有了Layer2,為何還需要Layer3?

歐文笑長|愛鏈歐文 YT&Podcast
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一層一層又一層,Rollup 到底能疊多少層?這樣疊下去是好是壞?

非原創內容
本篇文章由深潮 TechFlow 授權轉載,發表於鏈閃(原文連結)。
原文作者:Cynic | LK Venture

▍TL;DR

1、從 Layer1 到 Layer2

  • 技術上如何實現擴容?以太坊將 Rollup 看作唯一的 Layer2 方案,因為其在不損失去中心化和安全性的前提下實現了對以太坊的拓展。從模塊化的角度來看,Layer2 負責執行,而結算、共識、數據可用性都交給 Layer1 去處理。

2、從 Layer2 到 Layer3

  • Layer2-Layer3 與 Layer1-Layer2 有什麼區別?雖然 Rollup 技術解決了以太坊的計算瓶頸,但它並沒有解決數據可用性的問題。上層需要壓縮交易數據以傳遞給下層,但壓縮不能重複進行,Layer2-Layer3 性能並不能帶來大幅提升。

  • 有了 Layer2,為什麼還需要Layer3?Layer2 將維持去中心化,作為通用的計算層,提供可組合性,而 Layer3 應該作為應用特定鏈,滿足不同應用獨特的需求,如:兼容、效率、隱私等。

  • 同樣是應用鏈生態,Layer3 與 Cosmos 有什麼不同?Layer3 依託以太坊生態,更容易獲取用戶與資金,但是由於其與以太坊的高度綁定,也失去了部分主權,比如代幣的價值捕獲。

3、從 Layer3 到 LayerX?

  • Layer3 發展現狀:Arbitrum 於 6 月 22 日發布 Orbit Chain;zkSync 於 6 月 26 日宣布將在幾週內推出 ZK Stack;Starknet 生態的 madara 已經幫助一個項目在黑客松期間 24 小時內,部署了一條 Starknet Layer3 應用鏈。

  • Layer3 來了,Layer4、Layer5 還會遠嗎?LK Venture認為,從技術原理上看,Layer3已經無法通過簡單的堆疊獲得性能上的飛躍。儘管 Layer1–2–3 之間的生態關聯緊密(以太坊生態),互操作性比傳統的異構鏈之間強(跨鏈更便宜),但是彼此之間仍然無法做到生態的完全繼承。以太坊擴容的敘事,或將在 Layer3 終結。

▍從 Layer1 到 Layer2:擴容

區塊鏈中存在著一個不可能三角,即安全性、去中心化與可擴展性無法同時實現。以太坊選擇了前兩者,而對後者的支持不足。平日在以太坊中進行一次 swap 需要 $3-$4 的 Gas Fee,而在交易量高漲的牛市,一次 swap 甚至需要近 $100 的 Gas Fee,擁堵現象十分強烈。

依托著先發優勢建立起的龐大生態,儘管許多主打可擴展性的新公鏈自 2018 年後持續湧現,以太坊仍然佔據著市場的絕對主導地位,眾人於是將目光投向了在以太坊基礎上構建的擴容方案。

其中受到廣泛應用的是「側鏈、Validium、Rollup」三種方案,彼此有不同的信任假設。

  • 「側鏈」是獨立於 Layer1 運行的獨立區塊鏈,通過雙向橋樑與以太坊主網連接。側鏈可以有單獨的區塊參數和共識算法,能夠高效處理交易,但是未繼承以太坊的安全屬性。

  • 「Validium」使用鏈下數據可用性和計算,在鏈下處理交易來提高吞吐量,並向鏈上發布零知識證明以便在 Layer1 上驗證鏈下交易,獲得安全性。

  • 「Rollup」在鏈下進行計算,但是使用 Layer1 作為數據可用性層,通過向鏈上發布欺詐證明或有效性證明,在 Layer1 智能合約中進行驗證,繼承了以太坊的安全性。

以太坊將 Rollup 看作唯一的 Layer2 方案,因為其在不損失去中心化和安全性的前提下實現了對以太坊的拓展。從模塊化的角度來看,Layer2 負責執行,而結算、共識、數據可用性都交給 Layer1 去處理。

根據提交證明的不同,Rollup 可以分為 Optimistic Rollup 與 ZK Rollup。

對於 Optimistic Rollup 而言,Rollup 批量執行交易,將批量的交易、執行前狀態與執行後狀態發給部署在 Layer1 的 Rollup 合約。Layer1 不驗證狀態轉移過程,只要 Rollup 提交的初始狀態與保存在Layer1 合約中的相同,就樂觀地將狀態轉移至 Rollup 提交的新狀態。對於欺詐行為的防止是通過欺詐證明來保證的,在一段時間的爭議期內,其他驗證者可以對該狀態根發出挑戰,向 Layer1 的 Rollup 合約發送欺詐證明。這會使 Rollup 狀態退回爭議前的確定狀態,並重新計算合法的狀態,根據結果對驗證者做出懲罰。實際上,欺詐情況很少發生,所以樂觀的狀態轉移實際節省了很大的驗證資源。

ZK Rollup 與 Optimistic Rollup 的區別在於,狀態的轉移需要進行驗證,不是由 Layer1 的 Rollup 合約,而是在合約中驗證有效性證明 Validity Proof,驗證完成後狀態的轉移立即獲得最終性,不需要等待長達一周的爭議期。

使用 Optimistic Rollup 技術的項目中,最成熟的是 Arbitrum 與 Optimism,都已上線主網運行。其中,Arbitrum 已實現了欺詐證明,但是僅限白名單提交,而 Optimism 的欺詐證明還在開發中。兩家都在積極推進去中心化進程,包括排序器與驗證器的去中心化。根據 L2Beat 的數據顯示,截至 2023 年 6 月 26 日,Arbitrum One 與 Optimism 的 TVL 分別為 $5.81B 與 $2.25B。其他使用Optimistic Rollup 技術的項目包括 Boba Network, Zora Network, Layer2.finance, Fuel, BNBOP, Coinbase 等,其中部分是使用 Optimism 團隊開源的 OP Stack 進行開發的。

使用 ZK Rollup 技術的項目中,支持虛擬機的主要是 zkSync Era, StarkWare, Polygon zkEVM 等,當前已上主網,TVL 為 $618M, $68.11M, $42.65M。只支持特定類型交易的有 dydx, Loopring, zkSync Lite 等,TVL 為 $350M, $98.47M, $97.69M。目前 ZK Rollup 的發展方向是更好的以太坊兼容性,正在開發的 zkEVM 項目有 Taiko, Scroll, Linea 等。

▍從Layer2到Layer3:定制

Layer2: 100x, Layer3: 100x²=10000x?

從 Layer1 到 Layer2,成本降低為 1/100。所以很自然會想到,在 Layer2 上進行相同的操作構建 Layer3,Layer3 的成本將降為 1/10000。很可惜答案是否定的。

Rollup 通過將執行轉到了鏈下,確實解決了以太坊的計算問題:L1 節點不再需要執行批量中的每個交易以驗證狀態轉移的正確性,感謝密碼學中的遞歸證明技術,計算能夠不斷遞歸以獲取無上限的性能,然而數據可用性是無法堆疊的。Layer2 需要將打包的交易數據以 calldata 形式傳入以太坊中的智能合約,儘管對打包的交易數據進行了壓縮處理,但是數據無法被相同的辦法壓縮兩次。Layer3 的交易數據最終也要提交至 Layer1(否則無法繼承安全性),然而對交易的壓縮程度無法再低,因此數據可用性層面無法通過堆疊獲得成本的降低。

因此,Layer3 無法走簡單堆疊這條路,StarkWare 團隊提出的方案是定制化,讓 Layer3 和 Layer2承擔不同的功能。

有了 Layer2,為何還需要 Layer3?

以太坊提供了安全性和去中心化,Layer2 提供了可擴展性,可以說解決了區塊鏈的三難困境,為什麼還需要 Layer3?

Layer3 的概念最早是由 StarkWare 團隊在文章《Fractal Scaling: From L2 to L3》中提出。StarkWare 團隊認為,這種層級化的結構,封裝的思想,也正是計算機科學維持活力的核心要義。此外,Layer2 虛擬機的 Layer2 將維持去中心化,作為通用的計算層,提供可組合性,而 Layer3 應該作為應用特定鏈,滿足不同應用獨特的需求。圖靈完備性為層級化打下了良好基礎,一旦具備圖靈完備性,則理論上可以在其上創建任何可能的應用。

實際上,Layer2 為了維持其通用性,必定會進行部分取捨,無法滿足所有應用的需求。最直接的體現,是 StarkWare 為了更高效地生成證明,開發了 Cairo 語言與 CairoVM,對以太坊並不兼容,這時就可以由一條 Layer3 鏈來解決其安全性。

可能的 Layer3 用例包括:

  • 兼容:通過在 Layer2 的虛擬機上實現一個其他語言的解釋器,以兼容其他虛擬機

  • 效率:如果應用追求超高的 TPS(例如游戲、社交),可以考慮讓渡一部分安全性,使用 Validum 方案,在 Layer2 上結算;應用也可以根據自己的需求定制交易格式,以實現更高的壓縮率。

  • 隱私:專門搭建一條隱私鏈,在 Layer2 上結算,但是無法被公開觀測到。

此外,由於應用鏈是專用的,不會收到其他應用的直接影響,鏈的性能與成本較為確定。同時,橋接交易不用直接在 Layer1 上發送,成本更低,L2-L3 與 L3-L3 的橋接更便宜。在批量提交交易上,Layer3 還有一個明顯的優勢,提交一個批次交易所需的固定 Gas 更低,不需要長時間等待更多的交易一起提交以降低平均 Gas,能夠顯著緩解 Layer2 中存在的確認時間與成本之間的兩難困境。

同是應用鏈生態,Layer3 與 Cosmos 有什麼不同?

Cosmos 可以說是最早提出應用鏈概念的項目,通過 Cosmos SDK,用戶可以方便地定制化發行自己的應用鏈。Cosmos IBC 更是對標互聯網中的 TCP/IP 協議,為使用 Cosmos SDK 構建的應用鏈提供原生的互操作性。簡單來說,Cosmos 的願景是構建一個萬鏈互聯的區塊鏈宇宙。

Layer3 在互操作性上也下足了工夫。由於相同的技術架構,低廉的交易成本,Layer3 之間的跨鏈將具備無信任、快速且便宜的特點,於是可以認為,Layer3 之間的流動性是共享的。從互操作性的角度來看,Layer3 和 Cosmos 帶來的功能幾乎相同。

LK Venture 投研團隊認為,Layer3 與 Cosmos 最大的不同,在於其與以太坊生態的綁定,這既是優勢,也是劣勢。

提到優勢,主要在於以太坊生態龐大的流動性與用戶量。

Cosmos 儘管技術強大,是很多巨頭的發鏈首選,但是仍然無法逃脫市場佔有率低的宿命。根據 DeifLlma 的數據,截止到 2023 年 6 月 26 日,以太坊的 TVL 為 $26.2B,而整個 Cosmos 生態加起來僅為近 $1B。Layer3 要想成功,以太坊生態是其中的關鍵要素。

提及劣勢,主要在於與以太坊的高度綁定,喪失了部分主權。

對於使用 Cosmos 鏈而言,代幣模型完全由項目方根據需求自主設計,代幣賦能強。然而,Layer3 鏈的原生代幣會受到以太坊的限制。儘管項目方可以將原生代幣作為 Gas 代幣賦能,但是無法否認的是,最終交易數據提交至以太坊所消耗的是 $ETH。因此,如果 Gas 代幣用的不是 $ETH 而是自己發行的原生代幣,項目方需要不斷地將原生代幣兌換成 $ETH 以提交,最終賦能還是轉移至 $ETH。

Layer3 的另一個特點在於,任何在 Layer3 上做的事,實際上都可以遷移到 Layer2,本身只取決於 DA 層的選擇。

如果 Layer3 所依賴結算的 Layer2 發生安全漏洞或者活躍度下降,Layer3 可以低成本地遷移至其他 Layer2,甚至直接依賴 Layer1 進行 DA 和結算,變成 Layer2。由於其與以太坊生態的高度綁定, Layer3 上可能誕生眾多創新玩法。

▍從 Layer3 到 LayerX 的展望

Layer3發展現狀

6 月 22 日,Offchain Labs 發布了用於發行 Arbitrum Orbit Chain 的工具。Orbit Chain 是在 Arbitrum Layer2 之上的 Layer3,可以選擇利用 Arbitrum One, Arbitrum Nova, Arbitrum Goerli 在內的三條 Layer2 之一進行結算。用戶可以自己選擇使用 Rollup 或 Anytrust 技術,其區別在於 Anytrust 使用 DAC 而不用將交易數據提交至鏈上,價格更低廉,但是安全性稍弱。Orbit Chain 的優勢在於其簡單的發鏈流程、與 Arbitrum 生態的互操作性、Nitro 的即時更新以及 Stylus 提供的 EVM+ 兼容性(支持 Rust, C, C++ 編寫,運行在 WASM 虛擬機)。用戶可以無許可的定制化發行任何 Orbit Chain,但是必須在 Arbitrum Layer2 上結算,否則需要聯繫 Offchain Labs 或者 Arbitrum DAO 獲得授權。

6 月 26 日,zkSync 發布文章,宣稱將在未來幾週內對現有的開源代碼進行修改,推出 ZK Stack,讓用戶能夠使用其定制化構建自己的 ZK 超級鏈。與 Arbitrum 的 Orbit Chain 不同, ZK Stack 強調主權與互操作性,用戶根據需求進行完全的定制化,使用 ZK Stack 構建的鏈可以實現無橋的互操作性。ZK Stack 既能夠用於構建 Layer2 也能夠構建 Layer3,官方並未對其進行限制,沒有要求必須在 zkSync 上結算。從這點來看,ZK Stack 提供的主權似乎更強。

作為最早提出 Layer3 概念的 StarkWare 團隊,在其 Starknet 生態中也正在大力培植 Layer3 的發展,Madara 正在為面向公眾的 Stack 進行測試。在 @PragmaOracle hackathon 中,有團隊利用 Madara 在 24 小時內完成了應用鏈的發行。不過,由於 Starknet 採用獨特的 zk-STARK 證明技術,技術成熟度相對較低,可能還需要更長時間的開發來完善產品,之後再面向公眾發布 Starknet Stack。

當前 Layer3 生態仍在早期階段,但是隨著各 Layer2 便捷發鏈工具的推出,相信很快就會有 Layer3 正式運行。當基礎設施逐漸完善,如何吸引用戶已經成為所有鏈最關注的問題。

Layer3來了,LayerX還會遠嗎?

從技術原理上看,Layer3 已經無法通過簡單的堆疊獲得性能上的飛躍。當然,Layer3 可以通過定制化來獲得特定的優勢,但是通用性的損失會使得進一步的疊加變得困難。當然,只要願意,這種層級化的疊加是可以無限進行的,但是,LK Venture 投研團隊認為,目前而言這種疊加無法滿足任何的需求,同時會導致系統複雜度的幾何級升高。

最為重要的一點,儘管 Layer1-Layer2-Layer3 之間的生態關聯緊密(以太坊生態),互操作性比傳統的異構鏈之間強(跨鏈更便宜),但是彼此之間仍然無法做到生態的完全繼承。在 Arbitrum One 上部署的合約,無法直接在 Orbit Chain 上調用;在 zkSync 上部署的 DEX 的流動性,無法直接匯聚到 ZK Stack 上。

現在的情況是,商場已經蓋起來了,而且越來越高,但是沒有多少商販和顧客。儘管一層底商人滿為患(以太坊),但是人們仍然不願意前往高層商場消費,因為高層的商販數量不如低層多。

因此,LK Venture 投研團隊認為,在區塊鏈技術獲得超大規模應用前,Layer3 恐怕都很難獲得較高的用戶量。至於 Layer4、Layer5……LayerN,即使有各別應用有特定需求,相信也不會打著 LayerN 的旗號進行宣傳了。

古語云:道生一,一生二,二生三,三生萬物。以太坊擴容的敘事,或將在 Layer3 終結?可能還需要時間去檢驗。

▍「讀後心得」by 歐文笑長

這篇科研報告點出了 Layer2 與 Layer3 的優缺點,相當不錯,我再延伸一些觀點讓大家與我一起探討。

Rollup 的侷限

Rollup 的「超級鏈」概念在今年越來越火熱,而超級鏈與 Cosmos 有些類似,都是可以訂製自己的應用鏈,但我認為超級鏈的發展太受侷限,因為 Rollup 只是以太坊的執行層,把數據壓縮到 Layer1 上雖然便宜但還是有上限,不能無限壓縮,並且,Rollup 的交易還是要交由 Layer1 的節點驗證與確認,所以交易確定上鏈的時間依舊受限於 Layer1 的處理速度,只要 Layer1 沒有升級,Rollup 不論是在交易費或交易速度上面都有其侷限。

超級鏈的跨鏈

Rollup 不但受限於 Layer1 是否升級,也受限於跨鏈互通性,L2 與 L2 之間的跨鏈是非常撕裂的,不像 Cosmos IBC 有一個通用的跨鏈標準,所以超級鏈與超級鏈之間是難以互通的,例如 Arbitrum  與 StrakWare 兩個超級鏈體系就難以溝通,這樣各自為陣的發展方向,就失去了「以太坊生態」的互通優勢,既然要各自為陣,還不如發展像 Cosmos、Avalanche 這樣的異構鏈,至少還擁有自己的代幣與自己的主權。

超級鏈的未來

目前的 Rollup 會越來越多,主要是因為項目方想吸以太坊的血,畢竟以太坊的生態與用戶最多,就算因此失去主權、受限於 Layer1 的速度也無所謂,所以超級鏈或是 Rollup 的未來就是看以太方基金會的開發進度,Danksharding、帳戶抽象、Verkle tree 何時能開發完成,Rollup 們也會因此而起飛,另外就是 L2 之間的跨鏈通訊標準何時能訂定,這會讓 Rollup 的跨鏈應用更有競爭力。

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