對Layer2的理解與思考：是否去中心化，是否安全？

特別鳴謝 本文原作者 Trapdoor Tech 創始人 Star.LI的支持！

本文摘自:IOSG

原標題：《L2的理解與思考》

Layer2是個大的話題。是否去中心化，是否安全，資金狀態確認時間是Layer2的主要的討論話題。最近有點時間，總結一下Layer2的理解和思考。

Layer2交互模型

Layer2，相對於Layer1，在Layer1的基礎上提供更豐富功能，更好的用戶體驗。抽象一下Layer2的邏輯以及交互模型如下：

除了Layer1的交易外（入金），其他Layer2的交易都在Layer2執行。為了Layer2在必要時恢復交易狀態，所有Layer2的交易數據需要安全存儲。簡單起見，也為了和Layer1保持一樣的安全性，所有Layer2的交易數據一般存儲在Layer1。這種交易數據的隨時可訪問，稱為"Data Availability"（數據可用性）。所有的Layer2交易都在Layer2執行，並同步到Layer1。如何證明Layer2同步的狀態正確，不同的layer2方案有不同的實現方法。

Layer2實現分類

從Layer2狀態同步方式，Layer2分為兩類：一類是側鏈實現（Side Chain），一類是Rollup。側鏈，就是通過不同於Layer1的共識進行Layer2狀態向Layer1的同步。僅從這一點，整個側鏈的安全性，就降低到Layer2的共識的安全性。Rollup又分為兩種：一種是zkRollup，一種是Optimistic Rollup。所謂Optimistic Rollup，樂觀性Rollup，期望絕大多數情況下Rollup正確向Layer1同步狀態。同時，為了防止同步錯誤的狀態，提供了挑戰機制。樂觀預計挑戰的機率比較小。在需要挑戰的情況下，Layer1可以判斷正確狀態。zkRollup是最直接的狀態同步方式，通過零知識證明技術，在向Layer1提交狀態的同時提供狀態變化的證明。Layer實現分類如下：

zkRollup，按照採用的零知識證明協議又分為三類：1/ Groth16 2/ PLONK 3/ STARK。Groth16協議需要針對每一個電路進行初始設置(Trusted Setup)。PLONK協議在一定規模下的電路只需要一次初始設置。STARK協議不需要初始設置。但是，相對另外兩種算法，STARK協議，證明數據量大，驗證時間長。相對來說，在Layer2的場景下，PLONK是目前廣泛使用的算法。

STARK協議和SNARK(Groth16/PLONK)協議比較（來源於Matter Labs的github鏈接）：

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

總結一下，從安全性角度看，各種Layer2的排序如下：zkRollup，optimistic Rollup，側鏈。從提現的時間也印證了安全性，zkRollup的提現是分鐘級別，其他兩種方案，小時甚至是天級別。zkSync是比較完善的zkRollup開源項目，感興趣的小夥伴可以查看之前的分析文章：

zkRollup，雖好，目前存在很大的缺陷：可編程性差。

細看zkRollup

相對其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk證明系統。也就是說，在Layer2每個交易除了“執行”外，還需要生成證明，證明執行過程的正確性。熟悉零知識證明技術的小夥伴都知道，零知識證明的安全性在於”電路“的安全性。對於Layer2，每種交易的處理”固化“為電路，電路邏輯完全公開。對應於每種電路，存在唯一的驗證秘鑰。驗證秘鑰用在Layer1驗證狀態證明。通過驗證的狀態證明，符合固化電路的邏輯。

關鍵就在於Layer2交易的執行和固化電路語義是否一致。公開電路就是一種共識方式，供所有人查閱電路邏輯。簡單的說，為了實現zkRollup，需要實現Layer2執行對應的電路。事實上，電路的實現相對複雜，沒有高級語言，很多情況下都是手寫R1CS。進一步，為了利用zk證明系統，為了優化電路的實現，整個Layer2的狀態經常優化為電路友好結構（merkle樹）。所以，zkRollup的系統需要考慮電路的結構，從而約束了Layer2交易以及賬戶模型。細心的小夥伴可以發現，不管是zksync/zkswap/loopring，都只實現了特定交易場景。

反過來說，如果需要通過zkRollup支持EVM的交易執行，需要將EVM的交易抽象成電路友好的賬戶模型。這種抽象並不容易，再者，EVM的描述電路可以預見比較大。從零知識證明的性能看，這方面會限制整個zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整個zkRollup方案的主要gas消耗為三部分（withdraw不考慮在內）：

• Transaction Raw Data：在zksync中稱為pub data。為了保證data availability，所有的Layer2的交易都會以裸數據的形式提交到Layer1。
• Layer2 Block管理：在Layer2提交區塊狀態時，Layer1維護着Layer2的區塊結構和狀態。
• 驗證Layer2 Block狀態：在Layer2提交證明時，Layer1需要驗證狀態證明。

以一個區塊350筆交易，每個交易的Transaction Raw Data的大小為20字節為例，一個區塊處理的gas消耗：

雖然上述的數據不是精確值，但是足以說明交易原始數據在整個zkRollup方案中的gas消耗佔比是非常高的。從這個角度看，Layer2的有些項目選擇通過其他鏈下的方式存儲交易數據。

Optimism vs. Arbitrum

Optimistic Rollup兼容EVM。也就是說，Layer2支持可編程性，並且在以太坊上的程序幾乎無縫遷移。為了保證鏈上的狀態正確，這兩種方案都提供一段時間內的挑戰機制。挑戰者提供挑戰的證據，Layer1抉擇正確與否。深入理解Optimism和Arbitrum可以查看之前的文章。

Optimism採用OVM執行Layer2交易。取名OVM是為了區分Layer1的EVM。因為提交到Layer1的狀態需要檢驗正確性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是說，Layer1在有些情況下需要執行OVM交易的執行。Optimistic Rollup最複雜的地方也在於此，用EVM模擬OVM，並執行Layer2的交易。可想而知，在Layer1的EVM模擬OVM的執行是比較繁瑣，消耗較大的操作。

Arbitrum也是採用挑戰機制。為了避免挑戰的gas費用低，Arbitrum引入了AVM：

相對於EVM，AVM是一個相對簡單的虛擬機。Arbitrum在AVM虛擬機上模擬EVM執行環境。也就是說，所有的Layer2交易都是在AVM執行，交易的執行狀態可以用AVM狀態表示。在提交到Layer1的狀態有分歧時，挑戰雙方（Asserter和Challenger）先將狀態分割，找出“分歧點”。明確分歧點后，挑戰雙方都可提供執行環境，Layer1執行相關操作確定之前提交的狀態是否正確。在Layer1挑戰的是AVM的狀態，分歧點的AVM的指令執行。

簡單的說，為了省挑戰的gas費用，Arbitrum採用了精簡的AVM（非常方便狀態表示），通過快速分割，在鏈上只需要執行一個指令，判斷狀態是否執行正確。Arbitrum介紹文檔中提到，整個挑戰需要大概500字節的數據和9w左右的gas。在AVM的基礎上，Arbitrum設計了mini語言和編譯器，模擬了EVM的執行環境，從而兼容EVM。

總結

Layer2，相對於Layer1，在Layer1的基礎上提供更豐富功能，更好的用戶體驗。資金狀態確定性時長，安全性，可編程性是目前討論的焦點。zkRollup是資金狀態確定性最快的方案。optimistic Rollup/側鏈具有可編程性。zkRollup支持EVM的證明是個期待的方向。