简析以太坊Layer2技术方案及扩容特性

Layer2是个大的话题。是否去中心化，是否安全，资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间，总结一下Layer2的理解和思考。

Layer2交互模型

Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下：

除了Layer1的交易外（入金），其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态，所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见，也为了和Layer1保持一样的安全性，所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问，称为「DataAvailability」（数据可用性）。所有的Layer2交易都在Layer2执行，并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确，不同的layer2方案有不同的实现方法。

Layer2实现分类

从Layer2状态同步方式，Layer2分为两类：一类是侧链实现（SideChain），一类是Rollup。侧链，就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点，整个侧链的安全性，就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种：一种是zkRollup，一种是OptimisticRollup。所谓OptimisticRollup，乐观性Rollup，期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时，为了防止同步错误的状态，提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下，Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式，通过零知识证明技术，在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下：

zkRollup，按照采用的零知识证明协议又分为三类：1/Groth162/PLONK3/STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(TrustedSetup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是，相对另外两种算法，STARK协议，证明数据量大，验证时间长。相对来说，在Layer2的场景下，PLONK是目前广泛使用的算法。

STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较（来源于MatterLabs的github链接）：

https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs

总结一下，从安全性角度看，各种Layer2的排序如下：zkRollup，optimisticRollup，侧链。从提现的时间也印证了安全性，zkRollup的提现是分钟级别，其他两种方案，小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目zkRollup，虽好，目前存在很大的缺陷：可编程性差。

细看zkRollup

相对其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说，在Layer2每个交易除了「执行」外，还需要生成证明，证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道，零知识证明的安全性在于「电路」的安全性。对于Layer2，每种交易的处理「固化」为电路，电路逻辑完全公开。对应于每种电路，存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明，符合固化电路的逻辑。

关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式，供所有人查阅电路逻辑。简单的说，为了实现zkRollup，需要实现Layer2执行对应的电路。事实上，电路的实现相对复杂，没有高级语言，很多情况下都是手写R1CS。进一步，为了利用zk证明系统，为了优化电路的实现，整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构（merkle树）。所以，zkRollup的系统需要考虑电路的结构，从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现，不管是zksync/zkswap/loopring，都只实现了特定交易场景。

反过来说，如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行，需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易，再者，EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看，这方面会限制整个zkRollup的性能。

再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分（withdraw不考虑在内）：

- TransactionRawData：在zksync中称为pubdata。为了保证dataavailability，所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。- Layer2Block管理：在Layer2提交区块状态时，Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。- 验证Layer2