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泉源:vitalik.ca

作者:Vitalik Buterin

稀奇谢谢 Georgios KonstantopoulosKarl Floersch 以及 Starkware 团队的反馈和校对。

在 L2 扩容探讨中经常会泛起的话题是「layer3(L3)」这个看法。若是我们可以构建一个锚定 L1 平安性并在其之上增添可扩展性的 L2 协议,那么我们也一定可以构建一个锚定于 L2 平安性并在其之上增添更多可扩展性的 L3 协议,以此实现更多扩容?

简要地说,这种看法是这样的:若是你拥有一个能够让你举行二次方扩容的方案,那你可以将这个方案构建在它自己之上,然后到达指数级的扩容吗?

我在自己 2015 年的可扩展性论文、Plasma 论文中的多层扩容想法等地方都讲到了类似的看法。不幸的是,这种关于 L3 的简朴构想并不能像上述看法那样容易实现。

这种方案的设计中总是会有一些无法直接堆叠的器械,只能在可扩展性上带来一次提升 —— 由于数据可用性的限制,紧要提款依赖于 L1 宽带等多种问题。

如 Starkware 提议的框架等较新的关于 L3 看法变得更庞大:这些 L3 方案不只是在自己的网络之上客栈叠相同的方案,而是为 L2 和 L3 分配差其余用途。这种方式的一些形式可能会是好主意 —— 若是它能够以准确的方式实现。本文将会详细先容在三层架构下哪些可能有意义,而哪些可能无意义。

为什么无法通过将 rollup 堆叠在 rollup 之上一直扩容

rollup 是连系种种手艺解决区块链运行中两大主要扩展瓶颈的扩容手艺:盘算和数据。盘算可以通过诓骗证实或是 SNARK 解决,两种方式依赖于很少的行动者就能对每个区块举行处置和验证,只需要其他介入者运行一小部门的盘算来检查证实历程是否准确完成了。

这些方案尤其是 SNARK 险些可以无限地扩展,你真的就可以通过保持构建「在一个 SNARK 证实之上构建多个 SNARK 证实」,为单个证实扩展更多算力。

数据则差异。rollup 使用许多压缩技巧来削减一笔生意在链上存储所需的数据量:一笔简朴的钱币转账从约莫 100 字节省至约莫 16 字节,兼容 EVM 的链上的一笔 ERC-20 代币转账从约莫 180 字节省至 23 字节左右,而一笔珍爱隐私的 ZK-SNARK 生意可以从 600 字节左右压缩至 80 字节左右。

基本所有情形下的数据都能压缩至原来的 1/8。然则,rollup 照样需要在某一中介上让数据具有链上可用性,保证用户能够举行接见和验证,因此,用户可以自主地皮算 rollup 的状态,并在现有证实天生者下线的情形下作为证实天生者加入证实历程。

数据只能压缩一次,无法再次压缩 —— 若是数据可以再次压缩,那么通常有一种方式将第二个压缩器的逻辑放入第一个的逻辑中,只要压缩一次就能让第二个压缩器或跟第一个压缩器相同的效果。以是说,事实上「在 rollup 之上构建 rollup」并不能在可扩展性方面提供伟大的收益 —— 不外,这种模式可以用于其他的用途,正如下面我们将看到的一样。

以是「合理的」L3 版本是什么样的?

好吧,让我们一起看看 StarkWare 在关于 L3 的文章中提倡的是什么。StarkWare 团队由异常伶俐且现实上理智的加密学家所组成,以是若是他们提倡 L3,那么他们的看法会比「若是 rollup 的数据压缩至 1/8,那么很显著,构建于 rollup 之上的 rollup 会将数据压缩为原来的 1/64」的看法更为庞大。

这是 StarkWare 文章中的图表:

以下是一些引用:

第一张示例图中形貌了这样一种生态系统的例子,其 L3 包罗:

我们可以将这篇文章压缩为「L3s」的三个愿景:

  1. L2 用于通用型扩容,L3 用于定制型扩容。定制型扩容可能会有差其余形式:专用型应用可以使用 EVM 以外其他虚拟机来举行盘算, rollup 的数据压缩也会围绕定制型应用程序的数据结构举行优化(包罗将「数据」从「证实」中星散出来,并使用每个区块中的单个 SNARK 完全替换掉这个区块中所有的生意证实)。

  2. L2 用于去信托扩容(如 rollup),L3 用于弱信托扩容(如 Validium)。Validiums 指使用 SNARK 验证盘算效果的系统,然则它将数据可用性放在了受信托的第三方或委员会处。在我看来,Validium 被大大低估了:尤其是,运行 Validium 证实天生器并定期提交哈希上链的中央化服务器也许真的可以很好地服务于许多「企业区块链」应用程序。Validium 的平安性指数比 rollup 低,然则相较之下廉价许多。

在我看来,这三种愿景本质上是合理的。「专用型 / 定制型数据压缩服务需要有自己的平台」的想法可能是所有主张中最不能令人信服的 —— 设计一个通用型基础层压缩方案 L2 很容易,由于用户可以使用应用专用型的子压缩器举行扩展 —— 而除此之外的用例都是合理的。

但这照样留下了很大的疑问:三层结构是实现这些目的的准确方式吗?将 Validium、隐私系统和定制型环境锚定 L2 而不仅仅锚定 L1 的意义在哪?这个疑问的谜底很庞大。

哪一个更好?

存款和提款在 L2 的子树(sub-tree)中会变得更廉价、更容易吗?

这种三层模子优于两层模子的一个论证可能是:三层模子允许整个子生态系统存在于单个 rollup 中,这让生态系统内的跨域操作可以异常廉价地举行,不需要经由昂贵的 L1。

但事实证实,纵然是向统一个 L1 提交数据的两个 L2(甚至 L3)之间,存款和提款也可以很廉价!要害是要意识到,代币和其他资产纷歧定非得在底部链中刊行。换句话说,你可以在 Arbitrum 上持有一种 ERC20 代币,然后在 Optimism 上确立它的封装合约,并在两者之间往返转移资产而无需确立任何 L1 生意!

让我们来看看这样一个系统若何举行运作。现在有两种智能合约:Arbitrum 上的基础合约和 Optimism 上的代币封装合约。要从 Arbitrum 转移资产到 Optimism,你需要将代币发送到基础合约,这会天生一个收条。一旦 Arbitrum 敲定了这笔生意,你就可以获取该收条的 Merkle 证实,它植根于 L1 状态,并将其发送到 Optimism 上的代币封装合约中。封装合约会对它举行验证并向你发放封装代币。要将代币往回转移的话,则可以反向执行相同的操作。

只管证实 Arbitrum 存款所需的 Merkle 路径会检查 L1 的状态,但 Optimism 只需要读取 L1 状态根以处置存款 —— 不需要确立 L1 生意。请注重,由于 rollup 数据是最稀缺的资源,以是此类方案的可行实现将是使用 SNARK 或 KZG 证实以节约空间,而不是直接使用 Merkle 证实。

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对比根植于 L1 的代币,这种方案有一个要害的弱点,至少在 optimistic rollup 上有这样的问题:存款也需要守候诓骗证实的窗口期到来。若是代币是在 L1 上的,那么从 Arbitrum 或 Optimism 上往 L1 的提款则需要一周的延迟时间,而存款则是即时的。

然而,这种方案中的存款和提款都需要一周时间。也就是说,尚不清晰 optimistic rollup 上三层架构是否会更好:由于要确保诓骗证实博弈会在一个自己运行诓骗证实机制的系统内平安地举行,这存在许多手艺上的庞大性。

幸运的是,这些问题都不会在 ZK rollup 上泛起。出于平安方面的缘故原由,ZK rollup 不会要求一周时长的守候窗口,但他们确实还会有较短窗口期的要求(第一代手艺可能需要 12 个小时的守候期)。

缘故原由有二,首先,稀奇是更庞大的通用型 ZK-EVM rollup 需要较长的时间来席卷区块证实历程中的不能并行盘算时间;其次,这其中另有经济考量:需要不那么频仍地提交证实以最洪水平削减证实生意相关的牢靠开销。包罗专用型硬件在内的下一代 ZK-EVM 手艺将会解决上述的第一个问题,而架构更好的 batch 验证手艺可以解决第二个问题。这实在是我们接下来会讨论的优化和批量提交证实的问题。

rollup 和 validium 简直认期 vs. 牢靠开销权衡。L3 们可以协助解决这个问题,但另有哪些方案可以协助解决?

rollup 每笔生意的开销很廉价:只有 16 – 60 字节的数据,这取决于所使用的应用程序。然则 rollup 也必须在每次提交一个 batch 的生意至链上时支出一笔高昂的牢靠开销:optimistic rollup 的每 batch 要支付 21000 L1 gas,而 ZK rollup 则要支付 400,000 gas 以上(若是你只想使用 STARK 这种量子平安的手艺,可能会需要支付上百万 gas)。

固然,rollup 可以选择等着,直到有了价值 1 万万 gas 的 L2 生意再打包提交 batch ,但这会让 rollup 的 batch 距离变得很长,迫使用户在获得高平安性确认之前守候更长的时间。因此,它们会有权衡:长时间的 batch 距离和最优开销,或者说较短的 batch 距离和大大增添的开销。

为了给出一些详细的数据,让我们一起探讨这样一个 ZK rollup:它每 batch 开销 600,000 gas,能处置完全优化过的 ERC-20 转账(23 字节),每笔生意会破费 368 gas。假设这种 rollup 在接纳的早期和中期阶段的平均每秒生意(TPS)为 5 笔。我们可以盘算它的每笔生意的 gas vs. batch 距离:

若是我们进入一个有着许多定制型 validium 和应用专用型环境的系统,那么它们中的大多数都不会处置跨越 5 TPS。以是,在确认时间和开销之间的权衡最先变得至关主要。而现实上,「L3」范式确实可以解决权衡上的问题!就算是以简朴的方式实现,一个 ZK rollup 套着另一个 ZK rollup 的方案也约莫会有仅 8000 L1 gas 左右的牢靠开销(证实占 500 字节)。这就将上面的表格改为:

开销的问题基本上都解决了。那么,L3 是不是有益的?可能吧。但值得注重的是,另有一种可以解决这个问题的方式,这个方式受到了 ERC 4337 聚合验证的启发。

其对策如下。现在,若是每一个 ZK rollup 或 validium 收到了证实 S new=STF(S old,D) 的证实,即新的状态一定是准确处置了生意数据或旧状态根上状态变换的效果,那它们就会吸收状态根。

在这个新的方案中,ZK rollup 会从 batch 验证器合约处吸收新闻,这个新闻用于见告该验证器已验证了一个包罗声明的 batch 证实,其中的每个声明都是 S new=STF(S old,D) 的形式。该 batch 证实可以通过递归 SNARK 方案或是 Halo 聚合举行组织。

这是一个开放协议:任何 ZK-rollup 都可以加入,任何 batch 的证实天生者都可以从任何兼容的 ZK-rollup 中聚合证实,并从聚合器处获得生意费的抵偿。batch 处置器合约会验证一次证实,接着将包罗该 rollup $(S_{old},S_{new},D)$ 三元组(triple)的新闻转达至每一个 rollup;三元组来自 batch 处置器合约的事实会是生意有用性的证据。

若是优化得不错,那么这个方案中每个 rollup 的开销则快要 8000 gas:5000 用于写入新添加的更新状态,1280 用于旧状态根和新状态根,另有剩下的 1720 用于有用行使种种数据。以是说,这种方案也能节约开销。

StarkWare 现实上已经有了类似的方案,叫做 SHARP,只管它还不是一个无需允许的开放协议。

对于这类方式的反映可能会是:但这不就是另一种 L3 方案吗?比起 base layer <- rollup <- validium(基础层 ← rollup ← validium)结构,你有 base layer <- batch mechanism <- rollup or validium(基础层 ← batch 机制 ← rollup 或 validium)。

从一些哲学的修建角度来看,这可能是事实。但这里有一个主要的区别:比起将中央层作为庞大完整的 EVM 系统,还不如说它是简化且高度专业化的工具,以是它更可能是平安的,也更可能在还完全不需要其他专门的代币的情形下构建起来,还更可能实现治理最小化且不会随着时间改变。

总结:现实上什么是「层」?

在其自身网络之上的堆叠相同扩容方案的三层扩容架构通常无法很好地运作。构建于 rollup 之上的 rollup,这两层 rollup 固然不会使用相同的手艺。

然则,可以使用第二层和第三层具有差异用途的三层架构。构建于 rollup 之上的 Validium 确实是有意义的,纵然无法确定它们是否会是耐久的最佳运作方式。

然而,一旦最先深入领会哪种架构有意义,我们就会陷入哲学问题:什么是「层」,什么不是?base layer <- batch mechanism <- rollup or validium(基础层 ← batch 机制 ← rollup 或 validium)模式与 base layer <- rollup <- rollup or validium (基础层 ← rollup ← rollup 或 validium)模式执行着相同的事情。

但在事情方式方面,证实聚合层看起来更像是 ERC-4337,而不是 rollup。通常,我们不会将 ERC-4337 称为「L2」。同样,我们不会将 Tornado Cash 称为「第 2 层」 —— 以是若是要保持归类上的一致,我们不会将构建于 L2 之上的以隐私为中央的子系统称为第 3 层 。因此,关于什么工具应该首先被称为「层」,这存在一个未解决的语义争论。

关于这个问题,可能有许多头脑派其余差异看法。我小我私人偏向则会是保持 L2 这个术语限制于具有以下特点的事物:

  • 其用途在于增添可扩展性

  • 它们遵照着「处于一条区块链中的区块链」模式:它们有自己处置生意和内部状态的机制

  • 它们完全继续了以太坊区块链的平安性

以是,optimistic rollup 和 ZK rollup 是 L2,然则 validium、证实聚合方案、ERC-4337、链上隐私系统和 Solidity 则属于其他方案。可能把这些方案中的一部门称为 L3 是说得通的,但也许不能全都称作 L3;任何情形下,在多 rollup 生态系统的架构确定下来之前就为其下界说可能为时过早了,而大部门讨论也只是在理论上。

也就是说,语言上的争论远不如「哪个结构现实上最有意义」这种手艺问题来得主要。显然,服务于隐私等非扩容需求的某种「层」可以施展主要作用,而且显然需要以某种方式填补主要的证实聚合功效,最好由开放协议来填充这个位置。

但与此同时,我们有充实的手艺理由,让毗邻着面向用户的环境和 L1 之间的中央层尽可能变得简捷;在许多情形下,将「粘合层」作为 EVM rollup 可能不是准确的运作方式。随着 L2 扩容生态系统的成熟,我猜本文中形貌的更庞大(和更简朴)的结构将最先施展更大的作用。

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