以太坊Layer2：元宇宙創新之基石、區塊鏈應用的鑰匙_ETH:以太坊

摘要

經過幾年的發展，Layer2（二層網絡）從理論雛形進入到應用落地階段，其成熟將為更大規模的區塊鏈應用，乃至元宇宙落地奠定基礎。本文從幾種主流方案出發，以發展潛力最大的OptimisticRollups和Zero-KnowledgeRollups等幾個典型的二層網絡解決方案為案例，對Layer2發展進行深入剖析。

Layer2旨在解決區塊鏈主網可拓展性問題，主流的ETH Layer2方案按技術原理可分為Plasma、Rollups和Sidechains，它們在實現邏輯、安全性、可拓展性和去中心化程度等方面各有優劣。

基于OptimisticRollups的代表：采用的交互式欺詐證明的Arbitrum。以太坊主網（L1）好比是管理者全校學生的作業情況的系統，而為減輕以太坊的直接工作量，Arbitrum將每個班的作業打包（即rollup塊）后統一錄入以太坊主網。而作業具體情況是否有欺詐則采用多輪欺詐證明來解決爭議。這就好比設置了幾位檢查委員，按照算法去檢查包內作業的真實情況，檢查委員要以押上個人學分（即以太坊上的ETH代幣抵押）來確保公正處理爭議。經過一周的爭議窗口期后，最終以太坊才最終確認作業的批改情況。因此，Arbitrum用戶將資產從L1轉到L2則相當于以太坊主網轉賬一樣是實時的，但是從L2撤回資產到L1則要經過一周的窗口期時間。Arbitrum的DeFi生態發展進入了良性循環。隨著總鎖倉價值和用戶數量的雙增，越來越多的DeFi項目也樂于部署在ArbitrumOne主網上；而項目的增長也有利于進一步吸引資金和用戶進入ArbitrumOne。未來，ArbitrumOne仍是最值得關注的Layer2方向之一。

基于ZK-Rollups的代表項目：可與傳統CEX交易所匹敵的dYdX。基于Zero-Knowledge Rollups原理的Layer2項目衍生出了兩種技術路線，分別是ZK-SNARKs和ZK-STARKs。它們的代表項目有zkSync、StarkEX和StarkNet。dYdX V3是架構在StarkEx系統之上的去中心化永續合約。自從2021年8月3日公布了其平臺治理計劃以來，其交易量增長迅猛，高峰時單日交易量一度達到了93億美元，成為全網交易量最大的DEX（去中心化交易所）。借助于StarkEx服務，使得dYdX可以采取訂單簿模式交易撮合——這是資本市場最為熟悉的交易撮合模式，同時確保撮合效率。dYdX解決了ETH網絡上合約交易者面臨的痛點。在ETH Layer2網絡上進行合約交易，既可以媲美在ETH主網的安全保障，又可享受接近中心化交易所的結算速度和低廉的手續費。dYdX的交易撮合效率與傳統中心化交易所（CEX）幾乎無異。

就目前的技術而言，無論何種Layer2路線都無法真正實現與ETH主網相同的安全性：

其中，Sidechains的安全性最弱。首先，在共識實現機制上，Sidechains的安全性遠遜于ETH主網。其次，側鏈上的DeFi項目可能存在更多智能合約漏洞；

Rollups的安全隱患包括智能合約漏洞、博弈機制失靈、人為交易排序和密碼學漏洞等。在ArbitrumOne的服務器中存在中心化的交易排序器，如果運營商利用它搶先打包交易，即使其他節點率先提交“欺詐證明”，驗證節點的保證金也會落入運營商的手里。

一、核心觀點

1.1 本文核心觀點和內容

市場普遍擔心區塊鏈的并發性、可拓展性會成為限制其上應用落地的瓶頸，尤其對于公鏈生態而言，尚不能支持大規模、高復雜性應用。以以太坊為例，作為全球最大規模的公鏈生態，一直在討論如何升級、擴容，而對主網的改動難度較大，Layer2（二層網絡）成為可行方案，也是下一階段其上的元宇宙生態能否繁榮的基礎。

經過幾年的發展，Layer2（二層網絡）從理論雛形進入到應用落地階段。本報告對幾種主流方案出發，以發展潛力最大的OptimisticRollupsRollups和Zero-KnowledgeRollups等幾個典型的以太坊二層網絡解決方案為案例，對Layer2行業發展進行深入剖析。

劍橋大學能源中心：以太坊轉向PoS之后電力消耗降低了99%以上:金色財經報道，根據劍橋大學能源中心的數據，以太坊在 PoW 階段消耗的總電力約為 58.26 TWh，約等于瑞士一整年的電力消耗（54.88 TWh）。而在以太坊轉向 PoS 之后，電力消耗降低了 99% 以上，劍橋大學能源中心預估當前以太坊每年的耗電量為 6.56 GWh，不及埃菲爾鐵塔一年的耗電量（6.70 GWh）。[2023/4/26 14:27:49]

Layer2對Dapp（去中心化應用）的發展推動效果是明顯的。就DEX（去中心化交易）來說，由于效能較低的主鏈限制，促進了AMM（自動化做市）的崛起，但對于交易用戶來說（尤其是量化、期貨合約用戶），訂單簿撮合模式顯然是最為方便的。Layer2顯然是實現鏈上訂單簿型交易所的最佳方案，這方面典型的案例是dYdX，其訂單簿撮合效率與CEX（中心化交易所）幾乎無異，且用戶在鏈上完成注冊，整個交易過程透明可信。

最后，我們對Layer2潛在的風險與發展方向做了簡單探討。Layer2難以達不到主網的安全程度，同時也存在不同于主網的安全風險。同時，其上衍生的各類大規模應用也逐步進入監管的視野。

二、以太坊Layer2是什么？

以以太坊網絡為例，數以千計的Dapp（去中心化應用）運行其上，而底層的一致共識區塊鏈網絡則出現了較為嚴重的擁堵現象，為分擔底層網絡的負擔，Layer2（二層網絡）想在二層網絡上解決各類應用的運行速度和擴展性等問題。本節以以太坊的二層網絡為例進行梳理。

2.1 以太坊Layer2是拓展區塊鏈性能的重要方案

以太坊（ETH）Layer2是一類拓展以太坊區塊鏈性能的方案，其基本思路是通過在“主鏈外”的二層網絡上進行計算、交易等業務處理，以獲得較快速的響應、高擴展性和低費用，并將最終的狀態變更結果反饋到“主鏈上”，從而減少“主鏈上”的負擔，實現區塊鏈網絡的可拓展性。

對于任意一條區塊鏈網絡，都存在著安全性、可拓展性和去中心化的“不可能三角”問題。ETH Layer2則可視為針對這一問題的“中間解”，即在犧牲部分安全性的條件下，保留去中心化性質，極大地增強區塊鏈網絡可拓展性的方案。而二層網絡上面的數據結果會反饋到主鏈上獲得共識。

2.2?以太坊為什么需要Layer2？

隨著以太坊用戶的激增和無數Dapp的興起，以太坊的性能不足問題愈發明顯。由于以太坊區塊容量和每個區塊Gas上限的限制，使得其TPS僅能達到15左右，這就導致了交易確認時間過長、高峰時網絡擁堵嚴重和網絡手續費（gas fee）居高不下等問題，進而阻礙了低凈值用戶的進入、小額高頻交易和許多長尾項目的發展。而在ETH 2.0遙遙無期的情況下，ETH ?Layer2是當下以太坊擴容的最佳方案。

例如，根據gasnow網站的統計，在2021年上半年，ETH GasPrice幾乎一直保持在100以上、個別時段達到了200以上、最高峰時甚至接近400。這些數據意味著在ETH網絡上進行一筆基礎的兌換操作時，需要花費價值約140美元的gasfee，這一數字對于一些小額高頻交易者和低凈值用戶來說是難以負擔的。而ETH Layer2通過將交易的具體運算放在“鏈下”完成后再將最終結果傳回“鏈上”，可以大大降低所消耗的gasfee，從而降低了用戶的使用成本。

2.3 以太坊Layer2的技術原理有哪些？

主流的ETH Layer2方案按技術原理可分為Plasma、Rollups和Sidechains，它們在實現邏輯、安全性、可拓展性和去中心化程度等方面各有優劣。

1.Plasma

Plasma實際上是以太坊對比特幣閃電網絡的模仿，它最早由以太坊核心開發者Vitalik和比特幣閃電網絡開發者Joseph Poon在他們的論文《Plasma: Scalabe Autonomous Smart Contracts》中提出。Plasma的實現邏輯是，將交易的具體計算和儲存轉移到子鏈上，僅將最終的狀態變更結果記錄在主鏈上。如果用戶對提交上鏈的結果存在異議，可以在規定的“挑戰期”內提供“欺詐證明”，一旦“欺詐證明”被主鏈節點驗證有效，正確的結果將會覆蓋錯誤的，挑戰者也可獲得原驗證節點的部分押金。

以太坊網絡當前已銷毀超119萬枚ETH:金色財經報道，據Ultrasound數據顯示，截止目前，以太坊網絡總共銷毀1191498.55枚ETH。其中，OpenSea銷毀125589.30枚ETH，ETHtransfers銷毀116765.46枚ETH，UniswapV2銷毀108453.50枚。注：自以太坊倫敦升級引入EIP-1559后，以太坊網絡會根據交易需求和區塊大小動態調整每筆交易的BaseFee，而這部分的費用將直接燃燒銷毀。[2021/12/15 7:40:18]

理論上來說，Plasma可以達到無限的拓展空間，但在實踐中，其安全性存在較大風險。由于交易的具體內容保存在鏈下，除個別驗證節點外，其他節點無法獲得原始的交易數據，倘若所有的驗證節點同時怠機，用戶在子鏈上的資金將無法取回。受限于此，Plasma方案在ETH Layer2中的應用不如其他方案。

2.Rollups

Rollups即匯總交易的意思，是ETH Layer2的主要發展方向之一。相較于Plasma，Rollups在可拓展性方面略遜一籌，但在安全性方面有了極大地提升。Rollups的改進之處在于將原始的交易數據也記錄在主鏈上，使得任何節點都可根據交易數據成為新的驗證節點。如此一來，用戶不再依賴于特定的驗證節點，哪怕原始的驗證節點怠機，用戶也可正常提取資金。

Rollups可進一步被細分為OptimisticRollups和ZK-Rollups。

OptimisticRollups即樂觀匯總交易，依靠驗證節點和挑戰者間的博弈保障資金安全。驗證節點將交易數據和最終狀態變更結果打包上鏈后，會進入一個“挑戰期”，期間資金將被鎖定，無法轉移。如果其他節點發現驗證節點提交的結果和交易記錄有出入，即可提交“欺詐證明”，使得正確的狀態變更結果將錯誤的覆蓋，并獲得原驗證節點的押金。在“欺詐證明”被證實前，其他節點默認原驗證節點提交的狀態變更結果是正確的，所以這類Rollups被稱為樂觀匯總交易。

OptimisticRollups的優點在于開發門檻較低，可以兼容較復雜的智能合約。例如由OffChainLabs團隊開發的ArbitrumOne，已經兼容了許多ETH主網上的熱門DeFi項目，包括Balancer、Curve、Uniswap和Sushiswap等。

OptimisticRollups的缺點在于可能發生的安全風險和漫長的“挑戰期”。OptimisticRollups的安全性依賴于挑戰者和驗證節點間的博弈，實際上是由驗證節點的押金而非代碼擔保的。在博弈過程中，有可能會受到“審查攻擊”，即驗證節點串通礦工不打包挑戰者的“欺詐證明”，一旦“挑戰期”結束，錯誤的結果將無法回滾，用戶的資金就有被盜的風險。為保障潛在的挑戰者有充足的時間監督驗證節點，“挑戰期”一般被設置為7-14天，這一漫長的過程對于追求資本效率的用戶來說是無法容忍的。

Zk-Rollups（ZeroKnowledgeRollups），即零知識匯總交易，依靠密碼學原理保障資金安全。Zk-Rollups選取的是“有效證明”的思路，其實現邏輯是，驗證節點會將一個“零知識證明”一同打包上鏈，其他節點只需要運算該證明即可認定驗證節點提交的狀態變更結果是正確無誤的。這樣做的好處是，運算“零知識證明”要比直接運算每筆交易簡單、快捷得多，而且其正確性是由密碼學原理保證的，而非驗證節點的押金所擔保的。

Zk-Rollups的優點在于摒棄了OptimisticRollups 中“挑戰期”的設定，使得主鏈與子鏈間資金轉移的速度極快。Zk-Rollups的缺點在于技術不成熟導致的安全隱患和較差的兼容性。在一些零知識證明算法中，如簡潔非交互零知識證明，算法中一些與安全相關的隨機數是由初始節點選取的，倘若有惡意節點保存了這些隨機數，就可以生成虛假的零知識證明，從而盜取子鏈上的資金。此外，由于生成“零知識證明”要比具體運算每筆交易復雜得多，對于一些復雜的智能合約，尚沒有通用的、簡單的生成方法，使得Zk-Rollups暫時還無法兼容大部分DeFi項目。目前，Zk-Rollups的Layer2網絡僅能夠實現“轉賬”、“期貨交易”和“鑄造NFT”的操作。

礦工找到繞過“英偉達顯卡限制以太坊挖礦”的方法:3月10日消息，礦工找到一種使用自定義mod繞過“GeForce RTX 30系列顯卡限制以太坊挖礦”的方法。NVIDIA GeForce RTX 3060的傳輸速度約為40-45 MH / s，但是一旦在顯卡上開始挖掘，速度就會降至20-25 MH / s。該Mod有助于礦工釋放GeForce RTX 3060顯卡的全部散列潛力，最高可達50 MH / s。（WCCFtech）

此前消息，芯片巨頭英偉達（Nvidia）的高端顯卡RTX 3080 Ti和RTX 3070 Ti將配有以太坊挖礦限制功能，即顯卡算力不能全部用于挖礦。同時，英偉達未來生產的所有30系列高端顯卡，都將配置以太坊挖礦限制功能。[2021/3/10 18:32:57]

3.Sidechains（側鏈）

Sidechains（側鏈）指兼容以太坊虛擬機、與以太坊網絡并行運行的的獨立區塊鏈。側鏈不是以太坊網絡的子鏈或直接的二層網絡，為了提升交易吞吐量并加快交易確認速度，它們所采用的共識模型一般也與以太坊不同。例如BSC（Binance Smart Chain）和Polygon（Matic）網絡，它們采用的都是權益證明（ProofofStake）共識機制，而非工作量證明（ProofofWork）。盡管側鏈在可拓展性和效率上有了顯著提升，但其安全性和去中心化程度都要弱于以太坊網絡。

三、以太坊Layer2各方案的發展狀況如何？

3.1 Plasma、閃電網絡的發展情況

閃電網絡是比特幣的二層網絡，其原理是在比特幣錢包地址間構建點對點的支付通道，再由支付通道共享節點來搭建支付網絡。與Plasma類似，二層網絡中的交易不會被記錄在主鏈上，只有提取資金時才將余額變更結果上傳至主鏈。同樣地，提取閃電網絡中的資金需要等待一段時間的挑戰期，如果期間支付通道的另一方提出異議并提供“欺詐證明”，則可獲得另一方的保證金并覆蓋錯誤的余額變更結果。

閃電網絡的發展狀況要比ETH Plasma好得多，無論是在用戶數量還是應用場景方面。截止至2021年10月，閃電網絡擁有15566個節點和73076條支付通道。薩爾瓦多在正式支持比特幣作為該國的法定貨幣后，也推薦其國民使用閃電網絡進行日常支付或轉賬。根據閃電網絡錢包服務商ChivoWallet顯示的數據，累計有超過220萬的薩爾瓦多公民使用過閃電網絡錢包，而這一數字已經超過了薩爾瓦多任何一家銀行的用戶量。除此之外，著名社交平臺推特也在2021年9月23日宣布支持用戶通過閃電網絡向博主支付比特幣小費。這一舉動無疑也可為閃電網絡帶來更多的用戶和交易。

Plasma可以視作以太坊開發者對比特幣閃電網絡的借鑒，但這一模式并不適合以太坊網絡，所以其發展幾乎停滯。以太坊網絡與比特幣網絡并不完全相同，以太坊是一個虛擬機，其地址的賬戶狀態可被任意節點調用，Plasma中的每筆交易都會影響整個二層網絡的賬戶狀態。在閃電網絡中，用戶僅需要盯住與自己共同構建支付通道的節點沒有提交虛假的余額變更結果即可保證安全；在Plasma中，用戶需要關注整個二層網絡的交易和狀態變更，而監控如此龐大的數據量對于普通用戶來說是難以實現的。

3.2 Sidechains（側鏈）遇到了增長瓶頸

Sidechains由于開發的便利性優勢，最先承接了ETH的溢出價值。ETH網絡的擁擠和Rollups方案緩慢的研發進度為側鏈的爆發創造了條件。2020年6月，隨著Compound開啟“流動性挖礦”和“借貸挖礦”，所謂的“DeFi之夏”掀開了序幕，越來越多的項目、用戶和資金涌向了ETH；與此同時，ETH主網交易確認速度慢、gas fee過高和交易吞吐量不足的缺點愈發暴露明顯。側鏈的開發者們果斷地抓住了這次機會，推出了兼容以太坊虛擬機的區塊鏈網絡，移植了以太坊上熱門Dapp的智能合約，配合各種營銷策略，迅速吸引到了許多ETH溢出的用戶、資金和項目。

以太坊未確認交易為87,309筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易87,309筆，當前全網算力為254.25TH/s，全網難度為3.38P，當前持幣地址為50,000,211個，同比增加247,988個，24h鏈上交易量為3,531,122.31ETH，當前平均出塊時間為13s。[2020/11/13 14:09:44]

最具代表性的側鏈包括BSC（BinanceSmartChain）和Polygon（Matic）網絡。

BSC是由幣安交易所資助開發，采用了權益證明共識機制的智能區塊鏈，也是最早上線的ETH側鏈之一。相較于ETH，BSC以犧牲去中心化程度為代價，換取了更快的交易確認速度、更大的交易吞吐量和更低的gas fee；同時，有著全世界現貨交易量最大的中心化交易所幣安的隱性背書，BSC在獲得用戶流量的同時也打消了用戶的安全顧慮。于是乎，自2021年2月以來，BSC上的用戶量、總鎖倉價值和項目量都實現了快速增長，一躍成為總鎖倉價值僅次于ETH的智能區塊鏈，并遠遠甩開了其他ETH側鏈競爭者。

Polygon是一種生態系統，可用于創建與以太坊兼容的區塊鏈網絡和拓展解決方案，其主網正式上線于2021年5月。相較于BSC，Polygon主網的交易確認速度和手續費低廉程度有過之而無不及，也吸引到了不少的用戶和項目，其總鎖倉價值在所有ETH側鏈中僅次于BSC。

Sidechains的價值捕獲能力目前已遇到了增長瓶頸。以BSC為例，將其總鎖倉價值走勢與ETH對比可以發現，在“5.19”去杠桿之前，BSC跟隨ETH一路上漲，甚至在一些時段增速更快；而在“5.19”之后，當ETH總鎖倉價值突破前高時，BSC卻幾乎停滯，并沒有表現出曾經的強勢。而Polygon盡管其總鎖倉價值在“5.19”之后不但沒有回落還實現了增長，但由于其絕對體量較小，即使將它與BSC相加，所有以太坊側鏈的總鎖倉價值距離歷史高點仍有不小距離。

側鏈遇上增長瓶頸的原因包括：短時間涌現出其他性能更強、費用更低的非以太坊側鏈區塊鏈網絡分流；更為值得關注的是，在去中心化、安全和技術方面更先進的RollupsLayer2網絡分流。首先，不同于工作量證明共識機制，權益證明共識機制不具備算力這一客觀參考指標來衡量其網絡的抗沖擊能力，哪怕一些側鏈有著中心化機構的背書，它們能夠凝聚的共識和承載的價值都是有限的。其次，非以太坊側鏈區塊鏈網絡的異軍突起也分流了不少側鏈的用戶。例如，Solana和Terra的總鎖倉價值在9月份和10月份都曾突破100億美元。最后，被部分用戶譽為“Real Layer2”的RollupsLayer2網絡陸續上線，使得側鏈的發展空間進一步被壓縮。

3.3 Rollups發展潛力大、爆發迅速

Rollups或將超越Sidechains，成為被普遍接受的Layer2方案。相對于Sidechains，Rollups是更安全、更去中心化的解決方案。過去一段時間，受限于Rollups方案在技術上尚未成熟，ETH生態的溢出價值被Sidechains所捕獲；最近，隨著基于Rollups原理的Layer2主網正式上線，用戶、資金和項目已展現回流趨勢。

例如，自從基于Optimistic Rollups技術的ETH Layer2主網ArbitrumOne在2021年9月1日正式上線以來，其用戶數量和總鎖倉價值都實現了飛速增長。不僅如此，ETH主網上的許多頭部項目也已在ArbitrumOne上線，例如1INCH、Uniswap、Sushiswap、Curve和Balancer等，使得其生態日趨完整。

總體而言，ArbitrumOne的總鎖倉價值和用戶量保持了增長的趨勢。在9月12日，兩項數據都實現了暴漲，隨后幾天盡管總鎖倉價值突破在25億美元后又回落到15億美元，但后續仍保持了穩步增長的勢頭，逐步穩定在20億美元以上；用戶量的增速雖然有所下降，但整體趨勢仍是向上的，并且突破了20萬大關。

以太坊開發公司CasperLabs正開發新區塊鏈以進行籌款計劃:受以太坊股權證明計劃的啟發，以太坊開發公司CasperLabs正在開發一款新的區塊鏈，參與者可以將代幣存入該計劃，以促進網絡發展。從3月30日開始，CasperLabs代幣（CLX）將通過BitMax交易所出售給散戶投資者。當今年晚些時候主網啟動時，交易所將自動為買家買入CLX，此后將強制執行90天鎖定，以防止立即拋售。（Coindesk）[2020/3/25]

四、以太坊Layer2的代表項目有哪些？

4.1?基于OptimisticRollups的代表項目

Arbitrum是一款由OffChainLabs團隊開發的、基于OptimisticRollup技術的ETHLayer2項目，也是所有RollupsLayer2項目中發展最好的，其用戶量、項目數量和總鎖倉價值均是第一。根據DeFiLlama的統計數據，Arbitrum上總鎖倉價值排名前十的項目中，Sushiswap、Anyswap、Curve和Abracadabra的鎖倉量均達到了3億美元。

以總鎖倉價值最高的Sushiswap為例，WETH/MIM（以太坊與穩定幣）交易對資金池的深度已達2.2億美元，基本可以將單筆百萬美元級別的交易滑點控制在1%內。

Arbitrum在技術上更具優勢，它采用的交互式欺詐證明是更高效、靈活的，可以最小化鏈上仲裁節點的工作量。交互式欺詐證明的方法基于對爭議的剖析，假如驗證節點一共擔保了N個步驟的交易，挑戰者將與驗證節點在鏈下進行多輪交互，直至將雙方存在爭議的部分縮至最小范圍，再提交給鏈上仲裁節點解決。

可以這樣理解Arbitrum運行機制：以學校作業管理系統為比喻（每份作業就好比鏈上的交易任務），以太坊主網（L1）管理者全校學生的作業情況，而為減輕以太坊的直接工作量，學校每個班設置一個課代表負責收取并批改每份作業，打包（即rollup塊）后統一錄入以太坊主網。而作業具體情況是否有欺詐則采用多輪欺詐證明來解決爭議。這就好比設置了幾位檢查委員，按照算法去檢查每個包內作業的真實情況，檢查委員要以押上個人學分（即以太坊上的ETH代幣抵押）來確保公正。經過一周的爭議窗口期后，最終以太坊才最終確認作業的批改情況。

Arbitrum的生態發展進入了良性循環。隨著總鎖倉價值和用戶數量的雙增，越來越多的項目也樂于部署在ArbitrumOne主網上；而項目的增長也有利于進一步吸引資金和用戶進入ArbitrumOne。未來，ArbitrumOne仍是值得關注的Layer2項目之一。

4.2基于Zero-KnowledgeRollups的代表項目

基于Zero-Knowledge Rollups原理的Layer2項目衍生出了兩種技術路線，分別是ZK-SNARKs（Zero-Knowledge SuccintNon-interactive Arguments of Knowledge；簡潔非交互零知識證明）和ZK-STARKs（Zero-Knowledge Scalable Transparent Arguments of Knowledge；簡潔全透明零知識證明）。它們的代表項目有zkSync、StarkEX和StarkNet。

ZK-STARKs被認為是ZK-SNARKs的改進版本，旨在解決ZK-SNARKs的許多缺點。首先，在ZK-SNARKs中，一些與安全相關的隨機數是需要初始節點選取的，如果有惡意節點保存了這些初始數據，它就可以利用初始數據生成虛假的證明，從而偷走用戶在Layer2的資金；但在ZK-STARKs中，并不需要設置初始化可信值，而通過哈希函數碰撞進行更精密的對稱加密方式。此外，在ZK-SNARKs中，所需的計算越多，驗證者和證明者之間的通信量也就越大；但在ZK-STARKs中，驗證者和證明者之間的通信量相對于計算的任何增量都是保持不變的，所以ZK-STARKs的整體數據量遠小于ZK-SNARKs。

4.2.1 基于Zero-KnowledgeRollups的zkSync

zkSync是由MatterLabs團隊開發的一個基于Zero-KnowledgeRollups原理的ETH Layer2網絡，它采用的有效證明方式是ZK-SNARKs。?

zkSync網絡中最主要的產品是zkWallet，它是用戶在Layer2網絡中的錢包，目前只兼容“轉賬”這一特定的交易行為。zkWallet的優點是在同時進行多筆轉賬時，僅需要支付一次gasfee，幫助用戶節省轉賬成本。例如，用戶在Gitcoin Grants為眾籌項目批量捐款時，可以至多一次性完成50筆轉賬操作。根據官方公布的數據，zkWallet累計完成了近400萬筆交易，包括第8-11輪Gitcoin Grants中98%的交易。?

除了zkWallet之外，MatterLabs也在積極開發zkEVM，它是一種以兼容零知識證明計算的方式執行智能合約的虛擬機。目前已在測試網上線了支持Uniswap的zkSync2.0，這也是ZK-Rollups Layer2網絡首次兼容主網上的項目。

4.2.2 StarkEX、StarkNet和dYdX的發展情況

StarkEX和StarkNet都是由StarkWare公司開發的產品，前者是ETH Layer2可拓展引擎，后者是ETH Layer2網絡，它們采用的有效證明方式都是ZK-STARKs。

StarkEx是一個較為成熟的平臺，自2020年6月起已部署在ETH主網上，截止到2021年10月5日，累計完成了2700萬筆交易和800億美元的交易額。作為ETH Layer2可拓展引擎，它允許DeFi項目將它們的應用程序部署、運行在StarkEx服務上，并為它們的交易結果生成零知識證明，最終將原始交易數據、狀態變更結果和相應的證明記錄在ETH主網上。

StarkEx系統具有鏈上組件和鏈下組件。鏈下組件負責記錄各賬戶的實時狀態，執行系統中的交易并生成相應的零知識證明，再將交易后的狀態變更結果和相應的證明發送到鏈上組件。鏈上組件負責保管系統內的資產，驗證鏈下組件上傳的證明的有效性，并將狀態變更結果記錄在ETH主網上。

在使用StarkEx服務的項目中，dYdXV3是交易量最大、用戶數量最多的，也是運行在ETH Layer2 上的項目的典型代表。

dYdXV3是架構在StarkEx系統之上的去中心化永續合約交易所。自從2021年8月3日公布了其平臺治理代幣的分發計劃以來，其交易量增長迅猛，高峰時單日交易量一度達到了93億美元，成為全網交易量最大的DEX（去中心化交易所）。

借助于StarkEx服務，使得dYdX可以采取訂單簿模式進行交易撮合——這是資本市場最為熟悉的交易磋磨模式，同時確保撮合效率。dYdXV3解決了ETH網絡上合約交易者面臨的痛點。在ETH Layer2網絡上進行合約交易，既可以得到媲美在ETH主網上交易的安全保障，又可以享受到接近中心化交易所的結算速度和低廉的手續費。用戶存入dYdX的資金實際上都被鎖定在dYdX部署在ETH主網的智能合約中，并且隨時都可以提取；而交易的結算則發生在Layer2網絡上，用戶只需要在存入和取出資金時支付gasfee，并不需要為每筆交易都支付，也就大大節省了交易成本。從體驗上來看，dYdX的交易撮合效率與傳統中心化交易所（CEX）幾乎無異。

對于ETH網絡的用戶，使用dYdXV3的學習成本并不高，可以快速上手，使用者利用錢包簽名即可注冊。與在ETH主網上進行交易時需要私鑰持有者簽名確認類似，用戶在Layer2網絡上的交易也需要由“starkKey”簽名確認。所以，初次使用時，用戶首先通過以太坊地址連接到dYdX的智能合約，智能合約會將用戶的以太坊地址與特定的“starkKey”綁定，在此之后用戶才可將資金轉入dYdX部署在ETH主網的智能合約中。等到Layer2網絡中的應用程序接受存款后，用戶即可使用其資金進行交易。

不同于CEX的交易邏輯，dYdX引入“交易即挖礦”的邏輯，用戶只需要在dYdX上進行合約交易即可獲得獎勵。其具體模式是，以28天為一個周期，按照用戶的交易積分占比，將3835616個DYDX代幣作為獎勵分配。交易積分的計算公式實際上是一個柯布—道格拉斯生產函數，交易手續費的權重為70%,平均持倉量的權重為30%。例如，某用戶在某期分發中貢獻了1000美元的交易手續費，其平均持倉量為100000美元，那么他的交易積分=10000.7*1000000.3=125.89*31.62=3980.64。假如，本期所有產生的交易積分為1000000，那么他可以分配到DYDX的數量=3835616*（3980.64/1000000）=15268.21個。在這樣的分配模式下，只要用戶能夠分配到的DYDX的市值高于所花費的手續費，他就有動力繼續刷高自己的交易積分，進而推動了dYdX平臺交易額和未平持倉量的上漲。

StarkNet是一個較新的項目，但代表了StarkWare公司未來的開發方向。StarkNet已在測試網上發布了3個版本，并計劃在2021年11月正式上線部署于ETH主網的StarkNetAlpha。根據官方的公開文檔，StarkNetAlpha將支持EVM架構的智能合約，從而實現Layer2與主網的可交互性，拓展Zk-RollupsLayer2網絡的兼容性。

StarkNetAlpha的業務實現邏輯與StarEx類似，但可以實現更好的兼容性。開發者可以將部署在ETH主網的智能合約移植到StarkNetAlpha上，用戶則可按相同的操作邏輯進行合約交互；最終，所有的交易數據、狀態變更結果和相應的零知識證明都會被StarkNetAlpha的節點上傳至主網。

五、以太坊Layer2的潛在風險與發展方向？

就目前的技術而言，無論何種Layer2方案都無法真正實現與ETH主網相同的安全性。

其中，Sidechains的安全性最弱。首先，在共識實現機制上，Sidechains的安全性遠遜于ETH主網。區塊鏈網絡的核心要義是去中心化和不可篡改，而側鏈恰恰是在這方面做出了犧牲，導致攻擊者篡改側鏈賬本的成本顯著低于篡改以太坊賬本。其次，側鏈上的DeFi項目可能存在更多智能合約漏洞。由于ETH主網上的智能合約多是開源的，于是乎，有許多代碼開發能力不強的仿盤團隊將其簡單改動后移植至側鏈上。哪怕這些仿盤項目最初可以獲得第三方審計公司出具的審計報告，但在后續的迭代版本中，出現新的智能合約漏洞的情況也十分常見。

Rollups的安全隱患包括智能合約漏洞、博弈機制失靈、人為交易排序和密碼學漏洞等。首先，無論是OptimismRollups還是ZK-Rollups，都是利用智能合約將用戶存入Layer2網絡的資金鎖定在主網上，如果智能合約本身存在漏洞或被惡意篡改，用戶的資金就有可能被盜。此外，OptimismRollups的博弈機制未必有效，潛在的挑戰者未必能夠審查驗證節點發布的所有狀態變更結果，一旦挑戰期結束，即使狀態變更結果與交易記錄不符，錯誤的結果也無法回滾，Layer2中的資金就有可能被盜。再者，OptimismRollups的交易排序是可被人為控制的。例如ArbitrumOne的服務器中有一個中心化的交易排序器，如果運營商利用它搶先打包交易，即使其他節點率先提交“欺詐證明”，驗證節點的保證金也會落入運營商的手里。最后，ZK-Rollups依靠的密碼學原理也有可能存在漏洞。ZK-STARKs發展時間較短，屬于較新的和實驗性的密碼學原理，需要更長時間來證明其安全性；ZK-SNARKs中的“有廢料”更是一直被詬病的漏洞。

在“區塊鏈網絡不可能三角”的框架下，首先應當保證的是安全性，其次是去中心化程度，最后才是可拓展性，對于ETH Layer2也不例外。綜合比較各Layer2方案，從長遠角度來說，采用ZK-STARKs的Zk-Rollups是最為均衡的。首先，從安全性角度考量，Rollups優于Sidechains，Zk-Rollups優于Optimism Rollups，ZK-STARKs優于ZK-SNARKs。其次，從去中心化程度角度考量，ZK-Rollups依靠的密碼學原理是客觀事實，經得起反復驗證，不需要通過博弈機制保障其有效性，也消除了中心化的交易排序問題。最后，從可拓展性角度考量，雖然目前Zk-Rollups的兼容性不如Optimism Rollups，但隨著技術的成熟，Zk-Rollups的Layer2網絡陸續上線，實現對ETH主網上DeFi項目的兼容，屆時Layer2網絡的高交易吞吐量將使可拓展性得到極大提升。

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