Hashkey崔晨：了解以太坊2层的竞争格局和趋势

撰稿人：崔晨，hashkey capital research
工作，审稿人：邹传伟，万向区块链
首席经济学家；

以太坊扩容问题迫在眉睫，以太坊 2.0发展缓慢。二层扩容方案最有可能在短期内改变以太坊的拥堵状况。在以太坊中实践第2层扩展的团队基于相同或不同的技术解决方案（如rollup和plaa）实现相应的产品落地。目前大部分产品还处于开发阶段，它们之间的格局将影响以太坊的生态格局。根据二层开发团队披露的方案，对其可行性进行了解读和评价，总结了二层项目的发展趋势和目前二层方案面临的问题。
；

如何理解第2层解决方案和竞争力
；

Layer2：底层的中间人和应用

第2层解决方案的思想是将应该在第1层上运行的计算过程放在链的下面，并将结果发送回链进行确认。无论是普通转让还是复杂的智能合约，都可以通过Layer2方案实现快速交易，节省GAS FEE。作为以太坊中的扩展工具，第2层也是连接底层网络和上层应用程序的中间层。从这个角度来看，人们对Layer2有两个要求：应用程序需要Layer2进行快速清除；主网和用户需要Layer2来保证计算结果的正确性和资金的安全性。
；

一般来说，如rollup和plaa技术通过主链上的智能合约实现Layer2和主链之间的通信。用户通过与智能合约交互，在Layer2实现充值和取款，Layer2通过更新状态将充值结果发送回主链。但是，状态更新不是自动的，需要由指定的负责人（即第2层的操作员）执行。以汇总为例。尽管任何人都可以操作rollup，但是在链下计算和在主链上更新需要花费资源。因此，有必要为经营者提供经济激励，以保证汇总的运行。特别是对于需要防欺诈和质疑期的方案，如果没有适当的激励，很难保持项目的可持续性。Layer2的交易费用由用户承担，运营商将获得这些奖励。作为一种广义的Layer2模式，侧链也以这种方式运行。侧链具有独立的验证节点。当用户使用侧链或跨链时，需要向侧链的节点发送请求。Layer2是底层和网络应用之间的中间人，为提供方便而收费。
；

Layer2解决方案的竞争力

从另一个角度来看，第2层与底层网络和应用程序的开发有关。如果底层网络以太坊出现问题，无人使用，则无需扩展第2层的容量。如果Layer2没有繁荣的应用生态，没有用户会使用它，那么就没有必要使用它。它涉及应用程序和用户。这样，Layer2解决方案之间的竞争就相当于一场公链竞争。但不同的是，退出公链生态系统的用户除非出售公链中的所有资产，否则很难转移到其他生态系统，而Layer2的用户可以在Layer2自由进出。如果第2层上的应用程序没有吸引力，用户可以随时转移到第2层上的其他应用程序。在目前的环境下，Layer2本身对用户没有吸引力，在使用Layer2的时候更多的是关注上面的应用。所以对于Layer2来说，我们应该注意体验的两个方面，开发者的体验和用户的体验。
；

以太坊在开发者群体中形成了护城河效应，因此对于Layer2来说，开发环境越接近以太坊，开发人员就越喜欢它。特别是，第2层的许多目标应用程序已经部署在主网络上。如果开发人员需要为第2层环境进行开发，这将非常耗时。与所有新技术一样，第2层解决方案也具有先发优势。尤其是以太坊的用户更期待Layer2上线。因此，尽快开发Layer2解决方案并部署流行的应用程序是提高Layer2竞争力的最有效途径。
；

在改善用户体验方面，首先要做的是保护用户的财务安全。其次，用户需要在主网和Layer2之间移动而没有感觉。如果操作繁琐，会造成用户的门槛，影响用户的数量。也有层2的基础。用户需要实现比Layer2主网更流畅的用户体验，并能有效节省GAS FEE。
；

综上所述，使用Layer2的成本和便利性是每个Layer2的竞争力。
；

第2层解决方案和功能
；

Layer2技术解决方案可以分为几种类，如状态通道、侧链、等离子和汇总。同样的技术将由不同的团队开发成不同的版本。以下是当前流行的第2层解决方案和功能。
；

乐观的以太坊

**以太坊（OE）是一个基于Optimal公司开发的**汇总技术的Layer2网络。主网络计划于2021年7月上线。目前，测试网络上有synthetix和unipig两个演示版本（Uniswap的Layer2版本），它们将成为主网上线后的第一批应用。
；

OE中使用了自己创建的OVM虚拟机，相当于Layer2EVM的替换。由于执行环境的不同，两者并不完全相同，在主链上执行的智能合约需要转义到适合OVM的操作码中。在OE中，状态的正确性需要通过防欺诈和质询期来确定，这涉及到第1层的多个事务，需要一定的时间。第2层上的状态的最终确认需要7天，如果存在欺诈交易，它将被回滚。OE的安全性还来自于欺诈证据的保证。揭露错误交易并提交OE证明的用户将获得奖励。为了防止经营者白白作恶，他们需要在以太坊上存入诚信保证金。如果验证者发现他们的欺诈行为，经营者的押金一部分将交给验证者，一部分将被销毁。这是因为操作员可以在验证者提出证明之前匆忙行事。
；

由于欺诈证据的存在和质疑期限的限制，用户需要等待一周。这也是OE的缺点，可以通过流动性提供者的解决方案来解决。如果OE中的验证者证明用户的交易是正确的，并且在指定的时间之后会提取现金，他可以充当流动性提供者，提前将资金预付给用户，等待用户在还款前提取现金，以便在质疑期间赚取利息。或者用户需要的应用程序在OE上，所以用户不需要撤回到主链。
；

在费用方面，用户在向OE智能合约转账和取款时需要消耗汽油费。在运行经验中进行交易时，用户可向运营商支付GAS FEE。OE的煤气费计算方法与主网不同。例如，OE上的天然气价格是一个固定的常数，目前的初始值是1gwei，因此不需要用户设置。
；

仲裁汇总

Arbitrum rollup由offchain labs团队实现，也基于**rollup技术。目前，V4版本的测试网已经发布，这是未来主网的候选版本。除了rollup，arbitrum还有状态通道和侧链，其他应用程序不在线。目前，arbitrum汇总测试网络的生态布局包括Bancor、balancer、bounce、mcdex和arbiswap（Uniswap的arbitrum版本），以及chainlink和graph等基础设施。

图1:arbitrum架构
；

如上图所示，arbitrum基于以太坊构建。ETHbridge用于保持层1和层2之间的连接。调用ETHbridge契约可以实现主网与仲裁链的交互。在AVM架构之上是运行在arbitrum底部的虚拟机AVM。Arbos完全在AVM中运行，负责管理和执行智能合约。最重要的是，Arbos为智能合约提供了与EVM兼容的执行环境。当左上方的用户使用钱包或前端工具与arbitrum进行交互时，他们不需要使用新的工具，开发者也不需要进行额外的开发。他们可以直接将现有的实体合同转让给仲裁庭。
；

与**汇总的思想类似，arbitrum rollup使用防欺诈来确保网络安全。同样，仲裁庭也会有专门的操作人员和验证者，操作人员需要支付押金以防止犯罪。一个专门的验证者监督操作员的错误行为，否则，如果每个交易参与者亲自验证监督，就会影响用户体验。在仲裁过程中，仲裁员将争议内容拆分到链下，确定最小争议范围后，再调用以太坊合同进行裁决。因此，在第一层验证中，arbitrum更有效。
；

在arbitrum中，使用虚拟机还需要支付gas费用，这体现在arbitrum中，也是对arbitrum运营商的一种经济补偿。Arbgas用于评估AVM中的计算时间。1亿arbgas大约相当于2020年初offchain labs开发者计算机的1秒CPU时间。每个AVM指令的arbgas开销是通过测量设置的，这与以太坊中的gas计算不同。目前，在beta版中，默认成本设置为零。
；

zkSync公司

Zksync是由matter实验室开发和实现的。基于ZK-rollup技术，利用密码学方法证明链上数据的真实性，保证资产的安全性。操作员上传数据时，会附上有效性证明。当上传数据时，主网可以立即验证信息，因此Layer2可以实现与主网相同的安全性。目前，zksync的生态包括curve、AAVE、balancer、1inch等，主网已经上线。2.0版的主网络预计将于2021年8月推出。
；

Zksync以用户资金安全为首要目标，采用plonk和redshift加密技术。红移是一种透明的普遍现象，由纽约大学的阿西马基斯、物质实验室的康斯坦丁和亚历山大发现。使用zksync时，事务成本有两部分：1。Layer2的状态存储和snark生成的成本取决于硬件的使用；2运营商支付将数据发送回以太坊主网和验证snark证书的费用，这取决于以太坊上的天然气价格。ZK-rollup的**障碍是与智能合约相关的有效性证明的验证成本太高，不适合智能合约场景。Zksync重新编程智能合约，使其适合在ZK汇总中使用。但是开发人员需要使用zinc语言再次部署契约，这将是zksync未来最重要的计划之一。
；

当涉及zksync的交易过户时，用户可以使用过户**币支付GAS FEE，不需要使用ETH。目前，zksync网络采用中心化管理方式。未来将引入多重角色，使网络更加去中心化，比如引入POS共识机制。为了维持运营商的收支平衡，zksync的成本会随着主网燃气成本的变化而变化，但要保证zksync的使用成本始终低于以太坊的使用成本，ETH transfer的使用成本要低20多倍，而代表币的ERC20换乘则要低100多倍。未来，zksync将推出自己的一代币用于治理和抵押，并推出zkporter这一手续费较低的平台。
；

Zkporter将与ZKSync2.0版的主网一起上线，Zkporter中的数据将被传输到链中，链可以与zksync账号无缝交互。该账户的数据可用性将由《卫报》zksync generation 币持有人保证。监护人需要代币办理抵押贷款，并参与pos，如果没有数据，他们将失去抵押资金。
；

星光大道

Starkware是一种基于ZK汇总技术的扩容方案。目前，它的客户是devisifi、immutable和dydx。与zksync不同，starware使用了stark技术，这是一种简单而透明的零知识证明。Cairo是starware的图灵完全使用stark的证明平台。上述应用程序也构建在Cairo上。此外，starkware还推出了一个交易平台starkex。
；

Starkware还开发了一种称为安定的模式。在该方案中，用户将交易数据发送给委员会成员，并将其数据存储在链下，降低了ZK rollup中资金的安全性，但提高了效率，更适合高频场景。
；

POLOGAN

POLOGAN是matic网络的升级产品，是matic的两种不同的扩展方案。Matic使用plaa框架来确保侧链的去中心化性和安全性。Matic在plaa链中应用了基于账户的模，这与plaa中的其他utxo系统不同。这使得plaa matic适用于以太坊系统并支持EVM。等离子侧链采用POS共识机制，自动生成币可以作为网络中的验证器。
POLOGAN的独立侧链与以太坊完全兼容，用户和开发者的学习成本为零。互操作性由桥链支持，安全性由侧链中的独立验证器保证。目前，pogon（matic）推出了侧链和等离子两种以太坊扩展模式。ZK汇总和**汇总产品正在未来规划中。这是为了满足不同用户的扩展需求，如企业应用、初创企业和专注于网络安全的公司。aavagotchi、easyfi、sportx和AAVE等应用程序使用POLOGAN体系结构。

图2：POLOGAN
中的固定链模式（左）和独立链模式（右）；

xDai链

XDAI链是MAKKODAO基金会推出的以太坊兼容侧链。它使用xdai作为在线交易的支付工具，xdai和Dai之间的汇率相同。由于EVM兼容性，以太坊中的所有应用程序都可以直接迁移到侧链。目前，xdai有很多生态应用，包括1hive、honeyswap、永续协议、sushiswap、unique.one等。
；

Xdai侧链采用posdao的权益证明机制进行核算和治理，采用双层生成币模。除了xdai作为支付生成币之外，它还作为治理生成币发布堆栈生成币。目前的验证节点仍然是一个中心化式的可信节点，未来将逐步开放。在以太坊 2.0节点，xdai链将以片段或汇总的形式加入以太坊网络。
；

其他第2层项目

除了关注以太坊二层的项目外，也有一些原本以高速、可扩展为目标的公链，但在实践中却越来越接近以太坊的运行环境，使其逐渐有了二层项目的影子，如和声、赛乐网、BSC、heco、，跨链协议polkadt上的项目也在探索以太坊上的应用程序的适应性。例如，ACALA EVM已成功部署并运行Uniswap合同。
；

最典的例子是BSC和heco，它们使用与以太坊相同的虚拟机。开发者可以直接从以太坊迁移智能合约。而且，BSC和heco改变了底层公链的共识机制等参数，使得阻塞速度更快，承载能力更大，用户可以节省交易成本。如果其他普通链与以太坊兼容，则可以将其视为以太坊上的侧链，即广义的第2层。
；

Layer2的发展趋势及存在的问题；

二层发展展望

各种Layer2解决方案层出不穷。在第一部分中，我们指出Layer2的竞争力在于降低开发者的难度和改善用户体验。因此，未来所有的Layer2都会朝着这两个方向发展，比如优化rollup产品，在挑战期提高防欺诈和用户体验，ZK rollup开发虚拟机和智能合约，使之更适合今天的DeFi应用。虽然侧链的实现相对容易，但要完善资本安全保障和分权。
；

在第2层上，很难同时在降低处理费用、可扩展性、去中心化和数据可用性方面实现平衡。随着Layer2技术的不断发展，如**的rollup技术，如果忽略挑战期或智能合约带来的不便，我们在去中心化和数据可能性方面取得了进展。然而，为了实现更快的事务处理速度和更低的处理费用，如zkporter和valium模式，我们只能牺牲数据的可用性，而不得不将数据传输到链下的存储器中。不难理解，为了达到更高的效率，我们只能尽可能少地使用链上的资源，即赋予操作节点更多的权力，因此需要更完善的机制设计来避免节点的邪恶。未来，第2层解决方案将在速度、成本、去中心化和数据可用性方面进行权衡。不同的场景会出现不同的解决方案。
；

对于Layer2的操作员或验证者来说，相关工作需要经济激励。对于大多数第2层网络，版本生成币也是未来的趋势，主要用于治理或激励。但对于使用相同技术的项目，如OE和arbitrum，经济激励的设计也是它们的竞争力之一。就像DeFi生态系统中的竞争一样，如果Layer2鼓励更多的参与者，它将吸引更多的运营商和验证者来确保网络安全。
；

第2层只是以太坊上的一个工具，更重要的是，一个运行在第2层上的应用程序。可见，与Layer2合作最多的项目是需要高频交易的DEX。随着DEX项目的升级，比如Uniswap的V3版本，在第2层上运行的需求变得更加强烈。未来Layer2的竞争也是Layer2应用之间的竞争，因此Layer2对应用的竞争更为关键，特别是对需要高频交易的应用。
；

Layer2解决方案的问题

除了侧链网络，基于rollup技术的二层解决方案的开发进度低于预期，因此推出后是否真的能达到预期很难判断，开发难度是二层面临的问题。Layer2之间的互操作性也是Layer2解决方案面临的问题。不同的Layer2由不同的智能合约控制。因此，只有通过与相同的第2层应用程序交互，才能降低处理费用。如果同一个应用程序部署在不同的Layer2，那么它的移动性就会受到影响。因此，跨层求解也是当前的研究方向。
；

思考和总结
；

以上是对以太坊二层主流项目目前竞争格局和趋势的分析。Layer2作为连接底层和以太坊应用的中间层，也是以太坊主链上的扩容工具。最需要注意的是应用程序开发人员和用户的体验，尤其是应用程序的竞争。因为不同的Layer2会影响应用程序的交互，所以在Layer2上形成一个完整的生态是一个理想的状态。
；

尽管每个第2层解决方案都朝着提高可用性的方向发展，但最终不会有一个统一的赢家，因为在不同的场景中会有不同的需求。例如，在高频交易的场景下，人们对手续费的敏感度会更高，这就可以牺牲部分数据的可用性，通过经济机制来防患于未然。然而，在其他需要更多安全性的场景中，我们可以使用完全数据可用性方案。
；

为了保持Layer2解决方案的可持续性，处理运营商和用户之间的关系同样重要。如果对运营商的激励太少，可能就没有足够的运营商和验证者来维持网络的去中心化性和安全性。如果用户收费过高，也可能造成用户和应用的损失。特别是大部分上收方案采取了与主网不同的GAS FEE收取方式，能否实现运营商收支平衡，还需要上线后进行评估。