一文深绘以太坊Layer2未来蓝图

从NFT到GameFi，再到Loot，在市场热潮的几番更迭下，市场对于Layer 2的需求已经逐渐加大，随着Arbitrum主网的上线，越来越多的资金开始投身于Layer2 扩容协议市场，市场又掀起了新一轮的赛道竞争。

虽然现阶段的Layer 2网络总锁仓量屡创新高，但仍然无法满足目前市场上投资者的需求，而且，现在市场Layer 2热度都是基于Arbitrum、Opitimism等项目的炒热而升温，根本无法长期持续。基于此，Layer 2热潮是否会成为“昙花一现”也成为了大众比较关注的事情。那么Layer 2技术目前发展如何？Layer 2网络的未来究竟是怎样的？而这一个个的疑问，路印协议CTO Steve Guo在一次演讲中给了我们答案。

Steve用简单的方式讲述了Layer 2技术的演进，深入分析了每个Layer 2项目的优缺点，并且向我们叙述了Layer 2网络未来的发展方向。以下内容来自Steve的演讲实录。

作者：Frankle

来源：Medium

编译：陈一晚风

随着Layer 2热度的高涨，一个疑问逐渐浮现在大众面前：Layer 2的真正未来到底是什么？

下图则代表了现在市场上对Layer 2的官方定义。但Steve的定义中，Layer 2是资产安全依赖于Layer 1的第2层网络。所以可以排除掉一些侧链，比如xDai和BSC。

目前的Layer 2技术可以分为三类技术，最早是State Channel（状态通道）技术，后来又演变为Plasma，再到最新的、比较热门的Rollup技术。Rollup主要分为两个方案，Optimistic Rollup和zkRollup。这两种方案中的每一种内都存在着许多项目。

State Channel（状态通道）

第一个Layer 2技术State Channel的核心思想其实来源于比特币的闪电网络。例如，假设Alice和Bob必须转移资金，并且他们都在链上，那么其成本会非常高。因此，可以先同意Alice和Bob先将他们各自的资金存入智能合约。在他们各自资金被存储后，Alice和Bob可以不消耗任何Gas费，无限期地在链下转移资金，然后在所有人移除时使用智能合约进行结算，这种过程的核心思想就被称为状态通道。

虽然这种链下转账的方式确实可以很快，而且便宜，但它也存在一些问题。首先，它需要两端存入资金，其资金占比非常高。此外，它是点对点的。例如，如果A想先与B转钱，然后再与C转帐，则需要建立多个状态通道，这种互动是不可取的。所以，在后来随着Raiden Network、Celer等技术不断演进，现在的状态通道已经可以是点对中心了。任何想要交易的人都需要与中心进行交易，使用状态通道进行连接。

但这仍然存在同样的问题，因为中心本身需要存入大量的资金以保证资金周转利用率，因此该方案只能用于转账/支付的应用。由于状态通道的这些局限性，也使得它自然而然地演变成了一种叫做Plasma的技术，用以解决State Channels的资金利用问题。

Plasma

Plasma在链下提供了UTXO（Unspent Transaction Output）等结构模型。每个人的转账记录都类似于比特币UTXO交易。在Plasma链上确认交易后，Plasma将向以太坊上的智能合约提交所有Merkle状态，由智能合约记录所有链下状态。最后，Plasma依靠测试机制来确保所有链下交易都正确执行，例如，避免转账被双花攻击。

Plasma比State Channel技术更精进的一点就在于它解决了资金利用的问题，但同时它也带来了一个新问题。Plasma需要至少一周的移除期来确保交易的最终确认。同时，Plasma要求所有人监控Plasma链上的所有UTXO交易。也就是说用户必须自己监控这些交易，才能根据这些历史交易对交易问题提出质疑，这也是普通用户所不能接受的。

因此，Plasma也需要自然进化，进而演化为下一个相对热门的Optimistic Rollup技术。Optimistic Rollup从实际上解决了Plasma所带来的问题。也就是说，Plasma链上的数据最终只是Merkle树（由不同数据块的散列组成的数学数据结构），所以测试起来会更加困难。

Optimistic Rollup

为了解决Plasma所存在的问题，Optimistic Rollup将所有链下原始交易数据，包括世界状态的树，提交到链上，然后任何人都可以根据链上记录的所有原始信息进行测试。

如图所示，Optimistic Rollup允许用户提交世界状态并提交链上原始交易数据，然后任何人都可以根据这些数据测试转账是否有效。这个想法被称为Optimistic Rollup。

Optimistic

事实上，这个想法已经在目前市场的两个主网项目中实现了。

第一个项目叫做Optimism。这个项目的开发团队实际上是来自Plasma，所以Optimism也就理所应当的扩展了Plasma的应用场景。此前的State Channel和Plasma都只是用于转账/支付的应用。那么Optimism如何扩大转账/支付？

现在市场对于扩大转账/支付的方法是，使用图灵的完整编程来兼容链下的EVM指令，这样每个人都可以直接在链下执行solididity程序。而Optimism的想法则是在链上部署一个智能合约，然后使用智能合约接受链下EVM兼容指令的执行，也称为OVM。

Optimism试图做一件事，即保证OVM的字节码可以映射到EVM的字节码，但实际上，这种映射可能只有20个左右的字节码. 所以Optimism目前的一个大问题是它无法实现100%的EVM兼容性。正是因为Optimistic有这个问题，Arbitrum才提出了改进方案。

Arbitrum

Arbitrum在Optimistic基础上的一个巧妙改进是，它不是在链上执行EVM比特码，而是定义了自己的AVM字节码，AVM的字节码是一个非常精简的子集。这样，当用户测试第一级时，Gas会更低，消耗也会更低。

目前，Arbitrum的转会费大约是Optimism转会费的二分之一。Arbitrum还改进了测试机制，允许用户通过分片进行测试。例如，一个区块中有1000个交易，但只有一个是错误的。然后就可以用类似二分法的思路，让用户证明第一个512是否正确，如果正确就测试下一个，比如256，然后继续用二分法来测试，这就是Arbitrum。但Arbitrum并不能就此代表Layer 2的未来。

zkRollup

V神曾在年初表示，Optimistic Rollup解决方案短期内最有可能兼容EVM，但中长期他更看好 zkRollup。

事实上，zkRollup和Optimistic Rollup的本质区别在于它不依赖任何测试机制，而是即时保证链上清算的最终确定性。zkRollup依赖于一组称为zk（零知识）证明的数学系统。

zk证明本质上做了一件事，通俗来讲就是在不告诉对方答案的情况下向对方证明你知道答案。

例如，问题y有一个函数f，我可以根据我的私人秘密x计算y并通过这个函数得到y。最后，我向你开放的是函数f和问题y。但是我的x不能告诉你，我想让大家知道我知道一个x来计算y，这叫做zk证明。

这样的表述可能相对比较抽象。接下来举一个实际的例子，比如在下面这张图片中寻找Waldo。比方说，我想向大家证明的是，我知道Waldo在这张地图上的位置，但我不能直接告诉你位置，所以我可以这样做：找一块足够大的黑布盖住图片，然后在黑布上剪下小数字，然后把小数字显示出来。 然后你就会明白我知道Waldo在这张地图上的位置，但我没有向你透露这个位置。这就是zk证明的工作原理。

我证明了一件事，但我没有告诉你这个秘密。这一组技术听起来有点像黑魔法，其核心技术思想被统称为zkrollup。实际上，zkRollup的核心思想是将所有的世界状态归类为一棵大Merkle树，然后所有的链下交易本质上只是改变了一个账户的世界状态。

最后使用中继系统收集所有的链下交易，然后将这些交易处理后的世界状态树的哈希记录在链上，并记录这些交易元数据的交易信息。与此同时，还提交了一份名为“零知识证明”的证书。只要这个证明在链上得到了验证，就意味着链下的计算已经忠实地处理了所有的交易信息。这是zkRollup和Optimistic Rollup之间最大的区别。

Optimistic Rollup只向链提交元数据和树哈希，而zkRollup还提交zk证明证书，这样它就可以保证最终结算，而不依赖任何测试机制。

Loopring

Loopring协议于2019年底推出，是世界上第一个主网上的zkRollup。到目前为止，Loopring协议已经历经了3个版本：第一个版本只支持订单簿中的DEX交易，第二个版本支持转账支付，第三个版本中支持AMM映射。而在今年9月初，Loopring协议已经正式发布了现在支持 Layer-2 NFT最新版本。此版本支持NFT在Layer-2上进行铸造、转账和交易，可以降低整体Gas成本。

zkSync

zkSync与Loopring协议最大的区别在于使用的零知识证明算法不同。Loopring使用一组称为 Groth16的算法，zkSync使用一组称为Plonk的算法。两种算法的本质区别在于是否有最早的初始可信设置。Loopring是必要的，其改变任何电路的行为都需要一个可信的设置，而zkSync则不需要这样做。

Matter Labs实际上经历了两个版本，1.0 和2.0。2.0称为zkPorter，1.0称为zkSync。它们之间的主要区别在于，为了进一步减少2.0上的Gas消耗，Merkle树和元数据交易数据不在链上，而是使用类似于Community POA的链下Proof来保存数据。

但是大家请记住，一旦元数据不在链上，用户资产的安全就无法真正得到Layer 1的保障。不过这样的系统本质上允许用户做出自己的选择。如果你想安全，请使用1.0，如果你想更便宜（但不太安全），请使用2.0版本zkPorter。同时，Matter Labs目前正在开发一个与EVM兼容的 zkRollup系统。它定义了一种名为Zinc的编程语言。简而言之，Layer 2项目是最终目标是最终成为一个zkEvm。

StarkEx

另一个著名的zkRollup项目是StarkWare推出的StarkEx。

在早期，大众对其并不看好，因为它第一次上线时声称它是一个zkRollup，但实际上它并没有将应用程序的元数据上链，所以这样的系统不能称为zkRollup。所以当时V神将其命名为Validium。后来，StarkEx又被扩展到支持向链提交元数据的模式。所以现在也可以将StarkEx称之为真正的 zkRollup。

StarkEx在早期定义了自己的编程语言，从一开始就想做一个具有可编程性的zkRollup系统。StarkEx定义的语言称为Cairo，其核心思想是允许用户用Cairo语言编写智能合约。然后它会帮你转换成例如EVM字节码，然后在StarkEx的整个zkRollup系统上进行验证和计算。

zkEVM

从上述的Layer 2协议来看，并没有完美的Layer 2解决方案，都存在局限性，或者它们没有数据可用性。Steve则认为，最终完全可用的Layer 2网络应该是zkEVM。

zkEVM是什么？顾名思义，只要开发者用EVM写一个智能合约，就可以在zkRollup类型环境中直接执行这个智能合约的字节代码。它不像现在那样在EVM的虚拟机中执行，而是在一个叫做zkEVM的虚拟机中执行。zkEVM可以保证在字节码执行后，zkEVM可以向Layer 1网络证明 zkEVM链下执行的智能合约确实被执行了。

对于zkEVM，目前的设计思路其实分为两类。

类似于Matter Labs的Zinc和StarkWare的Cairo语言，包括另一个名为Hermez的项目，最近也提出了zkEVM。他们的核心思想是自己定义一套语言，然后把这个语言翻译成EVM的语言。也就是说，他们会自己定义一种EVM语言，然后将EVM字节码翻译成自己的EVM代码，本质上在zkEVM中执行自己的字节码。但是，这种解决方案很可能无法实现100%的兼容性。

另一个新的解决方案是以太坊基金会正在进行的一个项目，被称为“zkEVM”。

它的思路是直接将Solidity代码编译成EVM的字节码，无需任何翻译，在zkEVM的虚拟环境中直接执行字节码。它的虚拟环境做了两件最重要的事情。一是证明字节码的执行是正确的，称为EVM证明；二是证明世界状态的修改是正确的。

Steve认为“zkEVM”解决方案可能是最终的Layer 2网络。

开发者只需要编写一套EVM代码就可以在Layer 1上运行，然后也可以在Layer 2上无缝运行。而这个方案是一个zkRollup，可以保证最终结算的即时性。当然，这个解决方案并没有那么容易上线。Steve表示，估计再过一年左右应该就能看到一个原型，甚至第一个商业版本。