作者：ZKSwap

引言

最近一段時間，基於以太坊的Layer2產品可謂是層出不窮，市場表現極為火熱。不知大家注意沒有，每個產品推出時都會介紹“其產品是基於某種主流Layer2方案，具有何種優勢，可以給產品、某方面給用戶帶來更好體驗”等類似的宣傳語句。有心的讀者或許會深思，這些方案到底是什麼方案呢？背後的原理究竟如何？是否存在劣勢？今天， ZKSwap團隊就帶領大家縱覽Layer2全局，以技術為基礎細分整個產品市場並深度剖析背後的技術原理。

Layer2 概覽

相信之前有諸多文章已經介紹，根據數據的存儲方式和交易有效性的證明方式的不同， Layer2方案可以被劃分為四大類，如下圖所示：

圖1. Layer2方案劃分

數據存在鏈上，即具有鏈上數據可用性的方案有： ZK-Rollup 、 Optimistic Rollup;

數據存在鏈下，即不具有鏈上數據可用性的方案有： Validium 、 Plasma ；

用零知識證明來主動保證交易有效的方案有： ZK-Rollup 、 Validium ；

用戶需提交欺詐證明來主動驗證交易有效的方案有： Optimistic 、 Plasma ；

隨著Layer2技術的不斷發展， Plasma和Validium方案在市場上逐漸的失去了聲音。絕大部分產品都是基於其他兩種方案上實現的，因為兩種方案的優缺點比較明顯，因此項目方會根據不同的考量來選擇不同的方案，下面我們將通過一張表格來呈現整個Layer2上的情況：

從表格中可以看出有有兩個被標記的方案：

由Offchain Labs研發的ARU擴展方案，和ORU方案一樣被歸類於Optimistic Rollup的範疇，但與ORU主要的不同之處在於欺詐證明的交互過程，這將在後續的技術剖析環節給與分析；

本篇主要剖析ORU和ARU的挑戰原理，以更好的呈現它們之間的主要差異。

Optimistic Rollup(ORU) -- Fraud Proof 欺詐證明

首先簡單介紹ORU協議裡的兩個概念：

CTC( Canonical Transaction Chain ) ：存儲所有的交易信息，保證了數據可用性（更細節的描述可以參考鏈接Optimistic Details ）。

STC( State Commitment Chain ) ：存儲了一系列的狀態根，和CTC裡的交易順序逐一對應（更細節的描述可以參考鏈接Optimistic Details ）。

兩者的關係如下圖所示：

0為初始狀態根，圖中綠線表示：交易Tx1執行後，狀態根由S0 => S1 。這些操作都是由sequencer來執行， sequencer在ORU協議裡扮演者重要角色，主要負責三件事情：

1.接受來自用戶的交易；

2.將這些交易rollup ，並添加到CTC上；

3.計算每筆交易提交後的狀態根並添加到STC上；

假如sequencer作惡，提交了錯誤的狀態根（後續的狀態根自然也是無效的），如下圖所示， Verifier如何驗證sequencer作惡呢？

Verifier的挑戰過程主要分為三個步驟：

1.宣稱要挑戰的交易，並且提供在此交易執行前的狀態根；

2.上傳L2上所有和該交易相關的狀態到L1 （因為挑戰的思想是在L1上重新執行L2上已經執行過的交易，並比較執行後的狀態）；

3.在L1重新執行挑戰的交易，計算新的狀態根，並判斷sequencer是否作惡；

如果sequencer確實作惡，那麼將罰沒其押金，並將其部分獎勵給verifier 。  

Optimistic具有的缺陷是：

1.由於不是主動保證交易的有效性，因此sequencer提交的每一次狀態更新都要設置挑戰期，大概在一周左右，時間太長；

2.用戶挑戰的成本很高，具體包括：（ 1 ） 發送所有和挑戰交易相關的數據到L1 ；（ 2 ）在L1的EVM上執行該筆交易，並更新狀態根；

優點：

1.兼容EVM ；

Arbitrum Rollup(ARU) -- Fraud Proof

ARU協議的設計和ORU大體相似，主要的區分在挑戰機制上。在ORU協議裡， sequencer和verifier之間只有一次交互，即sequencer提交一次狀態轉換， verifier去完成後續的挑戰。由於sequencer宣稱就是“初始狀態為Si ，執行完交易Txi後，狀態根變為Si+1” 。因此，在L1上不得不完整的執行整個交易。

ARU的協議對以上過程進行了優化，實際上，在L1上執行交易的過程，其實就是在虛擬機上執行某些指令的過程； ARU協議認為，整個交易執行的過程中，狀態更新的失敗，必定是其中的某些指令執行的失敗，因此，只需要證明sequencer在執行某條指令時出現異常，那就可以證明sequencer作惡。具體的過程如下圖所示：

注：在ARU協議裡， Asserter對應ORU協議裡的sequencer ， Challenger對應ORU協議裡的verifier 。

據上所知：

1. Asserter和Challenger間進行了多次的交互，交互次數和n成對數關係；

2.把驗證整個交易的執行過程，簡化成了單純的驗證一條指令，大大的節省了驗證成本；

3.同樣兼容EVM ；

當然， ARU協議仍然有很多細節還未在本篇文章裡說明，本篇不打算過多介紹，內容已經很長，如果讀者想了解ARU更多細節，請參考offchainlabs的官網。

寫在最後

雖然以Optimistic Rollup (ORU)路線為主的Layer2擴容方案逐漸的被市場上更多的產品所接受，但是未來的Layer2擴容終極方案仍然是兼容EVM的zkRollup (ZRU) 。目前的Layer2的產品市場上，對於EVM的兼容性比安全性和效率更受關注，當然完美的方案是兼容EVM的zk rollup ；在此之前， Layer2擴容方案應該會在一段時間內在兼容性和安全性之間權衡選擇。這有利於Layer2擴容技術的發展， Offchain Labs做了很好的榜樣；當然， ZKSwap團隊也會持續研究探索，按照ZKSwap的路線圖，將在今年發布兼容EVM的ZK Rollup版本，取得更好的可組合性和安全性，而不用像O ptimistic的解決方案，通過犧牲一定的安全性來實現與EVM的兼容。