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以太坊重要擴容方案: Optimistic Rollup現狀報告(上)

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如果不是因為這篇研究報告是受 MolochDAO 之托而作,我想 DAOSquare 應該不會翻譯如此“技術性”的學術論文(至少現階段不會)。不過,以太坊的擴展性的確是一個重要且熱門的話題,現有的解決方案包括 Optimistic Rollup、Zk Rollup,而 Optimistic Rollup 則是一個提出時間并不長的新興方案,它被認為是最有前途的擴容方案。那么時至今日它的發展情況如何?前景又如何?本文作者 Daniel Goldman 通過大量的調研完成了此份報告,現在,DAOSquare 將這份成果分享給大家!不過由于篇幅過于“宏大”,我們將分三期奉上,本篇為第一部分。

作者:Daniel Goldman(丹尼爾·戈德曼)自由軟件工程師、技術顧問、作家

譯者:Emma、Snow Lu

校對:Samuel

以太坊新興 Optimistic Rollup 生態系統的技術概覽 

             

Optimistic Rollerball (Daniel Goldman original, 2020)

以下報告由 MolochDAO 授權制作,John Adler 提供相關意見/復審;但此篇所有觀點均代表本人。此外,項目評估僅為該報告發稿時的狀態簡況(2020年2月)。事事均在變化,不做過度承諾。

以太坊Layer2上總鎖倉量為88.38億美元:金色財經報道,L2BEAT數據顯示,截至目前,以太坊Layer2上總鎖倉量為88.38億美元,近7日漲27.52%。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum One,約58.79億美元,占比66.52%,其次是Optimism,鎖倉量19.48億美元,占比22.04%。[2023/3/27 13:27:57]

籠罩以太坊擴容社區的陰霾--Optimsitc Rollup

2019下半年,Optimistic Rollups (ORU或Optiroll) 作為以太坊 Layer 2 擴容協議迅速興起大熱。本文旨在概述新興 ORU 的開發生態系統至發稿時的簡況(2020年2月)。 我們先將 ORU 理論屬性放于 Layer 2 設計空間大背景下,之后比較不同項目的方法和技術設計決策以及其中的各種取舍。9個項目包括: 

Fuel Labs

ANON

Whitehat, Cellani, Lim ( hereby “WCL”)

Pinkiebell

Offchain Labs

Interstate Network

Optimism

IDEX

Celer

點擊此處回顧他們的差異性。最后,我們將深入探討一些定性問題,這些問題將圍繞以上項目如何在空間中發揮自己的作用。

背景 & 理論

英偉達首席執行官:以太坊將變得相當有價值:英偉達首席執行官Jensen Huang在談到以太坊即將轉變為POS證明時表示,以太坊將變得相當有價值。此外,當被問及加密貨幣和圍繞Nvidia產品的供需限制時,表示,\"以太坊之所以選擇我們的GPU,是因為它是世界上最大的分布式超級計算機網絡。它是可編程的。當比特幣第一次出現時,它就使用了我們的GPU\"。另外,他還討論了Nvidia的產品CMP,可以幫助緩解GeForce的供應,以便為游戲消費者提供更多的GeForce產品。(Newsbtc)[2021/6/13 23:33:45]

盡管美名在外,但開放且未授權的區塊鏈也有很多問題:網絡中的所有完整節點必須可見,并驗證系統處理的每筆交易; 超低效率(相較中心化數字支付系統而言)是加密貨幣備受爭論的擴容挑戰的核心。

Layer 2 協議是減輕此類負擔的一類方法。將所有的節點全部驗證所有交易,變為僅由感興趣的各方(例如那些希望獲得自己資金的人)對交易的某些子集進行本地驗證,以此(以某種方式,形狀或形式)來轉移這種負擔 。 重要的是,他們保留基本層無需信任的安全模型,同時無需依賴用戶自己運行的軟件以外的資源。

數據可用性:解決 

在以太坊 Layer 2 研發的早期階段,研發人員計劃在隱含假設下運作,即基礎層“減輕驗證負擔”就是完全將(某些)交易數據隔離在區塊鏈之外。 (請參閱 Josh Stark 2018年初的文章 Making Sense of Ethereum’s Layer 2 以了解當時的思維方式)。 

當前以太坊未確認交易數為168400筆:Etherscan.io數據顯示,以太坊未確認交易數168400筆。當前挖礦難度5074.36TH,目前平均Gas費為156 Gwei。[2021/2/19 17:31:09]

加密貨幣協議有其內在的經濟屬性,可以激勵區塊生產者及時地、廣泛地共享區塊(除非是自私挖礦等邊緣情況 selfish-mining edge cases); 區塊鏈基礎層有時被稱為“數據可用性引擎”。 確保數據是(完全)公開的,可以保證其能夠進行驗證,并且無效交易幾乎無法通過。

因此,在Layer 2的場景中,如果要將數據完全隔離在鏈外,將不再能保證我們有這種數據可用性; 因為那些擔心數據有效性的人可能會隱瞞數據。 因此,我們必須弄清楚,在這種極端情況下,如何以某種方式確保不會發生無效的狀態更新。 對于Layer 2系統,數據隱瞞問題始終是最難最壞的情況;因為最糟糕的就是在沒有信息的情況下去探尋事實。

如果我們的定義足夠寬松,針對該數據隱瞞問題的所有解決方案都可以分為兩大類:狀態通道和Plasma(channels and Plasma)。 如果兩方在一個通道中,雙方一致同意后,鏈下數據的更新才真正有效。 因此,如果 Alice 選擇保留 Bob 的數據,Alice 將處于最新狀態; 保留數據對她沒有好處。 相比之下,Plasma 則沒有雙方一致同意的這一要求。 這直接導致在 Plasma 中,如果用戶沒有任何直接證據,則可能發生無效更新。即使在這種情況下,Plasma 仍可以保證用戶持有必要的鏈下數據,在交互質疑期中證明并確保其資產所有權。

數據:以太坊2.0存款合約地址收到99筆同一地址轉賬:據Tokenview數據顯示:某錢包地址0x1db3439a222c519ab44bb1144fc28167b4fa6ee6向以太坊2.0存款合約地址分99筆轉入3168個ETH,合約126.4萬美元,截止下午18:30以太坊2.0合約地址存款余額已達19685個ETH,交易數607筆。[2020/11/5 11:44:54]

就實際結果而言,狀態通道已成為第一個 Layer 2 構造。人們很容易理解,且狀態通道(可能)確實解決了一些基礎的研究挑戰,我們的確也看到狀態通道在比特幣和以太坊上的應用。 狀態通道具有一些實用屬性,例如即時交易,這些屬性非常契合一些特定應用程序的需求。 盡管是較通用的擴容方案,但在某種程度上仍受限制。 從本質上講,通道之間是彼此獨立的,且免信任的連接將導致資本效率低下,及/或受制于可用的流動路徑。 (我之前在 Bitcoin’s Lightning Network 發表了相關限制以及解決策略。)

Plasma 有望提供一種用途更廣,側鏈式擴容方案,使參與者之間可以更輕松地進行信息交互,但是它的發展路程卻更艱難。 有關 Plasma 技術挑戰的細節不在本文討論范圍之內。 但是,(非常)簡單來說,不能保證數據可用性的這種特質,讓很多特性難以立刻保留,例如:支持任意計價支付,用戶的驗證/存儲要求最小化,避免大批量退出方案,以及支持智能合約邏輯 。 雖然可以緩解這些問題,但是解決一個障礙的代價往往是加劇另一個障礙。 簡而言之,很難做到完全正確,即使這些構造足夠可行,其復雜性也會讓實踐變得困難而緩慢。 (我已在此處及此處發表分析了 Plasma Cash 及其變體的合理進展及其帶來的挑戰。

動態 | Opera Mobile區塊鏈瀏覽器Android版本已內置了以太坊錢包:據CCN報道,Opera宣布已推出移動端的區塊鏈瀏覽器,并在Android版本中內置了以太坊錢包。[2018/12/20]

Plasma 的問題讓甚至一些人認為其會消失(declare its demise)。 即使有人認為這種說法還為時過早(例如我),但是毫無疑問,Plasma 比預期設想的更加困難復雜,而且傳輸結果的空間速度比最初希望的要慢。 隨著 Plasma 的停滯,以太坊社區渴望類似非監管下的、具有側鏈特性的事物。此時,就研究和實施狀態而言,Optimistic Rollup 出現了。 

數據可用性:讓步

我們可以在各種先前的提案中發現目前 Optimistic Rollup 的構造痕跡,比如 Shadowchains, Coinwitness, bulk validation with ZK-SNARKS (現在稱之為 ZK-Rollup), 以及2015年初的一場關于Arbitrum 的學生演講等。

就目前了解而言,John Adler 和 Mikerah Quintyne-Collins(又稱““Bad Crypto Bitch ”)將協議基礎稱為“合并共識 Merged Consensus”。 先前的 Plasma Group 團隊(現為 Optimism,下文介紹)在一篇博客文章中描述了類似原理,并在 Optimistic Layer 2 游戲語義分析中將其定為框架,命名為 Optimistic Rollup(無論出于何種原因),并最終確定。

Optimictic Rollup 采用前一段中所述的框架并把它翻轉過來;ORU 并不打算在數據隱瞞的情況下保留非監管性,而是采取了一種更直接的方法,即直接要求將交易數據發布在鏈上,更具體地說,要求將足夠的數據發布在鏈上,以便任何運行以太坊節點的人都可以重建 ORU 的狀態。 擴容的好處在于,Layer 1 僅需發現數據并將其 Merkle 樹化為區塊根,無需執行任何操作;(理想情況下)計算僅在 Layer 2 執行。因此,交易數據作為呼叫數據發布在鏈上,并且不存儲在狀態中;因為狀態容量增長和計算成本(可能)是以太坊擴容的核心瓶頸,這具有不小的增長空間。

與 Plasma 一樣,基礎層無法直接驗證交易就意味著會有一些無效交易。 在 ORU 下,任何當事方都將見證無效交易的更新,然后通過欺詐證據向基礎層展示欺詐證明,欺詐證明將還原欺詐性區塊以及及后續的區塊更新。 一旦過了足夠的時間而沒有提交欺詐證明,就可以確定并匯總區塊,從這些區塊中啟動的提款就可以完成。 為了抑制故意發布無效區塊的行為對社區的惡意破壞,區塊提交人會發布一個保證金,如果欺詐證明有效,將大幅削減保證金。 這種防欺詐處理的精確方式是任何特定 ORU 結構的核心。

與 Plasma 相比,ORU 有一個不可避免的根本性缺點,那就是它的擴容性相對較低。 假設鏈上數據與 ORU 塊中的數據成正比,則 ORU 構造會受到基礎層最大數據量的限制。 不過在其他方面 ORU 也有很多益處,包括:

更輕松/更廣泛地支持智能合約

更容易地支持任意付款面額

無需許可的區塊生產

更簡單的博弈退出機制

相對簡單的操作

正如我們預料,即使是上述因素也需要在不同的 ORU 結構中相互權衡。 (有關 ORU 背后的更多信息,請參閱 John Adler 的 “The Why’s of Optimistic Rollup”。)

Projects Overview 項目概覽 

             

Link to spreadsheet

本報告采訪了9個使用 ORU 設計模式的項目,其中一個項目選擇在發布時保持偽匿名狀態(以下稱為“ ANON”)。

僅考慮 Optimistic Rollup 范圍內的項目,也就是說,它們必須都是 “Optimistic”,包括某種假設,即“假設有效,除非或者直到提交欺詐證明”(即,不是 ZK-rollup)并包括“Rollup”,即,鏈上發布了足夠的數據,任何觀察者都可以重建狀態并檢測無效性(即,不是 Plasma)。大多數所討論的大多數項目都嚴格符合這些參數,唯一的例外是 IDEX 2.0,其詳細信息將在下面討論。基于 Plasma 或與 Plasma 相鄰的構建上工作的其他各種項目,都屬于研究 ORU 的初期階段,包括 Matic,LeapDAO 和 Cryptoeconomics Lab。

智能合約支持和欺詐證明互動性

ORU 項目之間的核心區別在于它們對智能合約腳本的支持程度,以及它們所需要的驗證和欺詐證明的性質。 在本次調研的9個項目中,有5個項目在其 Rollup 中實現了完整的以太坊虛擬機功能,其中 rollup 側鏈具有 Solidity 智能合約支持,其支持程度(大致)與以太坊基礎層的智能合約支持程度相當,而其余項目則更偏向于支持更有限的、受限的功能。

廣義上講,除了智能合約功能本身之外,支持完整的 EVM 能夠保證 rollup 和主鏈之間的技術一致性,有望與基礎架構工具更輕松地集成,并且讓開發人員更容易過渡,他們已習慣在 Layer1 上使用 Solidity 編譯的智能合約。相反,那些更偏向于支持更有限的、受限的功能項目具有以下優點:成本更低的(或多或少)欺詐證明,驗證更容易,可以針對特定用戶直接實現優化以及總體上的簡化。

以上是報告的第一部分,剩下兩部分將于近日陸續發布,內容包括: 

完整的 EVM: Layer 2虛擬機

應用特定的 Rollups

信任假設

營利

用戶體驗 / 驗證

關于研究 / 討論的開放性話題

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