比较不同项目的方法和技术设计决策以及其中的各种取舍。9个项目包括：

Fuel Labs

ANON

Whitehat， Cellani， Lim （ hereby “WCL”）

Pinkiebell

Offchain Labs

Interstate Network

Optimism

IDEX

Celer

点击此处回顾他们的差异性。最后，我们将深入探讨一些定性问题，这些问题将围绕以上项目如何在空间中发挥自己的作用。

背景 & 理论

尽管美名在外，但开放且未授权的区块链也有很多问题：网络中的所有完整节点必须可见，并验证系统处理的每笔交易；超低效率（相较中心化数字支付系统而言）是加密货币备受争论的扩容挑战的核心。

Layer 2 协议是减轻此类负担的一类方法。将所有的节点全部验证所有交易，变为仅由感兴趣的各方（例如那些希望获得自己资金的人）对交易的某些子集进行本地验证，以此（以某种方式，形状或形式）来转移这种负担 。重要的是，他们保留基本层无需信任的安全模型，同时无需依赖用户自己运行的软件以外的资源。

· 数据可用性：解决

在以太坊 Layer 2 研发的早期阶段，研发人员计划在隐含假设下运作，即基础层“减轻验证负担”就是完全将（某些）交易数据隔离在区块链之外。（请参阅 Josh Stark 2018年初的文章 Making Sense of Ethereum’s Layer 2 以了解当时的思维方式）。

加密货币协议有其内在的经济属性，可以激励区块生产者及时地、广泛地共享区块（除非是自私挖矿等边缘情况 selfish-mining edge cases）；区块链基础层有时被称为“数据可用性引擎”。确保数据是（完全）公开的，可以保证其能够进行验证，并且无效交易几乎无法通过。

因此，在Layer 2的场景中，如果要将数据完全隔离在链外，将不再能保证我们有这种数据可用性；因为那些担心数据有效性的人可能会隐瞒数据。因此，我们必须弄清楚，在这种极端情况下，如何以某种方式确保不会发生无效的状态更新。对于Layer 2系统，数据隐瞒问题始终是最难最坏的情况；因为最糟糕的就是在没有信息的情况下去探寻事实。

如果我们的定义足够宽松，针对该数据隐瞒问题的所有解决方案都可以分为两大类：状态通道和Plasma（channels and Plasma）。如果两方在一个通道中，双方一致同意后，链下数据的更新才真正有效。因此，如果 Alice 选择保留 Bob 的数据，Alice 将处于最新状态；保留数据对她没有好处。相比之下，Plasma 则没有双方一致同意的这一要求。这直接导致在 Plasma 中，如果用户没有任何直接证据，则可能发生无效更新。即使在这种情况下，Plasma 仍可以保证用户持有必要的链下数据，在交互质疑期中证明并确保其资产所有权。

就实际结果而言，状态通道已成为第一个 Layer 2 构造。人们很容易理解，且状态通道（可能）确实解决了一些基础的研究挑战，我们的确也看到状态通道在比特币和以太坊上的应用。状态通道具有一些实用属性，例如即时交易，这些属性非常契合一些特定应用程序的需求。尽管是较通用的扩容方案，但在某种程度上仍受限制。从本质上讲，通道之间是彼此独立的，且免信任的连接将导致资本效率低下，及/或受制于可用的流动路径。（我之前在 Bitcoin’s Lightning Network 发表了相关限制以及解决策略。）

Plasma 有望提供一种用途更广，侧链式扩容方案，使参与者之间可以更轻松地进行信息交互，但是它的发展路程却更艰难。有关 Plasma 技术挑战的细节不在本文讨论范围之内。但是，（非常）简单来说，不能保证数据可用性的这种特质，让很多特性难以立刻保留，例如：支持任意计价支付，用户的验证/存储要求最小化，避免大批量退出方案，以及支持智能合约逻辑 。虽然可以缓解这些问题，但是解决一个障碍的代价往往是加剧另一个障碍。简而言之，很难做到完全正确，即使这些构造足够可行，其复杂性也会让实践变得困难而缓慢。（我已在此处及此处发表分析了 Plasma Cash 及其变体的合理进展及其带来的挑战。

Plasma 的问题让甚至一些人认为其会消失（declare its demise）。即使有人认为这种说法还为时过早（例如我），但是毫无疑问，Plasma 比预期设想的更加困难复杂，而且传输结果的空间速度比最初希望的要慢。随着 Plasma 的停滞，以太坊社区渴望类似非监管下的、具有侧链特性的事物。此时，就研究和实施状态而言，Optimistic Rollup 出现了。

· 数据可用性：让步

我们可以在各种先前的提案中发现目前 Optimistic Rollup 的构造痕迹，比如 Shadowchains， Coinwitness， bulk validation with ZK-SNARKS （现在称之为 ZK-Rollup）， 以及2015年初的一场关于Arbitrum 的学生演讲等。

就目前了解而言，John Adler 和 Mikerah Quintyne-Collins（又称““Bad Crypto Bitch ”）将协议基础称为“合并共识 Merged Consensus”。先前的 Plasma Group 团队（现为 Optimism，下文介绍）在一篇博客文章中描述了类似原理，并在 Optimistic Layer 2 游戏语义分析中将其定为框架，命名为 Optimistic Rollup（无论出于何种原因），并最终确定。

Optimictic Rollup 采用前一段中所述的框架并把它翻转过来；ORU 并不打算在数据隐瞒的情况下保留非监管性，而是采取了一种更直接的方法，即直接要求将交易数据发布在链上，更具体地说，要求将足够的数据发布在链上，以便任何运行以太坊节点的人都可以重建 ORU 的状态。扩容的好处在于，Layer 1 仅需发现数据并将其 Merkle 树化为区块根，无需执行任何操作；（理想情况下）计算仅在 Layer 2 执行。因此，交易数据作为呼叫数据发布在链上，并且不存储在状态中；因为状态容量增长和计算成本（可能）是以太坊扩容的核心瓶颈，这具有不小的增长空间。

与 Plasma 一样，基础层无法直接验证交易就意味着会有一些无效交易。在 ORU 下，任何当事方都将见证无效交易的更新，然后通过欺诈证据向基础层展示欺诈证明，欺诈证明将还原欺诈性区块以及及后续的区块更新。一旦过了足够的时间而没有提交欺诈证明，就可以确定并汇总区块，从这些区块中启动的提款就可以完成。为了抑制故意发布无效区块的行为对社区的恶意破坏，区块提交人会发布一个保证金，如果欺诈证明有效，将大幅削减保证金。这种防欺诈处理的精确方式是任何特定 ORU 结构的核心。

与 Plasma 相比，ORU 有一个不可避免的根本性缺点，那就是它的扩容性相对较低。假设链上数据与 ORU 块中的数据成正比，则 ORU 构造会受到基础层最大数据量的限制。不过在其他方面 ORU 也有很多益处，包括：

· 更轻松/更广泛地支持智能合约

· 更容易地支持任意付款面额

· 无需许可的区块生产

· 更简单的博弈退出机制

· 相对简单的操作

正如我们预料，即使是上述因素也需要在不同的 ORU 结构中相互权衡。（有关 ORU 背后的更多信息，请参阅 John Adler 的 “The Why’s of Optimistic Rollup”。）

Projects Overview 项目概览

本报告采访了9个使用 ORU 设计模式的项目，其中一个项目选择在发布时保持伪匿名状态（以下称为“ ANON”）。

仅考虑 Optimistic Rollup 范围内的项目，也就是说，它们必须都是 “Optimistic”，包括某种假设，即“假设有效，除非或者直到提交欺诈证明”（即，不是 ZK-rollup）并包括“Rollup”，即，链上发布了足够的数据，任何观察者都可以重建状态并检测无效性（即，不是 Plasma）。大多数所讨论的大多数项目都严格符合这些参数，唯一的例外是 IDEX 2.0，其详细信息将在下面讨论。基于 Plasma 或与 Plasma 相邻的构建上工作的其他各种项目，都属于研究 ORU 的初期阶段，包括 Matic，LeapDAO 和 Cryptoeconomics Lab。

· 智能合约支持和欺诈证明互动性

ORU 项目之间的核心区别在于它们对智能合约脚本的支持程度，以及它们所需要的验证和欺诈证明的性质。在本次调研的9个项目中，有5个项目在其 Rollup 中实现了完整的以太坊虚拟机功能，其中 rollup 侧链具有 Solidity 智能合约支持，其支持程度（大致）与以太坊基础层的智能合约支持程度相当，而其余项目则更偏向于支持更有限的、受限的功能。

广义上讲，除了智能合约功能本身之外，支持完整的 EVM 能够保证 rollup 和主链之间的技术一致性，有望与基础架构工具更轻松地集成，并且让开发人员更容易过渡，他们已习惯在 Layer1 上使用 Solidity 编译的智能合约。相反，那些更偏向于支持更有限的、受限的功能项目具有以下优点：成本更低的（或多或少）欺诈证明，验证更容易，可以针对特定用户直接实现优化以及总体上的简化。
责任编辑；zl