科普：Validium與Layer 2的設計空間_ROLL

編者按：本文來自以太坊愛好者，作者：BenDiFrancesco，翻譯&校對：IANLIU&阿劍，Odaily星球日報經授權轉載。本月初，StarkWare團隊推出了全新的以太坊主網layer2擴展方案。這個全新的項目——StarkEx，沒有完全按照已被大眾接受的現有layer2架構來做。StarkWare的聯合創始人EliBen-Sasson將這種新的layer2架構稱為“Validium”——這個名字獲得Vitalik的背書，因此“Validium”的叫法應該是板上釘釘的事。本期BuildBlockchain中，我們會通過經典的二階矩陣，重新回顧以太坊生態系中出現過的layer2設計；最終引出Validium作為收尾，探討這個新方案的利弊。Layer2二階矩陣

以太坊layer2的擴展研究的演進之路已經成為現實中許多工程項目的研究案例。然而理想很豐滿，現實很骨感，很多具有前瞻性的想法，直到真正實踐的時候，工程師才會意識到可行的方案中充滿著權衡及折中的考慮。經過多年的研究和嘗試，以太坊layer2生態的擴展方案可以用二階矩陣做歸結。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

在區塊鏈layer1中，所有的計算過程和數據存儲都在主鏈進行；但layer2不同，我們可以根據layer2如何解決這兩個擴展相關的瓶頸問題來對他們分類，正如上圖的二階矩陣所示。讓我們繼續完成這個矩陣，最終看看Validium應該定位在哪。Plasma

Plasma由VitalikButerin和JosephPoon在2017年共同提出；Plasma作為被寄予厚望的理論思想，可以說是開啟了以太坊擴展研究的先驅。我們將其放在矩陣右下角：

動態 | 鏈客社區聯合北京交通廣播推出區塊鏈技術科普節目:12月11日15:15—16:00，區塊鏈技術社區——鏈客區塊鏈技術社區將聯合北京交通廣播FM103.9從零開始為大眾科普解碼區塊鏈技術，蜻蜓FM及北京廣播網同期進行全球直播。首期做客嘉賓為鏈客區塊鏈技術社區創始人郄建軍和百度區塊鏈產品負責人于雅楠。[2019/12/11]

從本質來說，Plasma的思想相對直觀。為了獲得更好的擴展性，Plasma將計算和數據存儲都遷移到layer2進行；由layer2的執行者周期性地向主鏈遞交Merkle根形式的“狀態承諾”。如果執行者遞交無效的狀態，用戶可以向主鏈上的智能合約提供錯誤性證明；一旦確認執行者出現欺詐行為，則智能合約會罰沒他的保證金。雖然這個想法簡單優雅，但細節實現起來卻是困難重重——其中一個問題就出在數據可用性。雖然說我們可以通過錯誤性證明，使得提供無效承諾的執行者在主鏈上遭到懲罰；但用戶如果想要提供錯誤性證明，首先得取得構造出錯誤承諾的錯誤數據。這時候問題就來了——如果plasma的執行者拒絕在主鏈上公開數據，那用戶能怎么辦？針對這個問題，Plasma衍生出一些相應的方案，如延長資產從layer2退出的時間——當出現作惡行為，就能允許大量資產從Plasma鏈退出。但經過這些年的摸索，可行的方案還沒有真正實現；這也促使二階矩陣其他象限的方案的出現。zkRollup

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

下一個值得關注的方案被放在Plasma斜對角象限——也就是zkRollup；有意思的是，zkRollup是由某個以太坊研究員提出的，而非VitalikButerin。

動態 | 美國演說家Anthony Robbins開始科普什么是比特幣:美國演說家安東尼·羅賓（Anthony Robbins）在自己的網站上發布了一篇比特幣的科普文章，并在推特上向自己的粉絲介紹什么是比特幣，目前他的推特賬戶共有粉絲304萬人。[2019/1/1]

zkRollup通過一種間接的方式解決了數據可用性問題——將所有layer2上的交易數據，作為參數發送到主鏈上的某個智能合約內；這意味任何人都能通過觀察區塊鏈上的“calldata”來獲得layer2的所有數據，但這同時讓zkRollup能帶來的可擴展性優勢僅限于計算這一個維度上了。Plasma設計了錯誤性證明激勵機制，來保證計算的正確；而zkRollup則是靠著在主鏈完成零知識證明，保證無效的狀態絕不會發生。因為所有計算都被“匯總”到證明里，所以無需信任或是檢查執行者。另外，zkRollups對數據存儲方面也帶來了一定程度上的擴展性提升。舉例來說，zkRollups可以發送壓縮過的數據給智能合約，而且全節點不需要將calldata存儲在活躍狀態里面，減輕了全節點的使用負擔；在zkRollups鏈上無需包含簽名數據，因為零知識證明就足以證明交易的有效與否。zkRollup強大的功能卻也成為它主要的短板：這些強大的功能依托于零知識證明——一種非常前沿的密碼學方法。zkRollup除了很難安全部署，大眾對當前可用的零知識證明接受度也不高，所以現有的zkRollup技術只專注于應用在某幾個特定項目，如Loopring的去中心化layer2交易所。OptimisticRollup

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

為了在layer2也能使用智能合約，研究者們開始探索一種“與zkRollups架構相似，但不依靠零知識證明”的擴展方案。有個現成的方案是重新采用交互式錯誤性證明，也就是接下來我們要談到的OptimisticRollups。

前面我們已經聊過Plasma和zkRollup，那么OptimisticRollup也很好理解。OptimisticRollups保留calldata，可以在主鏈獲得所有layer2的數據；同時OptimisticRollup采用錯誤性證明，對提交無效狀態的執行者進行懲罰。相比于Plasma和zkRollup，OptimisticRollup做了一些權衡，所以帶來的擴展性提升幅度最小。但這也是為什么OptimisticRollup如此令人感興趣，因為OptimisticRollup不依賴于什么過于前沿的技術或懸而未決的問題，實際推廣中OptimisticRollup更好落地。有多個團隊都已接近將OptimisticRollup架構部署到主網上。Validium

最后，終于盼來二階矩陣中最后一個空格了！這個象限里我們要填入剛完成命名的Validium，并討論Validium方案的首個落地實現——StarkEx。

Validium選擇將layer2的交易數據放在鏈下，因而比rollup架構有著更高的擴展性。驗證計算方面，Validium不像Plasma依托詐欺證明，而是采用零知識證明。如先前在討論zkRollup時提到的，這樣做會導致Validium在目前的應用部署，只能局限于特定目的，比如StarkEx就是面向去中心化交易所的方案。但這些權衡使得Validium在某些方面優于Plasma。在主網進行零知識證明驗證能避免執行者提供無效狀態，也能降低執行者不公開數據造成的后果。舉例來說，想要勾結執行者，讓狀態錯誤地轉變為“把他人的錢轉到自己賬戶”是不可能辦到的；因此Validium不需要在協議中設計“大量資金退出”激勵博弈，也不需要延長資金從layer2退出的時間。正如其他研究者指出的，零知識證明并不是解決數據可用性問題的萬靈丹：比如執行者修改自己所控制的賬戶的狀態是沒有問題的，然后積壓關于這些交易的數據，這會導致某些用戶想退出資金時，無法提供Merkleproof。

這種攻擊在本質上就是凍結layer2上的賬戶，也為執行者的受賄行為大開方便之門——執行者可以拒絕提供某用戶需要的狀態，以此進行勒索或受賄。為了避免此類攻擊發生，StarkWare團隊使用了一種手段，我稱之為“engineeringhack”技術。這個術語我用得很親切，因為我整個職業生涯中就時常與“engineeringhack”打交道。StarkEx系統中包含了一個“數據可用性委員會”——委員負責對數據簽名，并保證數據始終可用。只要其中有一位委員在線且他是誠實的，用戶就一定能獲得退出資金需要的數據。Validium不是最完美的方案，但它可能是目前各種場景最能接受的一種方案，但要記住每件事情都有其權衡及折中的考量。相較于主鏈上完全去信任的DEX，StarkEx交易所的確面臨更高的第三方風險；但作為相應的優點，StarkEx交易所在性能上高出DEX幾個量級——高頻交易者非常看重這個優點。而相較于傳統的中心化交易所，Validium仍然安全得多，也最大程度地去信任化。生產過程公開化

正如我先前提到的，以太坊layer2的擴展研究是工程領域很好的例子，因為原先工程領域那些放在臺面下、不為人知的研究過程，在以太坊中都能看得一清二楚。當然如果有人對其看似曲折而緩慢的發展過程冷嘲熱諷，我也不會覺得太驚訝。在大多數研究的開始階段，會有許多方案的迭代轉換發生在設計臺面下；隨著工程師被迫直面理論與現實的差距，一個可實施的方案真正需要做的權衡，才會成為關注點。對于以太坊layer2擴展研究來說，這些不同方案的發掘過程是直接放在臺面上討論的；業內的大牛和方案支持者們都能夠詳細的審查這些方案，貢獻自己的心力。就我來說，我覺得以太坊layer2生態非常健壯，研究者和開發者通過反復試驗，煞費苦心地制定出layer2的設計框架。現在許多的團隊都在加緊尋找能夠滿足用戶實際需求的具體的解決方案，這過程當然包含很多權衡和折中。考慮到最近幾個月以太坊layer2的發展，以及以太坊主網越來越擁堵的問題，我認為layer2方案已經箭在弦上、蓄勢待發。我猜測在接下來12~18個月內，就能看到layer2方案套用到實際應用中。讓我們拭目以待。

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