【以太坊的倫敦前夕】什麼是 Layer 2?為什麼以太 2.0 來臨之前需要它?

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Photo Credit:Pixabay
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在前兩篇文章中提過,無論是柏林硬分叉的 EIP-2565、EIP-2929,還是倫敦硬分叉的EIP-1559、EIP-3198、EIP-3238,全是為了以太坊 2.0 準備運行 PoS (權益證明共識機制,Proof-of-Stake)做準備。

雖然說以太已經是現在全世界第二大的公鏈,不管是 De-FI 去中心化金融、NFT 不可替代代幣,這些備受矚目的區塊鏈應用大部分重量級計畫都還是選擇以太坊上運作(註);不過,以太坊 1.0 本身每秒交易處理速度(TPS)目前只有 15-19 次,要達到「世界電腦」的理想還是差得遠。

那要怎麼解決以太提升處理速度的大哉問呢?我們一直在談的 PoS 是究極的解決方案之一,它有望將鏈的 TPS 提升到 10 萬次左右,而且比 PoW 省下約 99.95% 的能源。另外以太本身也打算使用分片(sharding)技術,讓以太單一節點僅需儲存整條以太的一部分資料、處理一部分交易,讓處理效率大幅提升。目前以太坊基金會目前打算實現 64 條分片,未來也有可能擴展到 1024 條。

不過上述技術都屬 Layer 1,也就是以太坊主鏈的解決方法;而在以太成功過渡到 PoS 之前,目前就屬 Layer 2 擴充方案最受矚目了,今天就要來跟大家聊聊 Layer 2 到底是什麼?

以太坊基金會對 Layer 2 的敘述如下:

建立在 Ethereum 的核心架構協定基礎「之上」的技術,在無需為安全性妥協的情況下進行擴展。 另外也有稱做「鏈外」的技術,像是側鏈,可以在不同的安全性權衡之下進行擴展。

目前 Layer 2 的主流技術有狀態通道(State Channels)、側鏈兩大類,其中側鏈部分還可細分出 Plasma、Rollup 兩類。雖然名字不太一樣,但你首先可以把這些 Layer 2 簡單想像成所謂的「外掛」,在這些外掛上面做的運算大部分並不佔用以太坊主鏈的運算時間與資源,所以可以提高效率。

狀態通道原理是智能合約跟第三方程式的結合,例如我們要運行一個遊戲好了,這個遊戲只有頭尾會跟以太坊智能合約對接,在頭的部分我們知道有多少玩家、 這些玩家是誰、獎勵怎麼分配,然後遊戲開始後程式自己運作,結束時程式把遊戲過程、遊戲結果回傳給智能合約,讓以太來分配獎勵。

不過狀態通道本質上還是需要這個通道是「多方足以信任」的,也就是說,這個遊戲的玩家必須夠誠實,如果有人夠厲害開外掛沒被抓到還偷偷把遊戲修改過,一旦結果回傳到智能合約,以太坊不負責審合,只會按照遊戲過程、遊戲結果分配獎勵;所以狀態通道本身並未成為主流。

側鏈的基本原理其實跟狀態通道有點像,只是計算主體從一個程式變成了另一條鏈,這條鏈有自己的帳本、共識機制、節點跟礦工,而且理論上會比以太坊運行的還快(不然選他幹嘛),當你在這條交易或跑應用程式結束以後,這條側鏈就會把結果回傳給主鏈上結算。

Plasma 也是側鏈,只是它是特定形式,專指用智能合約透過雜湊樹所建構出的側鏈;當然,交易都會是在側鏈上運行,主鏈只負責側鏈的審查請求。那怎麼區分側鏈跟 Plasma 呢?以太創辦人 Vitalik Buterin 本人曾說明,Plasma 應該符合任何錯誤都可以被檢測到,而且使用者可以安全地從 Plasma 鏈中退出的特性,側鏈則不一定。但 Plasma 實際上也遇到了取出資金週期過長的問題,慢慢失去開發動能。

不過比起狀態通道、一般側鏈、Plasma,最近以太 Layer 2 解決方案則是 Rollup 一躍成為備受期待的主流。Rollup 的做法不是「頭尾式」地把交易後的資料交給主鏈驗證,而是把數以千計、萬計的交易資料壓縮後交給以太坊主網。

那這麼做又有什麼好處呢?首先側鏈、Plasma 並沒有辦法直接在以太坊主網查看側鏈詳細的交易過程紀錄,但 Rollup 有把這些資料都打包起來,所以是可以在以太坊主網上看到的;其次是資料被壓縮過了,所以可以用更少的資源處理交易,增加效益。

而 Rollup 目前又可以分做兩個發展方向:Optimistic Rollup 跟 ZK Rollup,這兩者差異「驗證方式」。Optimistic Rollup 主要透過欺詐證明法(Fraud Proof)驗證上傳給主鏈的資料是否正確,當有人發現資料有誤時,可以透過虛擬機向主鏈提出詐欺證明並提供證據,一旦被證明資料有誤時,當初負責處理資料的節點就會受到懲罰。

ZK Rollup 則是把資料壓縮同時也會生成一個的零知識證明(zk-SNARK),然後會在主鏈設計一個跟這個 Rollup 鏈對應的智能合約來驗證資料正確性。

而 Vitalik Buterin 本人也認為無論以太進入 PoS 之前還是之後,Rollup 都會是以太坊目前最主要擴容手段;而他本人中短期也看好 Optimistic Rollup,長期則是認為 ZK Rollup 擁有更好的安全性。

核稿編輯:Anny

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