LAYER:一文了解Layer2模型、分类、具体方案

原文标题：L2-理解和思考

Layer2是个大的话题。是否去中心化，是否安全，资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间，总结一下Layer2的理解和思考。

Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下：

除了Layer1的交易外（入金），其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态，所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见，也为了和Layer1保持一样的安全性，所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问，称为"Data Availability"（数据可用性）。所有的Layer2交易都在Layer2执行，并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确，不同的layer2方案有不同的实现方法。

交易员在Curve、Uniswap抛售大量USDT，USDT跌破1美元:金色财经报道，链上数据显示，交易员似乎在Curve Finance 和Uniswap的主要稳定币池中大量抛售USDT ，导致池子陷入严重失衡。Curve 3池中的USDT余额飙升至62% ，该池由USDT、 USDC和DAI稳定币组成，而USDC和DAI约占池中所有资产的19-19%。Uniswap的USDT-USDC 交易池是该平台上流动性最强的货币对之一，其中 USDT余额为1.054亿美元，而USDC余额仅为 650万美元。这种不平衡表明，交易员倾向于持有DAI或USDC，而不是USDT，因为池中有更多的USDT卖家。

根据CoinDesk和CoinMarketCap 的数据，由于抛售压力，USDT在美股日间交易时段一直低于1美元，一度跌至99.76美分。截至发稿时，抛售的原因尚不确定。[2023/8/4 16:17:47]

从Layer2状态同步方式，Layer2分为两类：一类是侧链实现（Side Chain），一类是Rollup。侧链，就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点，整个侧链的安全性，就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种：一种是zkRollup，一种是Optimistic Rollup。所谓Optimistic Rollup，乐观性Rollup，期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时，为了防止同步错误的状态，提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下，Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式，通过零知识证明技术，在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下：

第一笔手机到手机的比特币转账使用诺基亚N900发生在2010年12月7日的0.42BTC:金色财经报道，当中本聪创建比特币时，全节点客户端带有一个通常被称为Bitcoin-Qt的钱包。中本聪的简化支付验证（SPV）概念直到两年后才出现，在前比特币核心开发者Mike Hearn于2011年发布BitcoinJ之后。然而，在第一个SPV客户端或优化的轻量级比特币钱包之前，第一笔手机到手机的比特币交易发生在11年前的2010年12月7日。2010年从诺基亚N900向另一台诺基亚N900发送0.42BTC。[2022/10/24 16:36:38]

zkRollup，按照采用的零知识证明协议又分为三类：1/ Groth16 2/ PLONK 3/ STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(Trusted Setup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是，相对另外两种算法，STARK协议，证明数据量大，验证时间长。相对来说，在Layer2的场景下，PLONK是目前广泛使用的算法。

Celsius联合创始人在法庭上宣布他的股权一文不值:9月7日消息，在9月5日提交给美国破产法院的一份文件中，律师事务所Kirkland & Ellis LLP代表Celsius联合创始人Daniel Leon提交了一份声明，确认了他的大股东地位，并宣布他的3.26万股普通股一文不值。Celsius已在7月申请破产保护，目前持有略高于1.11亿美元的现金，预计到11月底将剩余4200万美元现金。（Cointelegragh）[2022/9/7 13:14:12]

STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较（来源于Matter Labs的github链接）：

https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs

总结一下，从安全性角度看，各种Layer2的排序如下：zkRollup，optimistic Rollup，侧链。从提现的时间也印证了安全性，zkRollup的提现是分钟级别，其他两种方案，小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目，zkRollup，虽好，目前存在很大的缺陷：可编程性差。

Hut 8发展副总裁：公司无意在短期内出售比特币:金色财经报道，Hut 8发展副总裁Sue Ennis表示，该公司无意在短期内出售其比特币。Ennis 指出，?从去年到今年，我们一直专注于如何实现收入多元化，并采取资产负债表优先的方式来确定我们何时购买机器以及我们为机器支付的价格点，这样我们就没有处于一种情况，如果事情发生横向变化，我们不得不出售我们都在追逐的这种非常有价值的有限资产。

Hut 8很可能只会在资产价格远高于历史高位时才考虑出售比特币，这表明摩根大通分析师和 Ark Invest 首席执行官 Cathie Wood 对比特币的长期预期分别达到 15 万美元和50 万美元。?到那时，它可能会变成一点点出售，将其重新投资到我们业务的 计算 和 Web3 方面，但同样，我们现在没有任何意图，也没有我们注意到的实际价格点。[2022/7/14 2:13:55]

相对其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说，在Layer2每个交易除了“执行”外，还需要生成证明，证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道，零知识证明的安全性在于”电路“的安全性。对于Layer2，每种交易的处理”固化“为电路，电路逻辑完全公开。对应于每种电路，存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明，符合固化电路的逻辑。

Messari：今年1季度共128家GameFi公司获得超12亿美元投资:7月10日消息，Messari表示，相较于其它加密子领域，风投对GameFi的投资更多，今年1季度共128家GameFi公司获得超12亿美元投资。（u.today）[2022/7/10 2:03:38]

关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式，供所有人查阅电路逻辑。简单的说，为了实现zkRollup，需要实现Layer2执行对应的电路。事实上，电路的实现相对复杂，没有高级语言，很多情况下都是手写R1CS。进一步，为了利用zk证明系统，为了优化电路的实现，整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构（merkle树）。所以，zkRollup的系统需要考虑电路的结构，从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现，不管是zksync/zkswap/loopring，都只实现了特定交易场景。

反过来说，如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行，需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易，再者，EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看，这方面会限制整个zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分（withdraw不考虑在内）：

Transaction Raw Data：在zksync中称为pub data。为了保证data availability，所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。

Layer2 Block管理：在Layer2提交区块状态时，Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。

验证Layer2 Block状态：在Layer2提交证明时，Layer1需要验证状态证明。

以一个区块350笔交易，每个交易的Transaction Raw Data的大小为20字节为例，一个区块处理的gas消耗：

虽然上述的数据不是精确值，但是足以说明交易原始数据在整个zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。从这个角度看，Layer2的有些项目选择通过其他链下的方式存储交易数据。

Optimistic Rollup兼容EVM。也就是说，Layer2支持可编程性，并且在以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了保证链上的状态正确，这两种方案都提供一段时间内的挑战机制。挑战者提供挑战的证据，Layer1抉择正确与否。

Optimism采用OVM执行Layer2交易。取名OVM是为了区分Layer1的EVM。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是说，Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。Optimistic Rollup最复杂的地方也在于此，用EVM模拟OVM，并执行Layer2的交易。可想而知，在Layer1的EVM模拟OVM的执行是比较繁琐，消耗较大的操作。

Arbitrum也是采用挑战机制。为了避免挑战的gas费用低，Arbitrum引入了AVM：

相对于EVM，AVM是一个相对简单的虚拟机。Arbitrum在AVM虚拟机上模拟EVM执行环境。也就是说，所有的Layer2交易都是在AVM执行，交易的执行状态可以用AVM状态表示。在提交到Layer1的状态有分歧时，挑战双方（Asserter和Challenger）先将状态分割，找出“分歧点”。明确分歧点后，挑战双方都可提供执行环境，Layer1执行相关操作确定之前提交的状态是否正确。在Layer1挑战的是AVM的状态，分歧点的AVM的指令执行。

简单的说，为了省挑战的gas费用，Arbitrum采用了精简的AVM（非常方便状态表示），通过快速分割，在链上只需要执行一个指令，判断状态是否执行正确。Arbitrum介绍文档中提到，整个挑战需要大概500字节的数据和9w左右的gas。在AVM的基础上，Arbitrum设计了mini语言和编译器，模拟了EVM的执行环境，从而兼容EVM。

总结：

Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。资金状态确定性时长，安全性，可编程性是目前讨论的焦点。zkRollup是资金状态确定性最快的方案。optimistic Rollup/侧链具有可编程性。zkRollup支持EVM的证明是个期待的方向。

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