本文由 Trenton Van Epps 根據 Vitalik 2019 年 3 月 15 日晚在臺北的以太坊會議上的演講整理而成，由匯智網提供中文翻譯版本。Vitalik 最近提出了他對 Rollups 的想法以及與 Ethereum1.0 和 2.0 中的第 2 層解決方案相關的數據可用性問題。他的演講包含了一些引人入勝的結構，可能會進一步從團隊中進行迭代。這是一個至關重要的研究領域，因爲對於希望增加用戶羣的項目來說，仍然非常需要信任最小化的區塊鏈擴展機制。如果你有時間我建議聽完整的演講。

原文標題：《Transcript 可擴展的以太坊區塊鏈作爲數據層》
文章整理：Trenton Van Epps
編譯：匯智網

以前的研究

本次演講所依據的基本概念首先出現在 Vitalik 於 2018 年 8 月發表的文章中，將可用性引擎 availability engines 歸功於 Justin Drake。2018 年 9 月，一個擴大該主題的 ETHresearch 帖子得到了重要討論。在 2019 年 1 月，EF 研究人員和 Matter Labs 之間的合作在 Rinkeby 測試網上產生了一個名爲 Ignis 的概念證明。這是團隊的原始帖子和 Trustnodes 訪談 / 演示。

以下是 Alex Gluchowski 和 Kent Barton 在 ETHDenver 2019 上的精彩演講，詳細介紹了 Rollup 機制：零知識縮放 Scaling With Zero Knowledge。對於 SNARK 和 STARK 之間的差異也有很好的探索。

最後，由於 EF 資助，看起來 Matter Labs 繼續通過 snark 進行擴展工作，請查看此處的公告以及更多資源。

我在下面輸入了 Vitalik 演講的粗略記錄，試圖捕捉每個部分的精髓。希望人們覺得這很有用。

背景 / MASTERCOIN

這是一種新的 L2 結構，與可擴展性（plasma/state channels）的 L2 不同，它使用 BC 作爲數據存儲而非計算的場所。計算可以用 zk-snarks 完成。

最新 Vitalik 臺北以太坊會議演講：用零知識證明實現以太坊擴容

  • 一些歷史：將 Mastercoin 視爲 BTC 之上的元協議。爲解釋 tx 定義一組不同的規則。BTC 是數據存儲，但不是狀態執行。特殊 tx 可以用 flag 表示。
  • Mastercoin 的缺點：客戶端不夠輕（需要 BTC 區塊鏈和 Mastercoin 節點）。MC 協議中的活動不會影響 BTC 鏈，這限制了整體功能。
  • 現在我們有 ETH 1.0，很快我們將獲得 ETH 2.0，我們能做類似於 Mastercoin 的事嗎？

ZK ROLLUP

ZK 彙總（not ignis, not ignis plasma）可以在今天提高 30 倍的可擴展性，將來會更高。工作原理：Onchain 合約只存儲一個值：merkle 樹的 merkle 根。

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  • 用戶發送 txs，由一個叫做中繼者的特殊 actor 調用並設置 zKsnark。發佈以前的狀態，新狀態，其中包括捆綁在一起的交易。
  • 這與 Plasma 相似嗎？（兩者都是持有 merkle 根的合約）不同之處在於 Plasma 需要複雜的退出遊戲 / 退出期以便處理惡意操作員的可能性（數據可用性）。
  • ZK Rollup 沒有數據可用性問題，因爲所有交易都發布到鏈，沒有簽名。
  • 每個發佈 13 個字節 X 每個字節 68 個 gas=884 個 gas，當前簡單 tx 的當前成本爲 21k。
  • zKsnark 證明了 tx 的有效性，而不是讓 ETH 主鏈驗證每個簽名交易。計算和存儲被移除。Merkle root 留在鏈上。這避免了 central actor/relayer。因爲數據是在鏈上發佈的，所以任何人都可以驗證。
  • 這可以通過不包括 nonce 來改進，刪除 2 個字節（每個字節 11 個字節每字節 X gas 氣體 = 748 個 gas）
  • 注意：即時存款和取款。提款：coin 從他們的 merkle 分支轉移到主鏈，然後是 merkle root 更新。存款將是相反的，但另外爲用戶提供帳戶 ID。可能會有很多漂浮在周圍。
  • 這種結構可以相對安全地將簡單付款從 15 tx/s 增加到 500 tx/s。
  • 斯坦福 1.x 研討會（youtube 視頻）的一個結果是，與其他業務相比，數據價格過高。儘管存在對狀態的擔憂，但向塊大小添加 1kb 並不會使事情變得更糟。在 Istanbul 可以減少簡單 tx 的 gas 成本，從而將 ETH1.x 的吞吐量提高到 1000 tx/sec 以上。

進一步採取行動

Rollup 應該能夠支持更復雜的狀態轉換，包括 Uniswap，高性能交換，多個 token，隱私保護計算，ENS 等，所有這些都使用 SNARK + publish tree details 範例。

ZK ZK ROLLUP （Bose–Einstein condensate）

  • 基本思路：採用 ZK 彙總但內置迷你版 zCash。（關於 zCash 的入門：用戶發佈 txs，SNARKs 說「我有一個有效的支出證書，用於該狀態的一些 coin 哈希。這是一個新的 coin 哈希」
  • zCash，續，用戶有加密 S，coin 哈希：h(s+1)，支付證書：h(s+2)。SNARK 證明支付證書屬於現有 coin，但不屬於哪一枚。驗證功能還應檢查尚未顯示支出證書。
  • 轉發者不會發布 tx，它會發布收據（105 字節 X 68 gas= 每 tx 7140 gas）。在這裏我們放置一個 SNARK 來驗證包含的每個單獨的 tx 是否附加了 SNARK （一級遞歸）。驗證 SNARKs onchain，它需要 500k gas。

BEACON CHAIN – 第 1 階段

  • 如果我們想做更多的事情怎麼辦？輸入 ETH 2.0 的 Beacon Chain 第 1 階段。作爲僅數據鏈的分片鏈意味着 2.8 MB/ 秒的數據可用性。
  • 每個 zK zK 彙總是 105 字節 / 意味着 27k 隱私保留交易 / 秒，如果完全消耗 2.8 MB。如果我們不關心隱私，則 27k 增加 10 倍。
  • get rekt scamcoins LOL VB 甚至無法選擇哪個是 TPS 聲稱的最差。
  • 障礙是這些系統依賴於數據和計算（雖然數量很少）。ETH 2.0 （階段 1）沒有計算但有大量數據，而 ETH 1.0 有計算：讓我們橋接兩者。

ETH2 在 ETH1 輕客戶端

  • ETH 2.0 研究團隊花了很多時間使 2.0 體系結構輕鬆客戶端友好。
  • 當持久委員會切換時，每 9 天需要 80kb 的 merkle 分支（也可以在 9 天內分攤），每個頭部加 500 字節。
  • 在 ETH1 客戶端需要 BLS-12-381 預編譯。 ETH 1 鏈可以是掛鉤到 2.0 鏈的計算層，要求在 2.0 鏈上發佈用於彙總模式的數據。

其他用於可擴展數據可用性的引擎。

Plasma 具有更頻繁的承諾，Dapps 存儲鏈上的消息，具有獨立「主權」狀態轉換功能的區塊鏈協議搭載在以太坊上用於數據可用性。

加快跨境交易

  • 當前分片設計的弱點：分片之間的通信有延遲（等待交聯，~6 分鐘）
  • 解決此延遲的粗略建議是允許一個分片看到另一個分片的根的機制。這可能在大多數時間都有效。

最新 Vitalik 臺北以太坊會議演講：用零知識證明實現以太坊擴容

  • 快速探索用戶何時想要在分片之間轉移 token：他們可以將 tx 發佈到帶有 root 的智能合約（包含預期的 token 轉移），以及保證金。
  • 「碎片的 merkle root 是 0x12345，如果這個說法錯了，我同意失去 100 ETH （押金）」。
  • 在存儲令牌餘額的註冊表的上下文中，發佈 100 個 ETH 存款的用戶（在等待 x-shard 交易通過時）然後將其餘額更新爲條件狀態如果狀態根聲明是正確的，我有 x+轉移 amt ，如果不正確我只有原始金額（減去沒收的 ETH 保證金）。
  • 將其視爲 SC 內部的量子疊加（存儲兩種狀態 / 兩種可能性）。只有當合約通過交聯才能知道原始碎片的狀態根時才解決。
    然後可以在用戶之間傳遞這種疊加，而不需要他們知道（錢包會顯示樂觀的值，直到約 6 分鐘後纔會發送交聯）。

一般用途隱私

ZEXE：基於 UTXO 的系統，可以保護隱私。

第 2 層計算的好處

  • 從哲學上講，第 1 層不需要過於複雜來優化屬性，塊時間，x-shard 通信，x-shard 同步消息支持，隱私等。
  • 從理論上講，ETH 2.0 階段 3 可能永遠是足夠的，不需要超級二次分片。
  • 例外情況是增加分片或更新加密。
  • 其他區塊鏈已經提出了這個主張，但實際情況是，一旦你擁有可擴展的數據可用性和足夠的表現力，至少要驗證 zKSnarks 和狀態轉換（功率和複雜性的最低閾值），你可以在頂部建立所有必要的 L2。
  • L1 可能變得越來越難以改變，但如果它們處於可擴展數據可用性之上（2.8 mb/sec），這對計算 L2 來說是好的。

問題交流

問：L2 內容是否排除了使用完整語言不適用於 zKsnarks？

TC 的數學定義與加密社區的含義有所不同。數學：TC 意味着計算機。這是如此籠統，你不能告訴計算何時停止（Snark 需要事先知道）。

加密：使用 TC 意味着表達足以使應用程序具有複雜的內部狀態（plasma，makerdao，uniswap，這些 L2 的驗證引擎） BTC 不能做這些事情，ETH 可以。ZEXE 是基於 UTXO 的模型，但也可以。

TC 是錯誤的詞，但是你可以做一些足夠表達的事情來構建 zKsnarks 中的應用程序。

問：我們是否應該擔心熊市期間 30％的哈希率損失？

這是一個問題，但不是真正需要擔心的事情。ETC （以太坊經典）遭到攻擊，但只有 3％的 ETH 鏈哈希值。如果它成爲一個重要的問題，那麼第 0 階段可以用作 1.0 鏈 POW 客戶端的終結機制。然後，51％的攻擊只允許審查塊，而不是恢復塊。

問：基礎層和應用層之間的去中心化程度總會存在競爭。數據可用性和 SNARK 總是 mean 集中化？

這個新的 L2 類非常有趣，不需要解決數據可用性問題。集中化可以減少。比較 Plasma 和 Rollup：plasma 數據可用性問題意味着需要有一個 actor，如果惡意，他可以浪費用戶 2 周的 coin 鎖定時間。如果轉發者消失，Rollup 沒有數據可用性問題，另一個可以迅速取代他們的位置。可能的傷害減少，像 Rollup 這樣的 L2 是解決方案的一部分。

問：在進行跨域通信時，你是否正在考慮兩階段提交協議？

合約 yanking 有助於解決火車和酒店問題。（與不同分片上的 2 個對象進行交互） ETH 鏈是否應支持 L1 上的同步？不，它引入了太多的複雜性。

現在，在兩個交聯之間，你可以計算分片中的狀態轉換，作爲分片和信標鏈中數據的函數。不依賴於其他分片中發生的事情。

具有同步交叉分片調用會破壞此不變量，使狀態計算遊戲變得更加複雜，儘管你可以實現類似 Rollup 的 L2，這將有助於支持同步交叉分片調用。

問：「第三方」L2 解決方案（Celer）與其他以太坊 L2 解決方案之間的關係是什麼？

Celer 是一個提供自己的數據可用性解決方案的 L2，Plasma 也是這樣做的。Rollup 執行計算 offchain 並在鏈上處理數據可用性。有不同的權衡。

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