以太坊layer-2技術(shù)的核心設(shè)計(jì)理念

以太坊Layer-2簡介

Layer-2擴(kuò)展技術(shù)將交易移出鏈上（與layer-1擴(kuò)展技術(shù)相反，后者旨在提高基礎(chǔ)鏈的交易吞吐量）。如果構(gòu)建得當(dāng)，Layer-2解決方案可利用區(qū)塊鏈的諸多好處（安全性、不可變性、去中心化性等），而不會造成相同的代價(jià)（確認(rèn)時(shí)間慢、波動(dòng)性和高交易成本等），這種權(quán)衡和假設(shè)是值得的。

在以太坊上構(gòu)建的layer-2擴(kuò)展技術(shù)的驅(qū)動(dòng)原理是使用欺詐證明，而非有效性證明。有效性證明（如zk-S［NT］ARKS）可用于防止鏈外發(fā)生不正確的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。不幸的是，除了資源極為密集之外，有效性證明是壟斷性的，其非競爭性生成，因此以有效性證明為中心的系統(tǒng)會趨向于被許可，因此不會去中心化。要了解“去中心化”意味著什么，請參閱前面關(guān)于可擴(kuò)展性問題的文章。也許更重要的是，有效性證明只有在實(shí)現(xiàn)無缺陷的情況下，才有其良好的屬性，否則它們的表現(xiàn)無法比欺詐證明更好！

另一方面，欺詐證明在本質(zhì)上是樂觀的：我們假設(shè)在挑戰(zhàn)證明不正確之前，一切都是正確的。這些證明的生成，通常是簡單和廉價(jià)的（特別是與生成有效性證明相比），因此任何人都可以參與。

過去幾年，以太坊的兩大主要擴(kuò)展提案分別是子鏈（即Plasma）和狀態(tài)通道（例如雷電網(wǎng)絡(luò)等）。

Plasma

Plasma是子鏈設(shè)計(jì)的一個(gè)框架。Konstantopoulos將Plasma子鏈描述為“非托管側(cè)鏈”。

該定義規(guī)定：1）該側(cè)鏈不能竊取你的資金，2）該側(cè)鏈不能阻止你申請資金。這是通過使用一個(gè)無需信任（或者說幾乎是無需信任的）的雙向錨定來實(shí)現(xiàn)的。

子鏈的一個(gè)更精確的定義是：“無需信任的側(cè)鏈通過定期承諾，從其父鏈借用安全性?！?/p>

雙向錨定一直是最大的挑戰(zhàn)。前向錨定（父鏈→側(cè)鏈）的實(shí)現(xiàn)是很簡單的：其只需將資金鎖定到父鏈上的合約當(dāng)中。但是，由于側(cè)鏈比父鏈更容易受到攻擊/操作，因此，后向錨定（側(cè)鏈→父鏈）是問題的根本原因。為解決這一問題，研究者們提出了幾種方法（列出的方法非詳盡）：

1. 只支持單向錨定。這可以防止側(cè)鏈上的任何人惡意竊取父鏈上的資金。這種設(shè)計(jì)目前正被建議用于以太坊2.0中的信標(biāo)鏈，以太幣（ETH）在父鏈（PoW以太坊鏈）上燃燒，同時(shí)在側(cè)鏈（PoS信標(biāo)鏈）上標(biāo)記為等值的BETH，這是沒有辦法反轉(zhuǎn)的（譯者注：至少在幾年內(nèi)是這樣）。

2. 使用聯(lián)合錨定。在該方案中，一個(gè)或多個(gè)操作員通過多重簽名方案控制后向錨定過程。換句話說，運(yùn)營者決定何時(shí)可在父鏈上解鎖資金。不幸的是，這種方案導(dǎo)致了側(cè)鏈被有效地托管，聯(lián)合側(cè)鏈的所有意圖和目的與中心化交易所是類似的；

3. Plasma（這篇文章的一半的主題）！ Plasma允許幾乎無需信任的雙向錨定，特別是將資產(chǎn)從子鏈反向錨定回父鏈。它通過使用一個(gè)退出游戲來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，退出游戲隱式或顯式地使用欺詐證明，依賴于必須在給定超時(shí)內(nèi)發(fā)出的挑戰(zhàn)（challenge）變化。請注意，與流行的觀點(diǎn)相反，Plasma本身并不支持低延遲交易，其只通過樂觀地承諾（commitment）將很多交易作為以太坊鏈上的單個(gè)哈希來增加吞吐量。實(shí)際上，子鏈交易的延遲可以被認(rèn)為比沒有任何類似通道功能的父鏈交易的延遲要高。

附加說明

與所有依賴欺詐證明而非有效性證明的layer-2方案一樣，對于父鏈上的大多數(shù)區(qū)塊生產(chǎn)者，會有一個(gè)多數(shù)為誠實(shí)的信任假設(shè)。大多數(shù)礦工（在一個(gè)PoW鏈）可以審查交易：在防欺詐的情況下，如果挑戰(zhàn)被審查，那么資金就可能被偷。這就是為什么Plasma并不是完全無需信任的原因，實(shí)際上這是子鏈設(shè)計(jì)的一個(gè)基本附加說明。

Plasma的研究咋樣了？

關(guān)于Plasma研究進(jìn)展，可以追溯到2018年9月份，讓我們看看Plasma在過去6個(gè)月的發(fā)展情況。

Plasma Cash（誕生于2018年3月）是Plasma的一個(gè)變體，它使用了一個(gè)不可替代的、類似通道的數(shù)據(jù)模型，而Plasma MVP（2018年1月）使用了一個(gè)可替代的UTXO數(shù)據(jù)模型（類似于比特幣）。與支付通道網(wǎng)絡(luò)不同，Plasma Cash允許用戶加入網(wǎng)絡(luò)，在不進(jìn)行鏈上交易的情況下發(fā)送和接收幣。不幸的是，與支付通道網(wǎng)絡(luò)不同，這是通過要求在交易幣時(shí)傳遞不斷增長的幣歷史來實(shí)現(xiàn)的，并作為幣所有權(quán)的證明。這段歷史隨著Plasma鏈區(qū)塊的數(shù)量而線性增長。

Plasma Prime（誕生于2018年10月）是Plasma研究的下一個(gè)重要里程碑。其使用RSA累加器對Plasma Cash 幣歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，而RSA累加器最初被建議用于批處理比特幣的UTXO。Konstantopoulos在這里優(yōu)雅地寫了一篇關(guān)于RSA累加器的深入解釋文章，Bünz則給出了一次技術(shù)性討論演講。從高層次講，累加器是一個(gè)固定大小的整數(shù)，它可以證明由唯一素?cái)?shù)標(biāo)識的集合元素的成員身份或非成員身份，并且我們可以在此基礎(chǔ)上執(zhí)行加法和除法操作。這有助于使以前Plasma Cash的線性幣歷史變成固定大小（無論其Plasma區(qū)塊數(shù)有多少）！

Plasma Group，該組織于2019年1月份被公開，這是一家從事于Plasma基礎(chǔ)研究和開發(fā)的新型非營利性組織。他們首先發(fā)布了Plasma Cashflow鏈的規(guī)范。這解決了在Plasma Cash中發(fā)現(xiàn)的幣碎片問題，但其沒有解決幣歷史的大小問題。最近，他們發(fā)布了一個(gè)使用predicates的通用Plasma設(shè)計(jì)。這種“plapp”設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是，單個(gè)Plasma鏈可執(zhí)行部署在以太坊父鏈上的合約狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這意味著開發(fā)人員不再需要設(shè)置自己的Plasma網(wǎng)絡(luò)（包括編寫復(fù)雜的P2P客戶端等）來利用Plasma的擴(kuò)展優(yōu)勢，而是可以簡單地將predicate合約部署到以太坊上。

Loom Network則運(yùn)用了Plasma Cash技術(shù)和委托權(quán)益證明（DPoS ）機(jī)制運(yùn)行了一個(gè)PlasmaChain。這并沒有提供任何新的研究成果，但確實(shí)顯示了早期迭代Plasma是如何被用于小的實(shí)際應(yīng)用的。

Omisego在Rinkeby上發(fā)布了一個(gè)名為Ari的Plasma MoreVP實(shí)現(xiàn)的alpha版本。Hoard使用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在Hoard演示了一個(gè)名叫PlasmaDog的游戲。

未來的工作

MVP型Plasma子鏈的大規(guī)模退出問題，導(dǎo)致了該方向的研究陷入了困局。從高層次上講，MVP型Plasma鏈依賴于用戶完全驗(yàn)證Plasma鏈，并在操作員生成無效區(qū)塊或操作員?？哿魠^(qū)塊時(shí)退出。退出在父鏈（以太坊）上執(zhí)行，當(dāng)前設(shè)計(jì)的最佳退出方案在退出數(shù)量上是線性的。在對抗性條件下，以太坊上運(yùn)行的所有Plasma MVP鏈的安全累積吞吐量天花板，即為以太坊鏈本身的退出吞吐量。由于這個(gè)問題，大部分Plasma研究轉(zhuǎn)向了Plasma Cash及其衍生品。

而對于Plasma Cash變體而言，主要的減少漸進(jìn)增長幣歷史的問題已經(jīng)被解決。當(dāng)然，使用RSA累加器（正如在Plasma Prime中一樣），并非是沒有缺點(diǎn)的：1）RSA累加器需要一個(gè)可信設(shè)置，可信設(shè)置的去中心化程度在加密貨幣領(lǐng)域中是一個(gè)爭議點(diǎn)，2）使用RSA累加器的緊湊和高效可驗(yàn)證證明，仍然是當(dāng)前研究的主題。

問：“你們通過10行代碼實(shí)現(xiàn)了RSA累加器嗎？” 開發(fā)者答：“好吧，是的，但實(shí)際上又沒有”

另見（非詳盡）

· Plasma Group （Twitter）（非盈利Plasma研發(fā)、Plasma Cashflow）

· Plasma實(shí)施者調(diào)用

· Learn Plasma（了解Plasma設(shè)計(jì)的資源）

· OmiseGO ［Twitter］ （Plasma MVP變體）

· Loom Network ［Twitter］ （Plasma Cash 變體）

· Georgios Konstantopoulos ［Twitter］

· LeapDAO ［Twitter］ （Plasma Leap）

狀態(tài)通道

所謂以太坊的“通道”，是指通道參與者一致同意進(jìn)行的layer-2構(gòu)造。這要求所有網(wǎng)絡(luò)參與者對通道的任何更新進(jìn)行數(shù)字簽名。這些通道更新可通過鏈上發(fā)送來解決爭議?？紤]到各方可進(jìn)行帶外通信以協(xié)調(diào)簽名，通道的延遲可能非常低，特別是與使用區(qū)塊鏈相比。

雖然支付通道的概念（兩個(gè)或多個(gè)締約方之間的通道促進(jìn)它們之間的貨幣支付）已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但狀態(tài)通道的概念，最近在以太坊上得到了更積極的探索。狀態(tài)通道允許潛在的任意狀態(tài)轉(zhuǎn)換在鏈外發(fā)生，而不僅僅是支付，這為在鏈外執(zhí)行可擴(kuò)展的低延遲計(jì)算提供了可能性，并且具有與鏈上交易類似的安全性。

注意事項(xiàng)

與Plasma一樣，只有當(dāng)基礎(chǔ)鏈未被區(qū)塊生產(chǎn)者（即以太坊的礦工）審查時(shí)，通道才可安全使用。

通道面臨的唯一最大的未解決問題，就是其statefulness（有狀態(tài)）的結(jié)果，只有最新的狀態(tài)是有效的（對抗條件下的要求）。這導(dǎo)致通道只支持副本，而不支持備份。為了說明這兩者之間的區(qū)別，請考慮以下幾點(diǎn)：私鑰和助記詞短語可以備份到紙錢包中。這些備份可以被復(fù)制、測試，并且在未來無限期地進(jìn)行工作（理想情況下）。另一方面，安全管理通道狀態(tài)副本的要求，要更為復(fù)雜，并且在嘗試使用備份時(shí)會發(fā)生有趣的事情。

最后，通道不同于鏈，它們是基于一組固定的參與者而運(yùn)行的。這在一定程度上被通道網(wǎng)絡(luò)所緩解，但路由和流動(dòng)性問題使得它們目前無法作為解決方案（以及上述復(fù)制問題的復(fù)合）。始終在線的通道性質(zhì)也仍未得到解決。

以太坊狀態(tài)通道的研究咋樣了？

盡管上面列出了所有關(guān)于狀態(tài)通道的注意事項(xiàng)，但是通道相比鏈具有顯著的優(yōu)勢，包括接近即時(shí)的最終性和較低的通信開銷，這使得在很多情況下，使用通道進(jìn)行通信會更便宜。

自狀態(tài)通道的論文在2018年6月份被發(fā)布以來，Counterfactual團(tuán)隊(duì)（原名為L4）一直致力于圍繞其通用狀態(tài)通道架構(gòu)構(gòu)建開發(fā)者工具，該架構(gòu)以反事實(shí)合約實(shí)例化為中心，其中合約的地址根據(jù)其初始化方式進(jìn)行唯一定義，允許合約在鏈外使用，且只在鏈上創(chuàng)建（在同一地址），以防發(fā)生爭議。

為了實(shí)現(xiàn)反事實(shí)的實(shí)例化，一個(gè)新的操作碼 CREATE2被開發(fā)了出來，最近其通過北京時(shí)間3月1日發(fā)生的君士坦丁堡硬分叉被部署到了以太坊主網(wǎng)。操作碼實(shí)現(xiàn)了描述的功能，而它的缺失是通用layer-2結(jié)構(gòu)部署中的一個(gè)關(guān)鍵障礙。

Patrick McCorry一直在努力開發(fā)Pisa，這是一個(gè)監(jiān)視塔框架，用于在用戶下線時(shí)確保通道資金的安全，并且無法監(jiān)視欺詐性通道關(guān)閉鏈。 Pisa監(jiān)視塔是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈儼艘粋€(gè)證明，表示監(jiān)視塔被承包觀看一個(gè)通道，并允許它在發(fā)生不正當(dāng)行為的情況下受到懲罰。然而，實(shí)施這一框架所需的資本鎖定以及由此產(chǎn)生費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)學(xué)，仍然是研究者需要去積極探索的主題。

在這些研究成果的基礎(chǔ)上，廣泛的項(xiàng)目使用了簡單的支付通道和特定于應(yīng)用的狀態(tài)通道（太多，無法全部列出?。?/p>

另見（非詳盡）

Counterfactual ［Twitter］ （廣義狀態(tài)通道），Jeff Coleman ［Twitter］， Liam Horne ［Twitter］ SpankChain ［Twitter］（支付通道流媒體服務(wù)） ， Ameen Soleimani ［Twitter］ FunFair ［Twitter］（Du 博支付通道） Patrick McCorry ［Twitter］ （Pisa， watchtowers） 雷電網(wǎng)絡(luò)（Raiden Network） ［Twitter］ （類似于閃電網(wǎng)絡(luò)的支付通道網(wǎng)絡(luò)） Connext ［Twitter］（支付通道網(wǎng)絡(luò)）

結(jié)束語

僅在過去半年的時(shí)間，開發(fā)者們在以太坊上探索的layer-2擴(kuò)展技術(shù)便取得了很多進(jìn)展，我們可預(yù)計(jì)在隨后的幾個(gè)月和幾年中，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)速度會增快。然而，在我們將這些技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的部署階段之前，仍然存在著很多挑戰(zhàn)。如果你有興趣解決這些問題，可以聯(lián)系上面列出的任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)。

關(guān)于layer-2技術(shù)的發(fā)展，以太坊的研究是值得我們跟進(jìn)的，原文作者也會每兩個(gè)月進(jìn)行更新，有興趣的讀者可關(guān)注一下原作者John Adler。