以太坊 Layer 2 資產橋方案解析：Arbitrum、zkSync 與 DeGate Bridge_以太坊

本文作者：DeGate。

以太坊自2015年誕生以來，快速成長為最活躍、最繁忙的區塊鏈，無論是從應用的豐富性、鏈上的資產規模還是從交易量、安全性等指標看，以太坊都是當前無可爭議的公鏈之王。而隨著以太坊生態的快速發展，特別是DeFi的徹底引爆，導致原本設計的吞吐量嚴重不足，根據etherscan.io的每日交易數據統計，當前以太坊TPS在17左右，動輒幾十甚至上百美元的Gas費和超長的交易等待時間成為限制以太坊生態進一步蓬勃發展、進入主流世界的主因。

長期以來，整個以太坊社區都在為解決吞吐量和高昂手續費問題而努力，其中一個主要解決方案即以太坊2.0，它將大幅增加每秒交易數量，并將最快于2021年底發布；而如EIP-1559提案，則希望對交易手續費計費方式進行調整，來變相達到降低Gas費用的目的。

與此同時，有一個聲音出現了：真的有必要將所有交易都放在主鏈上計算處理么？

Layer2簡介

將本應在以太坊主鏈即Layer1上處理的交易，轉移到Layer2上處理，隨后再將結果從L2傳回L1確認，我們將這種解決方案稱為以太坊Layer2。L2的理論TPS達到了2000-4000，這已經超越了Visa的處理能力——每秒1700筆交易。因此，許多人認為L2方案是以太坊贏得主流用戶的關鍵。

以太坊未確認交易為156,049筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易156,049筆，當前全網算力為492.50TH/s，全網難度為6.64P，當前持幣地址為60,321,171個，同比增加104,724個，24h鏈上交易量為2,592,680.55ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/7/14 0:52:39]

目前存在的L2方案，主要包括以下幾個：

OptimisticRollups：數據上鏈、欺詐證明。應用團隊包括?Optimism、OffchainLabsArbitrumrollup、FuelNetwork；

ZKRollups：數據上鏈、零知識證明。應用團隊包括Loopring、Starkware、MatterLabs?zkSync、Aztec2.0；

Validium：數據鏈下保存、零知識證明。應用團隊包括Starkware、MatterLabszkPorter；

Plasma：數據鏈下保存、欺詐證明。應用團隊包括OMGNetwork、MaticNetwork、Gazelle、LeapDAO；

StateChannels:應用團隊包括Connext、Raiden、Perun.

以太坊全網算力約379,967.56 GH/s 挖礦難度約5,028.98T:據以太坊鏈上數據顯示，當前以太坊全網算力約379,967.56 GH/s，挖礦難度約5,028.98T。

ETH當前價格 ：$ 1,729

交易費Gas均價：61.00Gwei

未確認交易數 ：79212[2021/2/15 19:47:28]

需要重點指出的是，側鏈方案因為其共識安全性沒有繼承L1，所以我們并不認為側鏈屬于L2方案。

在眾多方案中，Rollups正逐步取得市場的認可，成為以太坊最可靠的擴容解決方案，一方面該方案直接繼承了L1的共識機制和安全特性，另一方面它也不會損害L1的安全性和主權。事實上，Vitalik直言不諱的說過，Rollup是以太坊長期擴容解決方案中可以最快被實現的一個。而Rollups的兩種方案OptimisticRollups和ZKRollups最大的區別是它們分別使用了欺詐證明(fraudproofs)和有效性證明(validityproofs)來確保batches里的后狀態根(post-stateroot)的正確性。

對于Rollups方案而言，如何將資產從L1存入L2，再從L2提回L1，更進一步的，如何從一個L2網絡提取到另一個L2網絡，是一個核心問題，我們將承擔這一責任的基礎設施稱為橋。

以太坊微信指數日環比上升2.44%:金色財經報道，微信指數顯示，9月20日，區塊鏈微信指數為1325508，日環比下降16.58%；比特幣微信指數為451284，日環比下降12.67%；以太坊微信指數為140083，日環比上升2.44%；IPFS微信指數為221607，日環比下降11.25%。[2020/9/21]

原生橋實現

我們研究了當前主流的Rollup方案的原生橋實現原理，并從Optimistic和zkSync方案中各選取一個代表，進行對比。

Arbitrum

Arbitrum協議利用其L1、L2之間的通信能力，理論上可以無須信任的將任意形式的以太坊資產在L1、L2之間轉移。當將資產從L1轉入L2時，資產被存入一個L1上的Arbitrum橋合約中，之后一筆相同數量的資產在L2上被鑄造并存入指定地址；而將資產從L2轉回L1時，資產將在L2上被銷毀，隨后等量的資產將在L1的橋合約中變為可用。此外，從L2贖回資產到L1時，有一個關鍵性的區別是，用戶發送交易后，必須等待一個挑戰期的結束，才能最終在L1上執行。這是由OptimisticRollup安全模型決定的。

值得注意的是，官方建議使用「可重試票據RetryableTickets」機制進行L1、L2之間的通信。可重試票據的運作方式大致如下：L1向L2發起的交易首先被存入inbox中，并附帶calldata、callvalue、gasinfo等交易參數。當這筆交易首次執行失敗后，它將被放入L2的「重試緩沖區」中，這意味著在一段時間內，任何人都可以通過重新執行這筆交易來贖回票據。L2至L1的重試交易沒有時間限制，爭議期結束后的任何時間點都可進行。

數字貨幣評論員發推批評V神表述以太坊特性時態度模棱兩可:8月8日早間，V神在推特上與網友互動，談論以太坊及區塊上限等話題。其中，V神的回應“大致了解協議規則中的含義”遭到數字貨幣評論員WhalePanda的批評。WhalePanda發推稱，想象一下，在任何一個真正的金融產品中，當CEO被問到關于其產品核心特性的一個非常具體的問題時，他的回答是“是的，我們大致知道”。這讓我想起了最喜歡的一句話，即以太坊的開發者沒有足夠的智慧去開發比特幣，但不幸的是，他們仍然有足夠的智慧去傷害整個行業。[2020/8/8]

這種機制設計主要是為了應對這樣的場景：當某個用戶希望將某筆token從L1存入L2，首先會將這些token存入L1的橋合約中，同時在L2上鑄造等量的token。假設L1上的交易已經完成，但是L2上的交易卻因為手續費不足失敗了，這會導致一個嚴重問題：用戶在L1上的token已經轉出，但是在L2上卻沒收到token，實際上，這些token被鎖在了L1的合約里。通過可重試票據機制，用戶，可以在一周內，使用足夠的手續費重新執行這筆交易，并最終在L2上獲得token。

以下是Arbitrum原生橋的基本步驟：

L1->L2

用戶從L1發起Deposit交易

聲音 | V神：交易成本增加可能限制以太坊的采用:據Coindesk報道，以太坊創始人Vitalik Buterin表示，交易成本的增加對以太坊的采用造成了不利影響。Buterin在本周接受采訪時表示，正在考慮是否使用以太坊的項目很可能會因為該區塊鏈中交易過多而放棄這一想法。以太坊未來計劃升級至2.0版本，并轉為使用權益證明共識機制。Buterin表示：“大公司如果加入，區塊鏈空間會更滿，成員之間需要競爭交易空間。交易本來已經很貴，新成員加入可能會使成本增加五倍。因此這阻礙了人們加入以太坊，但增加可擴展性可以在很大程度上改善這一點。[2019/8/22]

資產存入L1合約，交易被批量存入Inbox中

交易在L2被執行，鑄造資產轉入指定地址

如果交易失敗，則交易被存入L2的重試緩沖區，用戶可以在一個挑戰期內發起重試

L2->L1

用戶在L2發起Withdraw交易

L2鏈將在一定時間內收集到的交易打包，生成默克爾樹，并將根節點作為OutboxEntry發布到L1的Outbox中

用戶或者任何人可以對根節點和交易信息進行默克爾驗證

挑戰期結束后，用戶即可在L1完成交易，如果交易失敗，則用戶可以發起重試

詳情可參考?官方文檔。

zkSync

在橋實現上，zkSync和Arbitrum相比，主要的區別在于Withdraw時，對交易的驗證采用了基于零知識證明的有效證明，而非欺詐證明，其基本步驟為：

L2—>L1

用戶在L2發起Withdraw交易：將交易數據編碼為字節串，并使用正確的zkSync私鑰對該字節串進行簽名，并為交易描述生成Ethereum簽名或提供EIP-1712簽名，通過相應JSONRPC方法發送交易

發送交易到L1：交易進入zkSyncoperator創建的區塊，并發布到L1上的zkSync智能合約中

對區塊進行驗證：若干分鐘后，證明該區塊正確性的ZKproof將生成，該proof會通過一個驗證交易發布到L1上，直到這個驗證交易完成，Withdraw交易完成

詳情可參考?官方文檔。

可以發現，在退出時間上，zkRollup方案明顯優于OptimisticRollup方案，但由于zkRollup要實現完全兼容EVM尚需時日，所以預計OptimisticRollup仍然會成為前期主流L2方案。也正因此，利用第三方橋來解決OptimisticRollup退出期太長的問題，來帶給用戶更好的使用體驗，成為一些團隊努力的目標。

DeGateBridge設計理念和實現原理

DeGateBridge的目標是在Rollup生態早期能夠幫助以太坊資產遷移門檻最大程度的降低，服務基于以太坊Rollup的二層基礎設施的應用大規模落地。我們認為在現階段基礎設施條件下，優秀且足夠好的流動性解決方案需要具備:

第一，能夠通過市場方式對不同層的流動性分布進行自動調節。第二，能夠實現資金效率最大化的0資金凍結的非預付方案。第三，最低的Gas消耗和最優的用戶體驗也至關重要。

DeGateBridge基于優化穩定幣AMM曲線和交易市場的方式實現跨層資產轉移的快速通道，受限于提供L2狀態的預言機的咱不完善，首期的DeGateBridge將通過中心化托管資產的方式實現，當以太坊L2上出現成熟的預言機服務后，DeGateBridge將轉向以去中心化的方式實現資產的橋接。

DeGateBridge詳細方案設計，可參考文章：基于低滑點AMM曲線的跨Rollup流動性方案

Bridge方案對比

在這一小節中，我們將對已上線生產或者測試網的原生Bridge和DeGateBridge進行實測，并主要考察以下幾項指標：

上下橋Gas費用；

上下橋時效性；

操作復雜度；

我們在測試中統一使用ERC20代幣而非ETH，同時我們按ETH價格$4000，GasPrice為100Gwei對手續費進行擬合。

最終對比結果如下

Withdraw手續費計算方式說明：

Optimism(SNX)：提幣操作會聚合多筆交易，按總手續費除以交易筆數計算

Arbitrum(Testnet)：二層費用不計，只計算一層交易消耗Gas費

zkSync：費用在二層以多種token支付，通過一層到賬交易計算大概成本

DeGateBridge：費用在二層以多種token支付，通過一層到賬交易計算大概成本

通過對比可見：

時效性：OptimisticRollup的下橋時間普遍需要2天-1周，表現較差，DeGateBridge的表現較好，接近即時；

Gas費用：Optimism表現最差，DegateBridge的手續費消耗最少，特別是還節省了Approve的手續費；

操作復雜度：DeGateBridge可以在無需用戶Approve的情況下直接交易，對用戶體驗更加友好；

展望

我們相信Layer2和以太坊2.0的相繼落地，將有機會成為以太坊的二次增長曲線，使以太坊進化為承載數萬億美元規模的經濟帶寬。而L2Bridge將作為區塊鏈基礎設施之一，在這一進程中發揮重要的作用。

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