深度|关于Layer2的认识和看法

行业热点3年前 (2021)发布 qkledit

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是一个大话题。是否去中心化、是否安全以及资本状况的确认时间是Layer2讨论的主要话题。最近，我有时间总结Layer2的理解和思考。

Layer2交互模

与layer1相比，layer2在layer1的基础上提供了更丰富的功能和更好的用户体验。将第2层的逻辑和交互模抽象如下：

除Layer1（存款）的交易外，Layer2的其他交易在Layer2执行。为了让layer2在必要时恢复事务状态，需要安全地存储layer2的所有事务数据。为简单起见，为了保持与layer1相同的安全性，layer2的所有事务数据通常都存储在layer1中。这种事务数据可以随时访问，称为“数据可用性”。所有layer2事务在layer2中执行，并同步到layer1。不同的layer2方案对于如何证明layer2的正确同步状态有不同的实现方法。

Layer2实现分类

从layer2的状态同步模式来看，layer2分为两类：侧链和Rollups。侧链是通过与layer1不同的共识将layer2的状态同步到layer1。仅从这一点来看，整个侧链的安全性就降低到第2层的安全性。Rollups分为两种类：zkrollup和optimal Rollup。所谓的**Rollups是乐观Rollups。预计在大多数情况下，Rollups将正确同步到第1层。同时，为了防止同步错误的状态，提供了质询机制。乐观的预期不太可能带来挑战。当需要挑战时，第1层可以判断正确的状态。Zkrollup是最直接的状态同步方法。它通过零知识证明技术向layer1提交状态时，提供状态更改的证明。层实现分类如下：

Zkrollup根据零知识证明协议分为三类：1/groth16 2/plonk 3/stark。groth16协议要求每个电路都有可靠的设置。一定规模的plonk协议电路只需要一次初始设置。stark协议不需要初始设置。然而，与其他两种算法相比，stark协议的验证数据量大，验证时间长。相对而言，在Layer2场景中，plonk是一种广泛使用的算法。

STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较（来源于Matter Labs的github链接）：

https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs

综上所述，从安全性的角度来看，各层2的顺序如下：zkrollup、optimistic Rollup和侧链。提取时间也确认了安全性。Zkrollup的撤销是在分钟级别，其他两个方案是在小时甚至是天级别。Zksync是一个相对完整的zkrollup开源项目。感兴趣的合作伙伴可以查看以前的分析文章：

L2-zksync源代码指南
L2-深入了解zksync

虽然zkrollup很好，但它有很大的缺陷：可编程性差。

仔细看看zkrollup

与其他卷积方案相比，zkrollup方案具有更多的ZK证明体系。换句话说，在Layer2中，除了“执行”之外，每个事务还需要生成一个证书来证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小合作伙伴知道零知识证明的安全性在于“电路”的安全性。对于Layer2，每个事务的处理被“固化”成一个电路，电路逻辑被完全公开。对于每个电路，都有一个唯一的验证密钥。验证密钥用于验证第1层的状态。验证状态证明符合固化电路的逻辑。

关键是Layer2事务的执行是否与固化电路的语义一致。断路是每个人查阅电路逻辑的常见方式。简单地说，为了实现zkrollup，您需要实现layer2来执行相应的电路。实际上，该电路的实现比较复杂，没有高级语言，而且在很多情况下都是手写的R1C。此外，为了使用ZK证明系统并优化电路的实现，通常将整个层2的状态优化为电路友好结构（Merkle树）。因此，ZKLULUP系统需要考虑电路结构，这限制了层二事务和帐户模。细心的合作伙伴会发现zksync/zkswap/loopring只实现特定的事务场景。

相反，如果需要通过zkrollup支持EVM事务执行，则需要将EVM事务抽象为电路友好的帐户模。这种抽象并不容易。此外，可以预测EVM的描述电路会很大。从零知识证明的性能来看，这将限制整个zkrollup的性能。

再看一看第1层中zkrollup方案的耗气量。整个zkrollup方案的主要用气量分为三部分（不考虑收回）：

事务原始数据：在zksync中称为发布数据。为确保数据可用性，第2层的所有事务将以原始数据的形式提交给第1层。
Layer2块管理：当Layer2提交块状态时，layer1维护Layer2的块结构和状态。
验证layer2块的状态：layer2提交证书时，layer1需要验证状态证书。

以一个区块350笔交易，每笔交易的交易原始数据大小为20字节为例，一个区块处理的用气量：

虽然上述数据不是一个准确的值，但足以表明原始事务数据在整个zkrollup方案中的用气比例非常高。从这个角度来看，第2层中的某些项目选择将事务数据存储在其他链下。

Optimi vs. Arbitrum

**Rollups与EVM兼容。也就是说，layer2支持可编程性，以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了确保链的正确状态，两种方案都提供了一段时间的质询机制。挑战者提供挑战的证据，第1层决定是否正确。要深入了解Optimi和Arbitrium，请参阅之前的文章：

L2-对Arbitrium的深刻理解
L2-对OVM的深入理解

优化使用OVM执行Layer2事务。命名OVM是为了区分第1层的EVM。由于提交给layer1的状态需要验证其正确性，layer1需要“重放”layer2的事务，即layer1在某些情况下需要执行OVM事务。这也是**Rollups中最复杂的部分。EVM用于模拟OVM并执行Layer2事务。可以想象，layer1中的EVM模拟了OVM的执行，这既麻烦又昂贵。

Arbitrium也采用挑战机制。为了避免低天然气成本的挑战，Arbitrium引入了AVM：

与EVM相比，AVM是一个相对简单的虚拟机。Arbitrum在AVM虚拟机上模拟EVM执行环境。换句话说，所有Layer2事务都在AVM中执行，事务的执行状态可以用AVM状态表示。当提交给第1层的状态存在差异时，两个质询方（资产方和质询方）首先划分状态以找出“差异”。澄清差异后，质询双方都可以提供执行环境，第1层执行相关操作以确定之前提交的状态是否正确。在第1层中，挑战在于AVM的状态，以及AVM在分岔点的指令执行。

简而言之，为了节省挑战的气体成本，Arbitrium采用了简化的AVM（非常方便的状态表示）。通过快速分段，只需在链上执行一条指令即可判断状态是否正确执行。正如Arbitrium介绍文件中提到的，整个挑战需要大约500字节的数据和9W的气体。在AVM的基础上，arbitrum设计了微语言和编译器来模拟EVM的执行环境，从而与EVM兼容。