一文了解Layer2模型、分类、具体方案_LAYER:KRO

原文标题:L2-理解和思考

Layer2是个大的话题。是否去中心化,是否安全,资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间,总结一下Layer2的理解和思考。

Layer2交互模型

Layer2,相对于Layer1,在Layer1的基础上提供更丰富功能,更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下:

除了Layer1的交易外,其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态,所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见,也为了和Layer1保持一样的安全性,所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问,称为"DataAvailability"。所有的Layer2交易都在Layer2执行,并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确,不同的layer2方案有不同的实现方法。

汇丰控股:以1英镑收购硅谷银行英国子公司:金色财经报道,根据一份声明显示,汇丰银行以1英镑收购硅谷银行英国子公司。截至3月10日,硅谷银行英国子公司拥有约55亿欧元的贷款和约67亿英镑的存款,英国央行在一份单独的声明中表示,它促成了这笔交易,客户存款将受到保护,交易中不涉及纳税人的钱。[2023/3/13 13:00:42]

Layer2实现分类

从Layer2状态同步方式,Layer2分为两类:一类是侧链实现,一类是Rollup。侧链,就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点,整个侧链的安全性,就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种:一种是zkRollup,一种是OptimisticRollup。所谓OptimisticRollup,乐观性Rollup,期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时,为了防止同步错误的状态,提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下,Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式,通过零知识证明技术,在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下:

全国政协委员吴杰庄:目前对元宇宙、虚拟世界金融支付、NFT缺乏成熟的监管:金色财经报道,2023年全国两会,全国政协委员、香港特区立法会议员吴杰庄提交了一份《关于促进元宇宙产业健康发展的提案》。吴杰庄介绍,当前,元宇宙产业发展中存在着挑战。一方面,先进技术“双刃剑效应”凸显,传统信息安全与意识形态保护受到挑战。另一方面,目前对元宇宙资本运作方式、虚拟世界金融支付、NFT缺乏成熟的监管。目前,美国元宇宙发展速度较快,我国在理念上与之接近,并具有较大市场,日、韩等国也在积极推动元宇宙发展。为此,吴杰庄建议我国以“数字货币”发展为前车之鉴,充分重视元宇宙发展与治理问题,积极推动支撑元宇宙发展的技术进步和基础设施建设,同时关注元宇宙前瞻治理问题。[2023/3/12 12:57:36]

zkRollup,按照采用的零知识证明协议又分为三类:1/Groth162/PLONK3/STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(TrustedSetup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是,相对另外两种算法,STARK协议,证明数据量大,验证时间长。相对来说,在Layer2的场景下,PLONK是目前广泛使用的算法。

STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较:

武汉“慧证通”应用区块链技术正式亮相:金色财经报道,9月23日,在“武汉市江汉区知识产权保护(红T)服务中心”与“武汉市江汉区区块链知识产权服务中心”揭牌仪式上,区块链知识产权保护应用“慧证通”正式亮相,标志着武汉市知识产权保护有了新进展。(长江日报)[2022/9/24 7:17:33]

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

总结一下,从安全性角度看,各种Layer2的排序如下:zkRollup,optimisticRollup,侧链。从提现的时间也印证了安全性,zkRollup的提现是分钟级别,其他两种方案,小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目,zkRollup,虽好,目前存在很大的缺陷:可编程性差。

细看zkRollup

相对其他Rollup方案,zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说,在Layer2每个交易除了“执行”外,还需要生成证明,证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道,零知识证明的安全性在于”电路“的安全性。对于Layer2,每种交易的处理”固化“为电路,电路逻辑完全公开。对应于每种电路,存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明,符合固化电路的逻辑。

Binance:LUNC现货和杠杆交易不受税费燃烧机制影响:9月8日,Binance官方公告表示,LUNC和USTC的现货和杠杆交易,以及币安理财的相关服务(例如:Staking、币安宝)将不受税费燃烧机制影响。充值:用户的充值在到达Binance之前将由TerraClassic(LUNC)网络进行征税。在扣除1.2%税费后,余额将计入用户的币安帐户;提现:用户收到的提现金额将会扣除Binance收取的提现手续费和网络燃烧的1.2%税费。

据悉,Terra社区已经通过了3568和4159提案,将对Terra Classic(LUNC)网络上LUNC和USTC的链上交易引入1.2%的税费燃烧机制。[2022/9/8 13:17:46]

加密投资公司CoinFund推出3亿美元的Web3基金:金色财经报道,加密货币的投资公司CoinFund设立一个3亿美元的风险投资基金CoinFund Ventures I,以支持早期的区块链项目。CoinFund管理合伙人兼风险投资负责人 David Pakman在接受采访时表示,我所投资的CoinFund Ventures将投资具有商业吸引力的公司,这些公司也包括加密货币行业,这拥有庞大的潜在市场。感兴趣的领域包括Layer1区块链、Web3基础设施、NFT、游戏和资产管理。(CoinDesk)[2022/8/17 12:32:06]

关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式,供所有人查阅电路逻辑。简单的说,为了实现zkRollup,需要实现Layer2执行对应的电路。事实上,电路的实现相对复杂,没有高级语言,很多情况下都是手写R1CS。进一步,为了利用zk证明系统,为了优化电路的实现,整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构。所以,zkRollup的系统需要考虑电路的结构,从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现,不管是zksync/zkswap/loopring,都只实现了特定交易场景。

反过来说,如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行,需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易,再者,EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看,这方面会限制整个zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分:

TransactionRawData:在zksync中称为pubdata。为了保证dataavailability,所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。

Layer2Block管理:在Layer2提交区块状态时,Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。

验证Layer2Block状态:在Layer2提交证明时,Layer1需要验证状态证明。

以一个区块350笔交易,每个交易的TransactionRawData的大小为20字节为例,一个区块处理的gas消耗:

虽然上述的数据不是精确值,但是足以说明交易原始数据在整个zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。从这个角度看,Layer2的有些项目选择通过其他链下的方式存储交易数据。

Optimismvs.Arbitrum

OptimisticRollup兼容EVM。也就是说,Layer2支持可编程性,并且在以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了保证链上的状态正确,这两种方案都提供一段时间内的挑战机制。挑战者提供挑战的证据,Layer1抉择正确与否。

Optimism采用OVM执行Layer2交易。取名OVM是为了区分Layer1的EVM。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性,Layer1需要“重放”Layer2的交易,也就是说,Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。OptimisticRollup最复杂的地方也在于此,用EVM模拟OVM,并执行Layer2的交易。可想而知,在Layer1的EVM模拟OVM的执行是比较繁琐,消耗较大的操作。

Arbitrum也是采用挑战机制。为了避免挑战的gas费用低,Arbitrum引入了AVM:

相对于EVM,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。也就是说,所有的Layer2交易都是在AVM执行,交易的执行状态可以用AVM状态表示。在提交到Layer1的状态有分歧时,挑战双方先将状态分割,找出“分歧点”。明确分歧点后,挑战双方都可提供执行环境,Layer1执行相关操作确定之前提交的状态是否正确。在Layer1挑战的是AVM的状态,分歧点的AVM的指令执行。

简单的说,为了省挑战的gas费用,Arbitrum采用了精简的AVM,通过快速分割,在链上只需要执行一个指令,判断状态是否执行正确。Arbitrum介绍文档中提到,整个挑战需要大概500字节的数据和9w左右的gas。在AVM的基础上,Arbitrum设计了mini语言和编译器,模拟了EVM的执行环境,从而兼容EVM。

总结:

Layer2,相对于Layer1,在Layer1的基础上提供更丰富功能,更好的用户体验。资金状态确定性时长,安全性,可编程性是目前讨论的焦点。zkRollup是资金状态确定性最快的方案。optimisticRollup/侧链具有可编程性。zkRollup支持EVM的证明是个期待的方向。

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