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（合約操作佔比較大降低了這一數值），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，並將最快於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麼？

Layer2 簡介

將本應在以太坊主鏈即Layer 1 （L1）上處理的交易，轉移到Layer 2 （L2）上處理，隨後再將結果從L2 傳回L1 確認，我們將這種解決方案稱為以太坊Layer 2。 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。

目前存在的L2 方案，主要包括以下幾個：

  • Optimistic Rollups：數據上鍊、欺詐證明。應用團隊包括Optimism 、Offchain Labs Arbitrum rollup、Fuel Network；
  • ZK Rollups ：數據上鍊、零知識證明。應用團隊包括Loopring、Starkware、Matter Labs zkSync 、Aztec 2.0；
  • Validium ：數據鏈下保存、零知識證明。應用團隊包括Starkware、Matter Labs zkPorter；
  • Plasma ：數據鏈下保存、欺詐證明。應用團隊包括OMG Network、Matic Network、Gazelle、Leap DAO；
  • State Channels: 應用團隊包括Connext、Raiden、Perun.

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，所以我們並不認為側鏈屬於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Optimistic Rollups 和ZK Rollups 最大的區別是它們分別使用了欺詐證明(fraud proofs) 和有效性證明(validity proofs) 來確保batches 裡的後狀態根(post-state root) 的正確性。

對於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（Bridge）。

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，並從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（包括Ether、ERC20、ERC721 等）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，之後一筆相同數量的資產在L2 上被鑄造並存入指定地址；而將資產從L2 轉回L1 時，資產將在L2 上被銷毀，隨後等量的資產將在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，用戶發送交易後，必須等待一個挑戰期的結束，才能最終在L1 上執行。這是由Optimistic Rollup 安全模型決定的。

值得注意的是，官方建議使用「可重試票據Retryable Tickets」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，並附帶calldata、callvalue、gas info 等交易參數。當這筆交易首次執行失敗後，它將被放入L2 的「重試緩衝區（retry buffer）」中，這意味著在一段時間內（通常為一個挑戰期，即大約一周），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，爭議期結束後的任何時間點都可進行。

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 的合約裡。通過可重試票據機制，用戶（或者其他任何人），可以在一周內，使用足夠的手續費重新執行這筆交易，並最終在L2 上獲得token。

以下是Arbitrum 原生橋的基本步驟：

L1 ->L2

  1. 用戶從L1 發起Deposit 交易
  2. 資產存入L1 合約，交易被批量存入Inbox 中
  3. 交易在L2 被執行，鑄造資產轉入指定地址
  4. 如果交易失敗，則交易被存入L2 的重試緩衝區，用戶可以在一個挑戰期內發起重試

L2 -> L1

  1. 用戶在L2 發起Withdraw 交易
  2. L2 鏈將在一定時間內收集到的交易打包，生成默克爾樹，並將根節點作為OutboxEntry 發佈到L1 的Outbox 中
  3. 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
  4. 挑戰期結束後，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，主要的區別在於Withdraw 時，對交易的驗證採用了基於零知識證明的有效證明，而非欺詐證明，其基本步驟為：

L2—>L1

  1. 用戶在L2 發起Withdraw 交易：將交易數據編碼為字節串，並使用正確的zkSync 私鑰對該字節串進行簽名，並為交易描述生成Ethereum 簽名或提供EIP-1271 簽名，通過相應JSON RPC 方法發送交易
  2. 發送交易到L1：交易進入zkSync operator 創建的區塊，並發佈到L1 上的zkSync 智能合約中
  3. 對區塊進行驗證：若干分鐘後，證明該區塊正確性的ZK proof 將生成，該proof 會通過一個驗證交易發佈到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，zk Rollup 方案明顯優於Optimistic Rollup 方案，但由於zk Rollup 要實現完全兼容EVM 尚需時日，所以預計Optimistic Rollup 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Optimistic Rollup 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。

DeGate Bridge 設計理念和實現原理

DeGate Bridge 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，服務基於以太坊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佈進行自動調節。

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。

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

DeGate Bridge 詳細方案設計，可參考文章：基於低滑點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DeGate Bridge 進行實測，並主要考察以下幾項指標：

  • 上下橋Gas 費用；
  • 上下橋時效性；
  • 操作複雜度；

我們在測試中統一使用ERC20 代幣而非ETH （ETH 無須Approve，且手續費更便宜），同時我們按ETH 價格$4000，Gas Price 為100Gwei 對手續費進行擬合。

最終對比結果如下

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

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
  • DeGate Bridge：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：Optimistic Rollup （包括Optimism 和Arbitrum）的下橋時間普遍需要2 天-1 週，表現較差，DeGate Bridge 的表現較好，接近即時；
  • Gas 費用：Optimism 表現最差，Degate Bridge 的手續費消耗最少，特別是還節省了Approve 的手續費；
  • 操作複雜度：DeGate Bridge 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万億美元規模的經濟帶寬。而L2 Bridge 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。