給區塊鏈擴容難嗎？從比特幣到以太坊

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Layer2 可以為 DeFi 帶來什麼？掃描文末二維碼進群參與今日話題討論，即有機會獲得 imToken 精美周邊。

DeFi 業務的增長從 2020 年起飛，TVL 從 $600M 到 $25B，增長了 40 倍。從一個現象就能直觀感受：DEX 去年從每日數千筆到達數十萬筆規模，Uniswap 的單日交易量甚至一度超過了老牌中心化交易所 Coinbase。

以太坊上的交易量不斷攀升，區塊容量卻開始吃緊，而礦池選擇 GasPrice 競價排序交易使其利益最大化。同時考慮到 DeFi 業務技術上存在搶跑攻擊，用戶心理上存在 FOMO 等問題，導致最終大家願意付出更高的價格讓交易跑得飛快。高價礦工費，使我們離普惠金融的初衷漸行漸遠。

那麼以太坊為什麼不選擇直接提升區塊容量，承載更多交易呢？原因很簡單，區塊鏈核心限制在於「每一筆交易都要由網絡中每一個節點驗證處理」，那麼當區塊大小擴大幾倍時，則會讓更多小型節點退出，逐漸走向中心化。

給區塊鏈擴容難嗎？

早在 2010 年時中本聰就已經探討過擴容問題，最初中本聰在比特幣源碼中設定區塊容量為 32M，但後來區塊交易量一直很小，就把容量設置為了 1M。他自己也認為如果有擴容需求，那麼在代碼中設定區塊高度自動升級區塊容量就好了。

但是後來比特幣擴容卻不是那麼順利，主要分歧在於是採用「隔離見證和閃電網絡」，還是「增加區塊容量」。前者認為「區塊容量增大要求更高帶寬和存儲，會使節點逐漸走向中心化」，希望藉助隔離見證和閃電網絡這兩項技術完成擴容，不增加區塊容量。

注：這也是為什麼 Eth2 希望採用 PoS 降低節點門檻，從而讓更多人可以成為驗證人，使其完成去中心化世界賬本的理想。

當然這最後已經不是技術問題了， 而是上升到了意識形態之戰，經歷香港共識的出爾反爾與不信任，最終走向硬分叉的道路，形成目前 Bitcoin Core 和 Bitcoin Classic 兩條擴容路線。

比特幣擴容過程就像一場戲劇，我們可以看到諸如 SegWit、Schnorr Signature、Lightning Network 等擴容技術落地實現，但還未有質的改變。

• SegWit：交易數據壓縮至 25%；
• Schnorr Signature：單簽名數據壓縮至 50%；多重簽名：多筆交易壓縮成單筆交易體積；
• Lightning Network ：缺少點對點小額支付場景，資產規模僅有 1000+ BTC。

後來閃電網絡白皮書的作者 Joseph Poon 轉戰以太坊社區，與 Vitalik 在 2017 年發布 Plasma 白皮書，試圖解決以太坊的擴容問題。

Plasma 主張將交易的計算和存儲搬到 Layer2，然後將多筆交易壓縮成一個區塊，並將區塊的默克爾根提交到 Layer1 Plasma 合約，從而提高吞吐量和降低交易成本。

Layer2 依賴 Layer1 Plasma 合約作為安全信任和仲裁層，如果 Layer2 出現問題/作惡，那麼用戶可以藉助 Layer1 Plasma 合約退出資金。退出資金要等待約 2 週的挑戰期，在此期間任何人都可以提交「欺詐性證明」證明退出無效，從而獲得獎勵。反之，若無問題則等待挑戰期結束，順利退出。

Vitalik 稱 Plasma 是 side chains that have a non-custodial property，究其原因主要是用戶需要信任 Side Chain 機制，而無法保障自己資金的所有權，但 Plasma 通過交互式欺詐性證明可以讓用戶隨時申請退出資金，即便 Plasma 子鏈出現問題/作惡。

Plasma 曾是社區的希望，我們可以看到許多 Plasma 變體實現諸如 OmiseGo、Matic、Loom 等，但因為一些缺陷，它並沒有獲得社區最終的青睞：

• 缺少數據可用性，用戶不得不依賴 Plasma 可信任節點數據或不斷監控網絡是否作惡，無法獲得同等於 Layer1 的安全性。
• 提款週期長，依賴長達兩週的欺詐性證明挑戰期，如果有人作惡，同時挑戰期內無人發現並提交作惡（欺詐）證明，那麼用戶資金存在損失風險。

上面這段話可能有些難以理解，我們來舉個數據可用性的例子：

當你去賭場玩德州撲克時，你從櫃檯（Layer1）將美元換取籌碼，然後你開始隨便找了一張桌子玩了幾個小時德州（Layer2 交易），當你贏到盆滿缽滿的時候，你準備起身到櫃檯兌換籌碼。此時賭場的壞人給你當頭一棒，你失去了記憶（數據不可用），牌桌上的荷官當作什麼事情沒有發生過一樣，重新開始剛才的牌局，騙走你本應贏到的籌碼。

 從過去比特幣和以太坊擴容情況來看，我們逐漸找到了理想擴容方案應該有的樣子

• 保持區塊容量大小，避免走向中心化；
• 支持數據可用性，用戶可以從 L1 上重建交易狀態；

隨著 2019 年以太坊硬分叉升級 - Istanbul，我們離理想擴容方案越來越近，此次升級包含兩個 Layer2 友好的 EIP 提案

1. EIP - 1108：使 SNARKs 和 STARKs 驗證運算更便宜；
2. EIP - 2028：降低 Calldata Gas 消耗量，以便 L2 數據採用 Calldata 形式低成本上鍊

Layer2 Rollup 的現狀

什麼是 Rollup？ 

Rollup 有不少中文譯名，其中一個打趣的翻譯是「春捲」，你可以想像將食物捲起來一口吃下去的感覺。實際上，Rollup 就是將交易數據壓縮放到 Layer1 上，從而實現同樣的區塊容量可以塞下更多交易，將 30 TPS 擴容到 3000 TPS 級別，再搭配上 Eth2 Sharding 擴容，效果可以媲美當下 Visa 的水準。

如何壓縮數據？

壓縮是 Rollup 的精華，巧妙的壓縮技巧可以塞下更多的交易，同時壓縮數據上鍊可以提供「數據可用性」，保障用戶資產安全。

一筆簡單的以太坊交易（比如發送 ETH）通常消耗約 110 字節。然而，在 Rollup 上發送 ETH 僅消耗約 12 字節。我們以收款地址和交易簽名舉例：

• To：使用「索引」來代替 20 字節的地址（例如：一個地址是「狀態樹」中的第 4,527 個地址，我們就可以用索引 4,527 來表示它）；
• Signature：利用零知識證明的特性，將數千筆交易簽名轉化為零知識證明，通過檢查證明的有效性，從而證實數千筆交易有效。

Rollup 方案對比

Rollup 方案主要分為兩種 ：ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。前者採用有效性證明，後者採用欺詐性證明，這兩種證明方式背後的理念是不同的：

• 有效性證明：採用數學的方式保障資金安全、用戶體驗流暢和隱私，但短期內無法支持通用的 EVM 計算；
• 欺詐性證明：支持通用 EVM 計算（方便以太坊項目遷移） ，但短期內無法採取零知識證明，所以折衷選擇欺詐性證明，保障資金安全。

最後，本文為了講述 Layer2 發展歷程提及了一些過往不同的擴容方案，但這並不意味這些方案的思路是失敗的。這其中除了技術問題，商業可行性也是值得深思的，正如 Vitalik 對這兩種 Rollup 方案的評價：

短期內，Optimitic Rollup 很可能在通用的 EVM 計算中勝出，而 ZK Rollup 則可能在簡單的支付、交易和其他特定應用場景中勝出。但從中長期來看，隨著 ZK-SNARK 技術的改進，ZK Rollup 最終將在所有場景中勝出。