以太坊 Layer 2 資產橋方案解析：Arbitrum、zkSync 與 DeGate Bridge_DGE

本文作者：DeGate。

以太坊自2015年誕生以來，快速成長為最活躍、最繁忙的區塊鏈，無論是從應用的豐富性、鏈上的資產規模還是從交易量、安全性等指標看，以太坊都是當前無可爭議的公鏈之王。而隨著以太坊生態的快速發展，特別是DeFi的徹底引爆，導致原本設計的吞吐量嚴重不足，根據etherscan.io的每日交易數據統計，當前以太坊TPS在17左右，動輒幾十甚至上百美元的Gas費和超長的交易等待時間成為限制以太坊生態進一步蓬勃發展、進入主流世界的主因。

長期以來，整個以太坊社區都在為解決吞吐量和高昂手續費問題而努力，其中一個主要解決方案即以太坊2.0，它將大幅增加每秒交易數量，并將最快于2021年底發布；而如EIP-1559提案，則希望對交易手續費計費方式進行調整，來變相達到降低Gas費用的目的。

與此同時，有一個聲音出現了：真的有必要將所有交易都放在主鏈上計算處理么？

Layer2簡介

將本應在以太坊主鏈即Layer1上處理的交易，轉移到Layer2上處理，隨后再將結果從L2傳回L1確認，我們將這種解決方案稱為以太坊Layer2。L2的理論TPS達到了2000-4000，這已經超越了Visa的處理能力——每秒1700筆交易。因此，許多人認為L2方案是以太坊贏得主流用戶的關鍵。

數據：以太坊橋TVL達到117.9億美元:金色財經報道，Dune Analytics數據顯示，以太坊橋當前TVL達到117.9億美元。其中鎖倉量最高的5個橋分別是Polygon Bridges（51.77億美元）、Avalanche Bridge（47.50億美元）、Fantom Anyswap Bridge（46.91億美元）、Ronin Bridge（33.81億美元）、Arbitrum Bridges（26.83億美元）。[2022/1/29 9:20:32]

目前存在的L2方案，主要包括以下幾個：

OptimisticRollups：數據上鏈、欺詐證明。應用團隊包括?Optimism、OffchainLabsArbitrumrollup、FuelNetwork；

ZKRollups：數據上鏈、零知識證明。應用團隊包括Loopring、Starkware、MatterLabs?zkSync、Aztec2.0；

Validium：數據鏈下保存、零知識證明。應用團隊包括Starkware、MatterLabszkPorter；

Plasma：數據鏈下保存、欺詐證明。應用團隊包括OMGNetwork、MaticNetwork、Gazelle、LeapDAO；

以太坊未確認交易為197,405筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易197,405筆，當前全網算力為634.45TH/s，全網難度為8.46P，當前持幣地址為62,154,737個，同比增加102,988個，24h鏈上交易量為1,102,601ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/9/6 23:02:14]

StateChannels:應用團隊包括Connext、Raiden、Perun.

需要重點指出的是，側鏈方案因為其共識安全性沒有繼承L1，所以我們并不認為側鏈屬于L2方案。

在眾多方案中，Rollups正逐步取得市場的認可，成為以太坊最可靠的擴容解決方案，一方面該方案直接繼承了L1的共識機制和安全特性，另一方面它也不會損害L1的安全性和主權。事實上，Vitalik直言不諱的說過，Rollup是以太坊長期擴容解決方案中可以最快被實現的一個。而Rollups的兩種方案OptimisticRollups和ZKRollups最大的區別是它們分別使用了欺詐證明(fraudproofs)和有效性證明(validityproofs)來確保batches里的后狀態根(post-stateroot)的正確性。

對于Rollups方案而言，如何將資產從L1存入L2，再從L2提回L1，更進一步的，如何從一個L2網絡提取到另一個L2網絡，是一個核心問題，我們將承擔這一責任的基礎設施稱為橋。

V神將參與以太坊相關新紀錄片:金色財經報道，電影制作公司Optimist正在制作第一部關于以太坊的長篇紀錄片，名為《以太坊：無限花園》。該紀錄片正試圖通過加密眾籌網站Mirror籌集 750 ETH。該片將采訪參與世界計算機開發的各種人士，包括以太坊共同創造者V神和以太坊基金會執行董事Aya Miyaguchi。[2021/7/15 0:53:18]

原生橋實現

我們研究了當前主流的Rollup方案的原生橋實現原理，并從Optimistic和zkSync方案中各選取一個代表，進行對比。

Arbitrum

Arbitrum協議利用其L1、L2之間的通信能力，理論上可以無須信任的將任意形式的以太坊資產在L1、L2之間轉移。當將資產從L1轉入L2時，資產被存入一個L1上的Arbitrum橋合約中，之后一筆相同數量的資產在L2上被鑄造并存入指定地址；而將資產從L2轉回L1時，資產將在L2上被銷毀，隨后等量的資產將在L1的橋合約中變為可用。此外，從L2贖回資產到L1時，有一個關鍵性的區別是，用戶發送交易后，必須等待一個挑戰期的結束，才能最終在L1上執行。這是由OptimisticRollup安全模型決定的。

值得注意的是，官方建議使用「可重試票據RetryableTickets」機制進行L1、L2之間的通信。可重試票據的運作方式大致如下：L1向L2發起的交易首先被存入inbox中，并附帶calldata、callvalue、gasinfo等交易參數。當這筆交易首次執行失敗后，它將被放入L2的「重試緩沖區」中，這意味著在一段時間內，任何人都可以通過重新執行這筆交易來贖回票據。L2至L1的重試交易沒有時間限制，爭議期結束后的任何時間點都可進行。

動態 | 以太坊未確認交易11018筆:據Etherscan.io數據顯示，以太坊未確認交易11018筆。當前挖礦難度2,196.09 TH，交易處理能力7.51 TPS。截至目前以太坊全球均價為264.63美元，日內跌幅3.46%。[2020/2/16]

這種機制設計主要是為了應對這樣的場景：當某個用戶希望將某筆token從L1存入L2，首先會將這些token存入L1的橋合約中，同時在L2上鑄造等量的token。假設L1上的交易已經完成，但是L2上的交易卻因為手續費不足失敗了，這會導致一個嚴重問題：用戶在L1上的token已經轉出，但是在L2上卻沒收到token，實際上，這些token被鎖在了L1的合約里。通過可重試票據機制，用戶，可以在一周內，使用足夠的手續費重新執行這筆交易，并最終在L2上獲得token。

以下是Arbitrum原生橋的基本步驟：

L1->L2

用戶從L1發起Deposit交易

資產存入L1合約，交易被批量存入Inbox中

交易在L2被執行，鑄造資產轉入指定地址

如果交易失敗，則交易被存入L2的重試緩沖區，用戶可以在一個挑戰期內發起重試

L2->L1

行情 | OKEx以太坊合約空頭反超多頭:截至今日8:00，OKEx比特幣合約精英賬戶中，多頭平均持倉比例為22.30%，空頭平均持倉比例為15.66%，多頭持倉比例仍超過空頭，差距擴大。以太坊合約精英賬戶中，多頭平均持倉比例為17.56%，空頭平均持倉比例為18.10%，空頭反超多頭。當前BTC合約持倉總量約為5.52萬個BTC，持倉量較昨日減少；ETH合約持倉總量約為49.51萬個ETH，持倉量較昨日減少。[2019/7/29]

用戶在L2發起Withdraw交易

L2鏈將在一定時間內收集到的交易打包，生成默克爾樹，并將根節點作為OutboxEntry發布到L1的Outbox中

用戶或者任何人可以對根節點和交易信息進行默克爾驗證

挑戰期結束后，用戶即可在L1完成交易，如果交易失敗，則用戶可以發起重試

詳情可參考?官方文檔。

zkSync

在橋實現上，zkSync和Arbitrum相比，主要的區別在于Withdraw時，對交易的驗證采用了基于零知識證明的有效證明，而非欺詐證明，其基本步驟為：

L2—>L1

用戶在L2發起Withdraw交易：將交易數據編碼為字節串，并使用正確的zkSync私鑰對該字節串進行簽名，并為交易描述生成Ethereum簽名或提供EIP-1712簽名，通過相應JSONRPC方法發送交易

發送交易到L1：交易進入zkSyncoperator創建的區塊，并發布到L1上的zkSync智能合約中

對區塊進行驗證：若干分鐘后，證明該區塊正確性的ZKproof將生成，該proof會通過一個驗證交易發布到L1上，直到這個驗證交易完成，Withdraw交易完成

詳情可參考?官方文檔。

可以發現，在退出時間上，zkRollup方案明顯優于OptimisticRollup方案，但由于zkRollup要實現完全兼容EVM尚需時日，所以預計OptimisticRollup仍然會成為前期主流L2方案。也正因此，利用第三方橋來解決OptimisticRollup退出期太長的問題，來帶給用戶更好的使用體驗，成為一些團隊努力的目標。

DeGateBridge設計理念和實現原理

DeGateBridge的目標是在Rollup生態早期能夠幫助以太坊資產遷移門檻最大程度的降低，服務基于以太坊Rollup的二層基礎設施的應用大規模落地。我們認為在現階段基礎設施條件下，優秀且足夠好的流動性解決方案需要具備:

第一，能夠通過市場方式對不同層的流動性分布進行自動調節。第二，能夠實現資金效率最大化的0資金凍結的非預付方案。第三，最低的Gas消耗和最優的用戶體驗也至關重要。

DeGateBridge基于優化穩定幣AMM曲線和交易市場的方式實現跨層資產轉移的快速通道，受限于提供L2狀態的預言機的咱不完善，首期的DeGateBridge將通過中心化托管資產的方式實現，當以太坊L2上出現成熟的預言機服務后，DeGateBridge將轉向以去中心化的方式實現資產的橋接。

DeGateBridge詳細方案設計，可參考文章：基于低滑點AMM曲線的跨Rollup流動性方案

Bridge方案對比

在這一小節中，我們將對已上線生產或者測試網的原生Bridge和DeGateBridge進行實測，并主要考察以下幾項指標：

上下橋Gas費用；

上下橋時效性；

操作復雜度；

我們在測試中統一使用ERC20代幣而非ETH，同時我們按ETH價格$4000，GasPrice為100Gwei對手續費進行擬合。

最終對比結果如下

Withdraw手續費計算方式說明：

Optimism(SNX)：提幣操作會聚合多筆交易，按總手續費除以交易筆數計算

Arbitrum(Testnet)：二層費用不計，只計算一層交易消耗Gas費

zkSync：費用在二層以多種token支付，通過一層到賬交易計算大概成本

DeGateBridge：費用在二層以多種token支付，通過一層到賬交易計算大概成本

通過對比可見：

時效性：OptimisticRollup的下橋時間普遍需要2天-1周，表現較差，DeGateBridge的表現較好，接近即時；

Gas費用：Optimism表現最差，DegateBridge的手續費消耗最少，特別是還節省了Approve的手續費；

操作復雜度：DeGateBridge可以在無需用戶Approve的情況下直接交易，對用戶體驗更加友好；

展望

我們相信Layer2和以太坊2.0的相繼落地，將有機會成為以太坊的二次增長曲線，使以太坊進化為承載數萬億美元規模的經濟帶寬。而L2Bridge將作為區塊鏈基礎設施之一，在這一進程中發揮重要的作用。

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