以太坊:以太坊 Layer 2 资产桥方案解析：Arbitrum、zkSync 与 DeGate Bridge

本文作者：DeGate。

以太坊自2015年诞生以来，快速成长为最活跃、最繁忙的区块链，无论是从应用的丰富性、链上的资产规模还是从交易量、安全性等指标看，以太坊都是当前无可争议的公链之王。而随着以太坊生态的快速发展，特别是DeFi的彻底引爆，导致原本设计的吞吐量严重不足，根据etherscan.io的每日交易数据统计，当前以太坊TPS在17左右，动辄几十甚至上百美元的Gas费和超长的交易等待时间成为限制以太坊生态进一步蓬勃发展、进入主流世界的主因。

长期以来，整个以太坊社区都在为解决吞吐量和高昂手续费问题而努力，其中一个主要解决方案即以太坊2.0，它将大幅增加每秒交易数量，并将最快于2021年底发布；而如EIP-1559提案，则希望对交易手续费计费方式进行调整，来变相达到降低Gas费用的目的。

与此同时，有一个声音出现了：真的有必要将所有交易都放在主链上计算处理么？

Layer2简介

将本应在以太坊主链即Layer1上处理的交易，转移到Layer2上处理，随后再将结果从L2传回L1确认，我们将这种解决方案称为以太坊Layer2。L2的理论TPS达到了2000-4000，这已经超越了Visa的处理能力——每秒1700笔交易。因此，许多人认为L2方案是以太坊赢得主流用户的关键。

币安发布支持以太坊合并的公告，届时将暂停ETH和ERC-20代币的充提业务:8月25日消息，币安发布关于支持以太坊合并计划的公告，称以太坊Bellatrix升级和合并预计将于北京时间9月6日19:34:47和9月15日8:30进行，币安届时将暂停ETH和ERC-20网络代币的充值、提现业务。

此外若硬分叉后并未产生新的代币，币安将尽快恢复ETH和ERC-20网络代币的充值、提现业务，并另行公告；若硬分叉后产生两条互相竞争的区块链并产生一种新的代币，“ETH”代码将会被用于以太坊PoS链，币安还将根据执行层升级前的ETH的持仓快照（预计于以太坊主网区块高度15540293或北京时间9月15日8:30），以1:1的比例从更少工作完成的链中向用户分发分叉的代币，并将会支持分叉代币的提现业务，关于分发的细节将另行公告说明。[2022/8/25 12:48:45]

目前存在的L2方案，主要包括以下几个：

OptimisticRollups：数据上链、欺诈证明。应用团队包括?Optimism、OffchainLabsArbitrumrollup、FuelNetwork；

ZKRollups：数据上链、零知识证明。应用团队包括Loopring、Starkware、MatterLabs?zkSync、Aztec2.0；

数据：以太坊桥TVL达到115.3亿美元:金色财经报道，DuneAnalytics数据显示，以太坊桥当前TVL达到115.3亿美元。其中锁仓量最高的5个桥分别是Polygon Bridges（41.4亿美元）、Arbitrum Bridges（24.7亿美元）、Avalanche Bridge（20.8亿美元）、Near Raibow（11.6亿美元）、Fantom Anyswap Bridge（10.2亿美元）。[2022/6/5 4:02:44]

Validium：数据链下保存、零知识证明。应用团队包括Starkware、MatterLabszkPorter；

Plasma：数据链下保存、欺诈证明。应用团队包括OMGNetwork、MaticNetwork、Gazelle、LeapDAO；

StateChannels:应用团队包括Connext、Raiden、Perun.

需要重点指出的是，侧链方案因为其共识安全性没有继承L1，所以我们并不认为侧链属于L2方案。

在众多方案中，Rollups正逐步取得市场的认可，成为以太坊最可靠的扩容解决方案，一方面该方案直接继承了L1的共识机制和安全特性，另一方面它也不会损害L1的安全性和主权。事实上，Vitalik直言不讳的说过，Rollup是以太坊长期扩容解决方案中可以最快被实现的一个。而Rollups的两种方案OptimisticRollups和ZKRollups最大的区别是它们分别使用了欺诈证明(fraudproofs)和有效性证明(validityproofs)来确保batches里的后状态根(post-stateroot)的正确性。

马斯克：从来没有完全理解以太坊智能合约:12月29日，马斯克在接受播客主 Lex Fridman 采访时表示，其个人对一般参与交易的事物均有清楚的了解，但从来没有完全理解以太坊智能合约的事情。

此外，Elon Musk 还表示虽然自己不知道中本聪是谁，但其认为 Bit Gold 和数字智能合约发明者尼克·萨博对比特币想法演变“负有更大的责任”，尽管尼克·萨博自己声称不是中本聪。（福布斯）[2021/12/29 8:11:01]

对于Rollups方案而言，如何将资产从L1存入L2，再从L2提回L1，更进一步的，如何从一个L2网络提取到另一个L2网络，是一个核心问题，我们将承担这一责任的基础设施称为桥。

原生桥实现

我们研究了当前主流的Rollup方案的原生桥实现原理，并从Optimistic和zkSync方案中各选取一个代表，进行对比。

Arbitrum

Arbitrum协议利用其L1、L2之间的通信能力，理论上可以无须信任的将任意形式的以太坊资产在L1、L2之间转移。当将资产从L1转入L2时，资产被存入一个L1上的Arbitrum桥合约中，之后一笔相同数量的资产在L2上被铸造并存入指定地址；而将资产从L2转回L1时，资产将在L2上被销毁，随后等量的资产将在L1的桥合约中变为可用。此外，从L2赎回资产到L1时，有一个关键性的区别是，用户发送交易后，必须等待一个挑战期的结束，才能最终在L1上执行。这是由OptimisticRollup安全模型决定的。

以太坊未确认交易为128,643笔:金色财经消息，据OKLink数据显示，以太坊未确认交易128,643笔，当前全网算力为251.35TH/s，全网难度为3.33P，当前持币地址为49,238,767个，同比增加145,183个，24h链上交易量为3,158,803.07ETH，当前平均出块时间为13s。[2020/10/28]

值得注意的是，官方建议使用「可重试票据RetryableTickets」机制进行L1、L2之间的通信。可重试票据的运作方式大致如下：L1向L2发起的交易首先被存入inbox中，并附带calldata、callvalue、gasinfo等交易参数。当这笔交易首次执行失败后，它将被放入L2的「重试缓冲区」中，这意味着在一段时间内，任何人都可以通过重新执行这笔交易来赎回票据。L2至L1的重试交易没有时间限制，争议期结束后的任何时间点都可进行。

这种机制设计主要是为了应对这样的场景：当某个用户希望将某笔token从L1存入L2，首先会将这些token存入L1的桥合约中，同时在L2上铸造等量的token。假设L1上的交易已经完成，但是L2上的交易却因为手续费不足失败了，这会导致一个严重问题：用户在L1上的token已经转出，但是在L2上却没收到token，实际上，这些token被锁在了L1的合约里。通过可重试票据机制，用户，可以在一周内，使用足够的手续费重新执行这笔交易，并最终在L2上获得token。

数据：灰度以太坊信托基金溢价一度达750%:根据加密分析公司Messari最近公布的数据显示，灰度投资旗下的以太坊投资信托基金（ETHE）的价格比其标的资产在二级市场的市价溢价750%。自今年年初以来，灰度基金的溢价已经大幅扩大，2月份ETHE的价格是ETH现货价格的220%。ETHE对ETH提供了敞口，而投资者无需处理或托管加密货币，深受机构投资者的青睐。

ETHE最近的交易价格相当于每个ETH 2905美元，比ETH现货的历史最高价格高出46%。近几个月来，ETHE相对于ETH的溢价持续扩大，4月初，ETHE比ETH现货价格高出550%。在ETH 2.0推出之前，扩大的价差似乎是由机构对ETH日益增长的需求所导致，到目前为止，灰度在2020年购买了价值1.1亿美元的ETH。在最近的一次采访中，灰度的投资者关系主管Ray Sharif Askary指出，灰度38%的客户目前拥有不止一种加密资产，高于一年前的9%。（Cointelegraph中文）[2020/6/15]

以下是Arbitrum原生桥的基本步骤：

L1->L2

用户从L1发起Deposit交易

资产存入L1合约，交易被批量存入Inbox中

交易在L2被执行，铸造资产转入指定地址

如果交易失败，则交易被存入L2的重试缓冲区，用户可以在一个挑战期内发起重试

L2->L1

用户在L2发起Withdraw交易

L2链将在一定时间内收集到的交易打包，生成默克尔树，并将根节点作为OutboxEntry发布到L1的Outbox中

用户或者任何人可以对根节点和交易信息进行默克尔验证

挑战期结束后，用户即可在L1完成交易，如果交易失败，则用户可以发起重试

详情可参考?官方文档。

zkSync

在桥实现上，zkSync和Arbitrum相比，主要的区别在于Withdraw时，对交易的验证采用了基于零知识证明的有效证明，而非欺诈证明，其基本步骤为：

L2—>L1

用户在L2发起Withdraw交易：将交易数据编码为字节串，并使用正确的zkSync私钥对该字节串进行签名，并为交易描述生成Ethereum签名或提供EIP-1712签名，通过相应JSONRPC方法发送交易

发送交易到L1：交易进入zkSyncoperator创建的区块，并发布到L1上的zkSync智能合约中

对区块进行验证：若干分钟后，证明该区块正确性的ZKproof将生成，该proof会通过一个验证交易发布到L1上，直到这个验证交易完成，Withdraw交易完成

详情可参考?官方文档。

可以发现，在退出时间上，zkRollup方案明显优于OptimisticRollup方案，但由于zkRollup要实现完全兼容EVM尚需时日，所以预计OptimisticRollup仍然会成为前期主流L2方案。也正因此，利用第三方桥来解决OptimisticRollup退出期太长的问题，来带给用户更好的使用体验，成为一些团队努力的目标。

DeGateBridge设计理念和实现原理

DeGateBridge的目标是在Rollup生态早期能够帮助以太坊资产迁移门槛最大程度的降低，服务基于以太坊Rollup的二层基础设施的应用大规模落地。我们认为在现阶段基础设施条件下，优秀且足够好的流动性解决方案需要具备:

第一，能够通过市场方式对不同层的流动性分布进行自动调节。第二，能够实现资金效率最大化的0资金冻结的非预付方案。第三，最低的Gas消耗和最优的用户体验也至关重要。

DeGateBridge基于优化稳定币AMM曲线和交易市场的方式实现跨层资产转移的快速通道，受限于提供L2状态的预言机的咱不完善，首期的DeGateBridge将通过中心化托管资产的方式实现，当以太坊L2上出现成熟的预言机服务后，DeGateBridge将转向以去中心化的方式实现资产的桥接。

DeGateBridge详细方案设计，可参考文章：基于低滑点AMM曲线的跨Rollup流动性方案

Bridge方案对比

在这一小节中，我们将对已上线生产或者测试网的原生Bridge和DeGateBridge进行实测，并主要考察以下几项指标：

上下桥Gas费用；

上下桥时效性；

操作复杂度；

我们在测试中统一使用ERC20代币而非ETH，同时我们按ETH价格$4000，GasPrice为100Gwei对手续费进行拟合。

最终对比结果如下

Withdraw手续费计算方式说明：

Optimism(SNX)：提币操作会聚合多笔交易，按总手续费除以交易笔数计算

Arbitrum(Testnet)：二层费用不计，只计算一层交易消耗Gas费

zkSync：费用在二层以多种token支付，通过一层到账交易计算大概成本

DeGateBridge：费用在二层以多种token支付，通过一层到账交易计算大概成本

通过对比可见：

时效性：OptimisticRollup的下桥时间普遍需要2天-1周，表现较差，DeGateBridge的表现较好，接近即时；

Gas费用：Optimism表现最差，DegateBridge的手续费消耗最少，特别是还节省了Approve的手续费；

操作复杂度：DeGateBridge可以在无需用户Approve的情况下直接交易，对用户体验更加友好；

展望

我们相信Layer2和以太坊2.0的相继落地，将有机会成为以太坊的二次增长曲线，使以太坊进化为承载数万亿美元规模的经济带宽。而L2Bridge将作为区块链基础设施之一，在这一进程中发挥重要的作用。

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