5分鐘了解以太坊各個Layer2 擴容解決方案（狀態通道、側鏈、Roll Up等）_ROLL

自從Defi熱潮席卷以太坊，導致以太坊擁堵，Gas費用創歷史新高。我們一直以來關心的以太坊擴容的現實問題：在以太坊2.0尚未推出，更為貼合實際的Layer2方案有望解決以太坊的擴容問題。

這次，分布式課堂邀請了Celer團隊的Michael著重講述「鏈下」技術，它們包括狀態通道、Plasma、RollUp等。

，獲得計算機碩士學位。Michael目前在Celer負責對于區塊鏈技術，特別是各種二層擴容技術的研究，他參與了通用狀態通道、狀態守衛者側鏈(SGN)以及HybridRollup等的核心設計和開發工作。）

狀態通道

優點：延遲低，實時性高

缺點：用戶人數有限，資金利用率低

用途：小額支付/預測市場/賭球賽馬

一般情況下是雙方會在鏈下建立一個狀態通道，通過交換私鑰進行簽名以后的信息，并在鏈下進行交易。當時比特幣實現了名為閃電網絡的支付通道網絡，把這個狀態通道互相連接起來：即使用戶沒有直接狀態通道，也可以通過幾個中間節點把它一一層一層地轉發過去，相當于channelnetwork。

基本上，狀態通道的延遲能做到互聯網的延遲。比如說服務器之間的延遲是多少，這個狀態通道的延遲就是多少。市面上通過其他鏈發送交易的速度是秒級的。但是狀態通道的話，一般都是毫秒級的。另外，它還有一個優點就是實時性非常高。

BTC在5分鐘內跌幅超過1.00%:據火幣全球站數據顯示，BTC/USDT在5分鐘內出現劇烈波動，跌超1.00%，達到-1.01%。當前報價為 9465.51 美元，行情波動較大，請注意風險控制。[2020/5/16]

狀態通道是一種scaleup的手段。scaleup的意思是用技術手段線性地將區塊鏈擴容，比如說像分片。比如說以太坊2.0要啟動64個分片，然后它的容量就增加了64倍。而對于狀態通道來說，他現在能支持1000個用戶同時在線，未來可能最多支持到64000個用戶，這個數字還是很低的。

盡管狀態通道的scaleup是說你節點數量越多，你的網絡越大，你的容量越大。這只是一個很美好的設想，實際上它受到了一個很大的限制——lowliquidityutilization。狀態通道是要這個雙方都把這個錢存到鏈上的通道，之后再互相進行發送支付。第一步，就是要把錢存到鏈上去，這個錢是有限的。就是你比如說手上你有1000個以太，狀態通道只能發送1000個以太。如果你突然發送一筆2000以上的以太，它就無能為力了。

因為容量可以擴容，然而資金流動性卻沒有辦法擴容。如果一個用戶給另一個用戶發送一大筆錢，那中間每一個轉發的節點都要有這么大的容量，在現實生活中是不太可能的。等大家把這么多錢都鎖到一個狀態通道里邊，如果只能用狀態通道轉發的話，這個效率是非常低下。

BTC在5分鐘內漲幅超過1.00%:據火幣全球站數據顯示，BTC/USDT在5分鐘內出現劇烈波動，漲超1.00%，達到1.27%。當前報價為 8737.41 美元，行情波動較大，請注意風險控制。[2020/3/1]

狀態通道只能支持小額支付。像閃電網絡其實并不大，可能和資金利用率低是有關系的。另外，把一般的dAPP搬到狀態通道是相當難的。我們曾經嘗試把五子棋搬到狀態通道上。盡管我們寫了sdk，讓別的項目的開發去用，他們還是覺得這個開發是相當難的。

另外，狀態機只適用于這個固定的人數。就是你要把uniswap放在狀態機上是不現實的。因為在這個dAPP的用戶是無限量的，沒有一個固定的用戶集。即使你把棋類游戲或是稍大的PC游戲搬到狀態通道上，這些游戲也必須寫成狀態機的形式。他們每一個狀態的轉移，要非常清楚地寫出來。

理論上，你可以把任意單機游戲都搬到狀態通道上。但現實中沒有人會去這樣做，除非你是非常不信任游戲服務器。一般來說，預測市場以及賭球賽馬，是可以搬到狀態通道上的。

側鏈

優點：代碼和數據獨立

不增加主鏈的負擔

行情丨BCH在5分鐘內漲幅超過1.50%:據火幣全球站數據顯示，BCH/BTC在5分鐘內出現劇烈波動，漲超1.50%，達到1.58%。當前報價為 481.05 美元，行情波動較大，請注意風險控制。[2019/5/30]

缺點：安全性弱

側鏈的本質就是在這個基礎層上再搭一個鏈，然后用完全另外一套驗證人。它的整個安全性是分開的：主鏈有主鏈的安全性，側鏈有側鏈的安全性。

主鏈從POW轉到POS會有更強的安全性，但側鏈的驗證人偏少，安全性也較弱：比如說Cosmos才只有100個驗證人。

側鏈的TPS取決于它的驗證人。驗證的人數越多，它的TPS會越低。側鏈的延遲是相對低的，比狀態通道的毫秒級高一些，比主鏈的十幾秒幾十秒延遲低很多。

狀態通道的安全性就是雙方互相簽過名，就具備主鏈的安全性。只要一方做惡，另外一方都可以提交到主鏈，把它這個爭議解決掉。而側鏈的話就是你要信任多數的驗證人是好人，所以它的安全性要比主鏈低很多。

Rollup/Plasma

Plasma：缺點是無法應用到智能合約上

用戶跑節點的負擔重

行情 | ETH 15分鐘內漲幅超過2.50%:據Bitfinex數據顯示，ETH 15分鐘內漲幅超過2.50%，現報價232.50美元，價格波動較大，請密切關注。[2018/10/6]

RollUp：優點是數據在鏈上，

可以隨時驗證

鏈下支付可以用任何代幣支付

而鏈上支付只能用ETH

Rollup是19年慢慢火起來的一個概念。和Rollup類似的Plasma，是以太坊上也是V神認為大有希望的一個解決方案。Plasma的問題是它只能夠把支付做好，對于稍微復雜的智能合約卻無能為力。作惡的一方是不會把數據給你提交上鏈，以至于這種爭議至少要等兩個星期才能解決。這個過程是對于用戶來說難以接受的。另外，由于Plasma的數據都在鏈下，用戶跑plasma的節點負擔是很重的：你跑的時間長了，就會消耗幾十個G或者幾百個G，是手機無法承受的。

19年有人提出了RollUp，在我看來是一個中間道路。RollUp就是鏈下的計算鏈上的數據Fraudproof。然后它最關鍵的一個點就是不是所有數據都在鏈上，它的鏈上數據僅僅限于它每一筆交易的輸入，但不包括它的最終狀態。比如說，你從a走到b，我只是把路徑告訴你了；但是你具體在a做了什么事，在b做了什么事，這種狀態是記錄在鏈下的。

行情 | BTC 15分鐘漲幅超過1.00%:據Bitfinex數據顯示，BTC 15分鐘內漲幅超過1.00%，現報價6523.50美元。[2018/8/9]

任何人任何用戶都可以去看RollUp的區塊，也就是打包后的交易，然后把它這個狀態的轉移重新更換。如果狀態轉移是錯的，用戶就可以在鏈上提交Fraudproof，并將驗證人淘汰掉。因為驗證人在鏈上是有質押的，如果他作惡的話，他的質押會被沒收掉。且雖然不是每一筆Rollup都會進行驗證，但是驗證人會一直跑，一旦發現有Fraud，就可以拿到相應獎勵。這個過程可以理解為任何人都可以進行抽查以及督察。

他的好處是數據都在鏈上，可以任憑用戶隨時去驗證，不會出現像plasma那樣的數據可用性問題。且驗證的結果具有唯一性，驗證人鏈下把這個智能合約跑一遍，就會發現驗證鏈下的計算是否按照鏈上的智能合約。從經濟學角度來說，一般的驗證人不太會去做惡，因為他的質押額太大了。

RollUp和Plasma其實非常類似。只是Rollup把數據放到鏈上去，FraudProof的過程會非常簡單。Rollup的TPS會在主鏈的幾百倍左右，一般是在幾百上千的級別；根據不同業務，如果應用簡單一些的話，應該可以做到幾千級別。而plasma的TPS最高能到上萬。

OptimisticRollUP/ZKRollUp

OptimisticRollUP：

可以支持通用的智能合約

缺點：需一到兩周時間去跑證明

ZKRollUP：可以支持支付以及DEX

缺點：耗內存和CPU/無法支持智能合約

離落地還有時間

OptimisticRollUP從技術來說要比ZKRollUp簡單很多。它的好處是可以支持通用的智能合約。ZK和Optimistic的區別是，FraudProof變成了ValidityProof。這兩種驗證方式相當于兩種不同的思維方式：OptimisticRollUP是樂觀思維，就是說相信驗證人是不會做惡的；ZK是悲觀思維，相信驗證人還是會作惡的，所以要生成一個零知識證明，然后和RollUp一起打包到鏈上去。大家去驗證不需要跑狀態轉移，因為這個轉移已經通過零知識證明跑過一遍了。

這就類似法律上的舉證證明，是自證清白還是別人證明你是好人。ZKRollUp相當于自證清白。其實，Optimistic和ZK都牽涉到一個最終性的問題。OptimisticRollUP的最終性是比較長的，用戶沒有跑過這個證明，提現期需要一到兩周。這期間系統會給足夠多的窗口，讓足夠多的人去驗證這個事情。ZK不會碰到這個問題，因為一旦它的零知識證明上鏈，它的最終性也就確認了。

那么ZKRollUp的問題是什么呢？它對于這個節點要求是非常非常高的。ZKRollUp就是耗CPU和內存，并需要很強的服務器去做這個打包。而OptimisticRollUP對于打包者的要求并不那么高。唯一要求的就是驗證人在鏈上質押來保證不會作惡。

由于這個ZK的復雜性，導致它目前只能用于一些特定的應用：比如說像那個支付和DEX。另外ZK還包含了零知識電路，它是密碼學中非常新的概念，目前存在安全隱患的可能。

HybridRollUp

避免了中心化的問題，引入了側鏈做打包人

HybridRollUp是結合了側鏈和RollUp。我們發現了一個問題打包者可能很中心化，比如說路印。而ZKRoll因為對打包者要求很高，它的中心化問題更加嚴重。這會引發一個問題：假設路印的服務器到期以后，機器就會發生宕機，交易所會進入提現模式，相當于變相被解散。為了預防這種風險，我們犧牲了一些TPS，引入了側鏈的驗證人。

HybridRollUp的好處：第一，不會出現打包人只有一個以及單點故障這個情況，因為這需要一個側鏈共同去打包。第二，作惡的可能性更小了，因為需要所有節點共同加強才能去作惡。且安全性是雙重的：側鏈以及RollUp的雙重安全性會防止有人作惡。

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