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以太坊二層擴容之路:Plasma 衰落與 Rollup 崛起

撰文:Ashwin Ramachandran 與?Haseeb Qureshi,前者系區塊鏈風險投資機構 Dragonfly Capital 初級合伙人,后者為 Dragonfly Capital 管理合伙人

編譯:詹涓

那是 2017 年 8 月。以太坊原生代幣 ETH 的價格接近歷史最高水平,以太坊區塊鏈隨著使用量增加而爆棚,鏈條在不斷增長的需求下不堪重負,研究人員和開發人員正在瘋狂地尋找新的擴容解決方案。在世界各地的區塊鏈會議上,開發人員討論了不同的擴容建議。以太坊社區迫切需要一個解決方案。在這種狂熱中,Plasma 論文的首個版本發布,它承諾提供一個第 2 層擴容解決方案,稱其可以處理「全世界幾乎所有的金融計算」。

TechCrunch 關于 Plasma 的報道

讓我們再快進到 2020 年。以太坊還是跟從前一樣緩慢,但它卻戰勝了所有的所謂的「以太坊殺手」以太坊 2.0 的發布日期不斷推遲,隨著許多開發團隊偃旗息鼓,Plasma 似乎已經完全消失了

新的解決方案,如 optimisticZK rollup 被譽為最好的擴容解決方案。而關于 Plasma 的記憶,似乎消失得無影無蹤。

所以,是誰殺死了 Plasma?

讓我們把時間撥回到 2017 年初。以太坊第一次成為了主流,人們對不久的未來充滿無限的樂觀。有人聲稱所有有價值的資產不久將被代幣化。舊金山的各種聚會上只有站著的地方,每當提到以太坊,人群就會聚集。但是以太坊并沒有實現可伸縮性

在這股熱潮中,Vitalik ButerinJoseph Poon 發表了一篇論文,介紹了一種名為「Plasma」的新第 2 層擴容解決方案。

Vitalik?Buterin 和 Joseph Poon 在舊金山的一次會議上介紹 Plasma

Plasma 聲稱能令以太坊擴展到 Visa 級別的交易量,這種大膽的說法促使開發人員和社區興奮無比。不久后,以太坊的研究團隊聚集在 Plasma 周圍,將它視為解決以太坊可伸縮性問題的辦法。

但是到底什么是 Plasma,為什么它最終沒有兌現它的承諾呢?

Plasma 是如何運作的?

最初的 Plasma 白皮書描述了一種構造 MapReduce區塊鏈樹」的機制。樹中的每個節點都代表一個唯一的區塊鏈,這個區塊鏈連接到它的父節點,所有這些區塊鏈被安排在一個巨大的層次結構中。然而,最初的規范很模糊而復雜。在它發布后不久,Vitalik 在一篇新論文中簡化了這個規范,論文題為 MVP(Minimal Viable Plasma,最小可行化 Plasma)

Plasma 「區塊鏈樹」

MVP 提出了 Plasma 的簡化版本:一個簡單的基于 UTXO 的側鏈,在數據不可用的情況下能保持安全性。但什么是側鏈?數據不可用意味著什么?在深入研究 Plasma 之前,我們先來看看這些術語的含義。

側鏈,就是連接到另一個區塊鏈上的區塊鏈。側鏈可以通過許多不同的方式,比如由可信的第三方、某個聯盟或共識算法來運營。例如,Blockstream 在名為 Liquid 的比特幣網絡上參與一個聯盟側鏈。Liquid 在其信任模型中進行了權衡,因此能確保更高的事務吞吐量。用戶必須相信聯盟不會串通和竊取資金。在這種情況下,區塊鏈運營商是 Liquid 聯盟的各種成員,譬如 Blockstream 公司。

Liquid peg-in 和 peg-out 機制的可視化

一個側鏈通過雙向掛鉤連接到一個更大的區塊鏈(比如比特幣)上。用戶可以通過將資金發送到特定的地址或主鏈上的智能合約,將資金存入側鏈。這被稱為「peg-in」交易。要提取資金,用戶可以在側鏈上執行相同的操作,在主鏈上取回他們的資金。這被稱為 「peg-out」交易。

但這與 Plasma 有什么關系呢?

正如我們在上面的例子中所看到的,將資金移出側鏈需要一個關鍵的組成部分:信任。用戶必須相信側鏈運營商不會攜款潛逃。

但區塊鏈的主要特征不就是免信任嗎?如果用戶想要在無需信任其運營商的情況下與側鏈進行交互,該怎么辦?

這正是 Plasma 所要解決的問題。

Plasma 的設計最大限度地降低了側鏈運營商的信任要求。也就是說,即使運營商(或共識中的多數)行為不端,Plasma 也能防止資金被盜。

但即使運營商不能直接竊取資金,側鏈還有另一個問題。如果側鏈運營商發布了一個區塊頭,但拒絕發布底層交易數據,該怎么辦?這將阻止任何人驗證側鏈的正確性。

這個概念稱為數據不可用。Plasma 試圖在哪怕運營商拒絕提供交易數據的情況下,仍能確保用戶的安全——萬一運營商拒絕發布數據,所有用戶仍然可以取回他們的資金并退出側鏈。

Plasma 對其安全性和可伸縮性做出了很大的承諾,給人們帶來了希望。因此,在 2017 年的牛市中,人們普遍認為 Plasma 可以解決以太坊的可伸縮性問題也就不足為奇了。但隨著市場在 2018 年清醒起來,區塊鏈炒作轟然倒塌,有關 Plasma 的一幅更現實的圖景開始顯現。

在現實世界的部署中,Plasma 構成的問題比解決方案還多。

第一個問題是,每個用戶必須監控和驗證 Plasma MVP 鏈上的所有交易,以檢測惡意運營商的行為并及時退出。然而,事務驗證成本高昂,并且這種監視需求為參與 Plasma 鏈增加了大量開銷。

研究人員還意識到,用戶很難退出 Plasma 鏈。當用戶試圖從 Plasma MVP 鏈中提取資金時,他們必須提交退出交易請求,然后等待一段時間。這就是所謂的挑戰期。在挑戰期的任何時候,任何用戶都可以通過提供退出無效的證明來挑戰另一個用戶的退出(例如,他們正在鑄造假代幣或偷別人的代幣)。因此,所有的退出只能在挑戰期結束后處理,一些挑戰期會長達 1 周。

但情況發展得更糟。

記住一點,即使運營商扣下數據,我們也希望用戶能夠從 Plasma 鏈中提取資金。MVP 是這樣處理的:如果 Plasma 交易數據被扣留,每個用戶需要根據 Plasma 鏈的最后有效狀態來退出并獲得資金。(注意:為了避免惡意運營商搶占誠實用戶的先機,退出的優先級是根據它們最后交易的時間排序的。)

以太坊存儲的增長

在最壞的情況下,如果所有用戶都需要退出一個 Plasma 鏈,那么該鏈的整個有效狀態必須在一個挑戰期內發布到以太網主網上。考慮到 Plasma 鏈可以任意增長,而以太坊區塊已經接近其容量,幾乎不可能將整個 Plasma 鏈傾倒到以太坊的主網上。因此,幾乎可以肯定的是,大量退出會把以太坊擠爆。這就是所謂批量退出問題。

隨著 2018 年價格開始暴跌,以太坊的追隨者開始意識到 Plasma MVP 并不是他們所期望的那種萬試萬靈的可伸縮性解決方案。根本沒有辦法克服它的弱點。Plasma MVP 是一個死胡同。以太坊仍然將在它的事務負載下掙扎,而以太坊 2.0 離我們還有很多年。

下一代 Plasma

2018 年年中,隨著價格持續下跌,以太坊的研究社區繼續嘗試改進 Plasma,反復研究 Plasma MVP 的設計。他們提出的新版本被稱為 Plasma Cash

據其主要設計者 Vitalik Buterin?稱,Plasma Cash 將允許每秒任意高的交易量,并解決困擾其前身的問題。有些人甚至聲稱,這種新設計可以達到每秒數十萬的交易。

首先,讓我們記住 Plasma MVP 的問題。

  1. 在運營商行為不當的情況下,存在批量退出問題

  2. 用戶必須等待整個挑戰期結束才能取錢

  3. 用戶必須監控 Plasma 鏈上的所有交易

Plasma Cash 與 MVP 相比,有一個主要的優勢:通過使用不同的數據模型,Plasma Cash 可以完全避免批量退出的問題。在 Plasma Cash 中,所有代幣都被表示為非同質代幣?(NFT),這使得證明一套代幣的所有權變得更加容易。簡單來說,用戶有責任證明自己而非他人擁有對代幣的所有權。因此,用戶只需要監控他們自己的代幣,而不是整個 Plasma 鏈。

Plasma Cash 還提出了一種新的交互式挑戰系統,允許用戶在運營商行為不當的情況下輕松提取資金。利用一種新的 Merkle 樹結構,即「稀疏 Merkle 樹」,用戶可以使用包含證明輕松地驗證代幣的歷史和所有權。在運營商行為不當的情況下,用戶只需要發布他們目前擁有的代幣的鏈上證明包括 2 個最近的交易和相應的包含證明)

然而,Plasma Cash 帶來了一系列新的問題。

  1. 首先,惡意用戶或代幣過去的所有者可能會做出錯誤的取款嘗試。因為用戶需要證明他們擁有自己的代幣,所以實際上是由這些用戶來發現并質疑自己的錢被騙走。因此,和 Plasma MVP 一樣,Plasma Cash 要求用戶每兩周至少上線一次,以及時在挑戰期內發現錯誤取款

  2. 此外,為了證明代幣的所有權,用戶必須維護該代幣的全部歷史記錄和相應的包含 / 排除證明,導致存儲需求不斷增加

到 2018 年底,ETH 的價格已跌至谷底,烏托邦式的樂觀主義不復存在。Plasma Cash 雖然比 MVP 有所改進,但并不是以太坊當年所承諾的 Visa 規模的解決方案,它的 MapReduce「區塊鏈樹」 現在只是一個白日夢。大多數為 Plasma Cash 開發客戶端的公司都已經將工作擱置,而且其實現都處于半完成狀態。

以太坊社區陷入了僵局。雖然新的 Plasma 架構繼續出現,并較其前輩略有改善,但以太坊社區未能團結一致支持其中任何一個架構。

Plasma 似乎已經死了。

Rollup 現身

就在人們對第 2 層的信心觸底之際,一位化名為 Barry Whitehat 的用戶在 GitHub 上公開了名為「roll_up」的方案。該報告描述了一種新類型的第 2 層擴容解決方案:一個類似于 Plasma 的架構,并可「打包」交易,它無需依賴于對運營商的信任,打包的正確性可以通過使用一個 SNARK 的鏈上證據來證明。

此 SNARK 確保運營商不可能發布惡意或無效的事務,并確保所有側鏈區塊都是有效的。

不久后,Vitalik Buterin?對 Barry 的方案發布了一個改進版,他稱之為 zk-Rollup。zk-Rollup 成為了以太坊論壇上瀏覽量最高的帖子之一。Vitalik 建議引入一種解決方案來避免困擾 Plasma 的數據可用性問題:在以太坊區塊鏈上發布側鏈交易數據。

將交易數據作為函數參數發布意味著可以在發布時對其進行驗證,隨后將其丟棄,這樣就不會占據以太坊的存儲空間。zk-Rollup 可以在不犧牲可負擔性或安全性的情況下,避免 Plasma 的退出游戲和挑戰期。有了 zk-Rollup,人們可以使用新的密碼學一次性解決 Plasma 的所有第 2 層擴容難題。

Vitalik 的 zk-Rollup 帖文

但是 zk-Rollup 有它自己的一套權衡方案。生成有效性證明在計算上很昂貴。這些 zk-SNARK 會在每個區塊生成,生成時間可能長達 10 分鐘,而每次驗證的成本高達 350,000 gas(伊斯坦布爾升級后),這大約占整個區塊的 3.5%(在伊斯坦布爾升級前占到了 8%)

此外,目前無法在 zk-Rollup 側鏈上部署通用智能合約。目前正在開發專門的零知識虛擬機,如 zkVMZEXE,但在與之交互時仍然需要大量的專門知識。在大多數情況下,zk-Rollup 限制了一般的可編程性

zk-Rollup 可視化,Georgios Konstantopoulos 制圖

2019 年年中,這些新進展為以太坊的研究社區重新注入了活力。zk-Rollup 似乎解決了困擾第 2 層的許多問題。像 Matter Labs(我們的投資組合公司之一)LoopRing 這樣的公司開始積極地開發 zk-Rollup,現在這兩家公司都已有測試網進行實現。通過優化,Matter Labs 相信它可以在 ZK 同步網絡上達到 2,000 TPS。

「樂觀(optimism)」是一劑良藥

但并不是所有人都把希望寄托在 zk-Rollup 上。在第一個 zk-Rollup 規范發布一年后,John Adler 和 Mikerah 引入了一個他們稱為「合并共識(Merged Consensus)的設計。合并共識使得鏈下的共識系統可以完全在以太坊上驗證,而不需要任何花哨的零知識加密。Plasma 團隊其后發布了合并共識設計的擴展版本,并添加了現在有些聲名狼藉的名字:Optimistic Rollup

zk-Rollup 依賴于 zk-SNARKs 來驗證和完成每個區塊,而 Optimistic Rollup 采用不同的方法:你何不假設每個區塊都是有效的呢?

當每個人都表現得很誠實時,這在「快樂路徑」中很有效,但是我們知道運營商可能會行差踏錯。那么 Optimistic Rollup 又將如何處理運營者的錯誤行為呢?

「樂觀(optimistic)」的答案是使用欺詐證明。欺詐證明是運營商執行無效操作的計算證明。如果運營商發布了一個無效的狀態轉換,任何人都可以提交一個證明,證明該轉換無效,然后恢復那些事務(大約 1 周的時間)。由于這些證明是非交互式的,它們可以由任何人發送:不需要由用戶監控自己的代幣的安全性。

然而,與 zk-Rollup 不同的是,Optimistic Rollup 需要 3-5 倍的事務數據才能完成。這些數據主要包括簽名數據(zk-Rollup 不需要這些數據,因為它在零知識中驗證了那些數據)之類的見證。在最好的情況下,除非提交欺詐證明,否則樂觀匯總交易永遠不需要驗證。然而,對鏈上見證進行驗證和發布很昂貴,并且開發人員已經探索了允許廉價的大規模驗證和減少事務數據需求的聚合簽名機制。這種優化可以將 Optimistic Rollup 的理論 TPS 從目前的約 450 TPS 一直增加到潛在的約 2,000 TPS。

Optimistic Rollup 提供了一組與 zk-Rollup 非常不同的權衡。它們的成本較低(假設欺詐帶來的挑戰極其罕見)但是它們的安全性較差,換句話說,一直存在不正確地應用事務、之后再予以恢復的可能性。這個安全窗口可以長達一個星期。因此,用戶在這個安全窗口期無法退出(否則,他們可能會拿著別人的資金跑掉)

然而,可以通過引入二級市場來改善這些退出問題。用戶可以將他們的退出權出售給第三方流動性提供者,以換取少量的費用。(流動性提供者將因持續一周的流動性不足而獲得回報)。這將允許用戶立即退出 rollup 鏈。

雖然 zk-Rollup 需要程序員理解復雜的約束系統和高級密碼學,但 Optimistic Rollup 允許通用智能合約部署(例如 Solidity)。這意味著像 Uniswap 這樣基于智能合約的協議可以建立在 Optimistic Rollup 側鏈之上。

Rollup 系列解決方案為解決 Plasma 的數據可用性問題和退出復雜性提供了類似的方法,但都有可能極大地擴展 Plasma 的結構。例如,IDEX 已經構建并部署了他們自己的 Optimistic Rollup 版本,并在這個結構上運行了一個去中心化交易所 (DEX)。同樣,Fuel Labs 也建立了 Optimistic Rollup 的一個版本,允許 UTXO 風格的支付和 ERC-20 代幣交換。Plasma Group(如今的 Ethereum Optimism),最近宣布他們把重點放在 Optimistic Rollup,并致力于在他們的平臺(通過他們的 Optimistic Virtual Machine 建設)上提供通用智能合約性能。

上升的一切必然匯合

Plasma 最終不僅僅是一個協議。在非理性繁榮時期,Plasma 是以太坊需要相信的故事。但事后看來,它所宣稱的無限擴容是一種技術上的傲慢。只有在隨著 Plasma 發展的過程中,我們才能深刻地認識到第 2 層擴容所固有的權衡。

ETH 的價格在去年有所反彈,人們對 ETH 的未來也持樂觀態度。經過近三年對安全、可擴展和穩健擴容解決方案的探索,以太坊研究社區最終圍繞 rollup 進行了聚合。Plasma 和它的兄弟們最初的嘗試是高尚的,但一群創新者最終創造出了更現實的第 2 層設計,這似乎解決了 Plasma 最糟糕的問題。

?一些以 Plasma 為重點的研究小組,如 Plasma Group,已經著手研究 Optimistic Rollup 解決方案。但是我們認為,尋找最終的第 2 層擴容解決方案才剛剛開始。這個領域已經涌現出了許多競爭者,我們希望這仍然是一個活躍且令人興奮的研究和開發領域。

感謝 Tom Schmidt、Georgios Konstantopoulos 和 Ivan Bogatyy 審讀本文初稿。

本文作者授權鏈聞翻譯并發布該文中文版本。

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文章作者: / 責任編輯: 我要糾錯

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