分布式课堂：了解以太坊各种Layer2扩展方案（状态通道、侧链、Roll

自从 Defi 热潮席卷以太坊，导致以太坊拥堵，Gas 费创历史新高。 我们一直关心以太坊扩容的实际问题：以太坊2.0还没有推出，更实用的Layer 2方案有望解决以太坊的扩容问题。

本次Distributed Class邀请了Celer团队的Michael，专注于“链下”技术，包括状态通道、Plasma、Roll Up等。

（Michael毕业于麻省理工学院（MIT），计算机科学硕士。Michael目前在Celer负责区块链技术，特别是各种二层扩容技术的研究。Chain（SGN）及核心设计和 Hybrid Rollup 等的开发工作）

状态通道

优点：延迟低，实时性高

缺点：用户数量有限，资金利用率低

用途：小额支付/预测市场/赛马投注

一般情况下，双方会在链下建立状态通道，交换私钥对信息进行签名，进行链下交易。 当时，比特币实现了一个名为闪电网络的支付通道网络，将状态通道相互连接起来：即使用户没有直接的状态通道，也可以通过几个中间节点逐层转发，这就是相当于通道网络。

基本上，状态通道的延迟可以达到互联网的延迟。 比如服务器之间的延迟是多少，这个状态通道的延迟是多少。 通过市场上其他链发送交易的速度以秒为单位。 但是状态通道一般以毫秒为单位。 此外，它还有实时性非常高的优点。

状态通道是一种扩大规模的手段。 Scale up是指利用技术手段对区块链进行线性扩容，比如分片。 例如，以太坊 2.0 需要启动 64 个分片，然后它的容量增加了 64 倍。 至于state channel，现在可以支持1000个用户同时在线，未来可能支持到64000个用户，还是很低的。

虽然状态通道的扩容意味着你拥有的节点越多，你的网络就越大，你的容量就越大。 这只是一个美好的想法，但实际上它受到了很大的限制——流动性利用率低（low capital utilization）。 状态通道是一种需要双方将钱存入链上，然后向对方发送支付的通道。 第一步是在链上存钱，这是有限的。 也就是说，如果你手头有1000个以太币，状态通道只能发送1000个以太币。 如果你突然发一笔超过 2000 的以太币，它什么也做不了。

因为容量可以扩大，但资金的流动性不能扩大。 如果一个用户向另一个用户发送大量资金，中间的每个转发节点都必须有这么大的容量，这在现实生活中是不可能的。 当大家把这么多钱都锁在一个状态通道里的时候，如果状态通道只能用来转发的话，效率是很低的。

状态通道只能支持小额支付。 比如闪电网络其实不大，可能跟资金利用率低有关。 此外，将一般的 dAPP 迁移到状态通道是相当困难的。 我们已尝试将西洋双陆棋移至状态通道。 即使我们写了sdk供其他项目开发使用，他们还是觉得这个开发难度挺大的。

此外，状态机只适用于这个固定数量的人。 也就是你把uniswap放在状态机上是不现实的。 因为这个dAPP的用户数量是无限的，所以没有固定的用户群。 即使你把棋盘游戏或者稍微大一点的PC游戏搬到状态通道上，这些游戏也必须以状态机的形式来编写。 他们每个状态的转变都要写的很清楚。

理论上，您可以将任何单机游戏移至状态通道。 但实际上没有人会这样做，除非你真的不信任游戏服务器。 一般来说，预测市场和赌马（大家对时间变化很快的场景做预测）都可以搬到状态通道上。

侧链

优点：代码和数据独立

不增加主链负担

缺点：安全性弱

侧链的本质是在这个基础层上再建一条链，然后使用一套完全不同的验证者。 它的整个安全是分离的：主链有主链的安全，侧链有侧链的安全。

主链从 POW 到 POS 都会有更强的安全性，但是侧链的验证者更少以太坊节点需要钱吗，安全性更弱：比如 Cosmos 只有 100 个验证者。

侧链的 TPS 取决于其验证器。 验证的人越多，它的 TPS 就会越低。 侧链的延迟比较低，高于状态通道的毫秒级，远低于主链的几十秒级。

状态通道的安全性在于双方已经相互签名，因此具有主链的安全性。 只要一方作恶，另一方就可以提交到主链上解决纠纷。 至于侧链，你要相信大多数验证者都是好人，所以它的安全性比主链要低很多。

卷起/等离子

Plasma：缺点是不能应用于智能合约

用户运行节点负担沉重

Roll Up：优点是数据上链，

可以随时验证（也是与 Plasma 的唯一区别）

可以使用任何代币支付链下支付

而链上支付只能使用ETH

Roll up 是 2019 年慢慢流行起来的一个概念，Plasma 和 Roll up 类似，是以太坊上 V 神认为非常有前途的一个解决方案。 Plasma 的问题在于它只能很好地进行支付，而对于稍微复杂一点的智能合约就无能为力了。 作恶者不会在链上给你提交数据，这样的纠纷至少要等两周才能解决。 这个过程是用户无法接受的。 另外，由于Plasma的数据都是链下的，用户运行Plasma的节点负担非常重：如果运行时间长了，会消耗几十上百个G，这可望而不可及的手机。

2019年有人提出Roll Up，在我看来是一条中间道路。 Roll Up 是链下计算+链上数据+欺诈证明。 那么它最关键的一点就是并不是所有的数据都上链，它的链上数据仅限于每一笔交易的输入，而不包括它的最终状态。 比如你从a到b，我只是告诉你路径； 但是你在a做了什么，b做了什么，链下记录了这个状态。

任何人和任何用户都可以查看 Roll Up 区块，即打包的交易，然后替换这个状态的转移。 如果状态传递错误，用户可以在链上提交 Fraud 证明，淘汰验证者。 因为验证者在链上有一个质押物，如果他作恶，他的质押物就会被没收。 虽然不是每个 Roll up 都会被验证，但验证器会继续运行。 一旦发现作弊（比如A给B发了1元以太坊节点需要钱吗，但是记录了A给B发了3元），就可以获得相应的奖励。 这个过程可以理解为任何人都可以进行抽查和检查。

它的优点是数据全部上链，用户可以随时验证，不会像plasma那样存在数据可用性问题。 而且验证的结果是唯一的。 如果验证者在链下运行智能合约，他会发现验证链下的计算是否与链上的智能合约一致。 从经济的角度来看，一般的验证者是不太可能作恶的，因为他的质押量太大了。

Roll Up 和 Plasma 其实很相似。 只要把数据卷起来上链，Fraud Proof 的过程就会非常简单。 Roll up的TPS会是主链的数百倍，一般在几百到几千级别； 根据不同的业务，如果应用再简单一些，应该可以达到上千级别。 Plasma最高的TPS可以达到数万。

Optimistic Roll Up / ZK Roll Up

乐观汇总：

可以支持常见的智能合约

缺点：运行证明需要一到两周的时间

ZK Roll UP：可以支持支付和DEX

缺点：消耗内存和CPU/不能支持智能合约

离着陆还有时间

Optimistic Roll Up 在技术上比 ZK Roll Up 简单得多。 它的优点是可以支持常见的智能合约。 ZK 和 Optimistic 的区别在于 Fraud Proof 变成了 Validity Proof。 这两种验证方式相当于两种不同的思维方式：Optimistic Roll UP是乐观的思维，就是相信验证者不会作恶； ZK是悲观的思想，认为验证者还是会作恶，所以做一个零知识证明，然后和Roll Up一起打包到链上。 大家不需要跑状态转换来验证，因为这个转换已经通过了零知识证明。

这类似于法律证明，无论是你证明自己是清白的，还是别人证明你是好人。 ZK Roll Up 相当于自证清白。 事实上，Optimistic 和 ZK 都涉及到最终性问题。 Optimistic Roll UP 的终结时间比较长。 用户未通过此证明，退出期需要一到两周。 在此期间，系统会给足够多的窗口，让足够多的人来验证这件事。 ZK不会遇到这个问题，因为它的零知识证明一旦上链，它的最终性也就确定了。

那么ZK Roll Up有什么问题呢？ 它对这个节点的要求非常非常高。 ZK Roll Up 会消耗 CPU 和内存，需要强大的服务器来做这个打包。 Optimistic Roll UP对打包者的要求就没有那么高了。 唯一的要求就是验证者在链上做出承诺，保证自己不会作恶。

由于这个ZK的复杂性，目前只能用于一些特定的应用：比如支付、DEX。 此外，ZK还包括零知识电路，这是密码学中一个非常新的概念，目前存在安全隐患的可能性。

混合卷起

避免中心化问题，引入侧链作为打包者

Hybrid Roll Up 是侧链和 Roll Up 的结合。 我们发现一个问题，打包器可能非常中心化，比如 Loopring。 而ZK Roll的中心化问题更为严重，因为它对打包者的要求很高。 这会造成一个问题：假设路印协议的服务器到期后，机器宕机，交易所进入提现模式，相当于变相解散。 为了防止这种风险，我们牺牲了一些 TPS 并引入了侧链验证器。

Hybrid Roll Up 的好处：首先，不会有单一的打包器和单点故障，因为这需要一个侧链来打包在一起。 第二，作恶的可能性就更小了，因为需要所有节点一起强化才能作恶。 并且安全性是双重的：侧链和Roll Up的双重安全性，可以防止有人作恶。

本文已由“元元”认证，作者可洛哥，点击“阅读原文”或访问元本网查询【52NH57U4】获取授权