從NFT到GameFi，再到Loot，在市場熱潮的幾番更迭下，市場對於Layer 2的需求已經逐漸加大，隨著Arbitrum主網的上線，越來越多的資金開始投身於Layer2 擴容協議市場，市場又掀起了新一輪的賽道競爭。
雖然現階段的Layer 2網絡總鎖倉量屢創新高，但仍然無法滿足目前市場上投資者的需求，而且，現在市場Layer 2熱度都是基於Arbitrum、Opitimism等項目的炒熱而升溫，根本無法長期持續。基於此，Layer 2熱潮是否會成為“曇花一現”也成為了大眾比較關注的事情。那麼Layer 2技術目前發展如何？ Layer 2網絡的未來究竟是怎樣的？而這一個個的疑問，路印協議CTO Steve Guo在一次演講中給了我們答案。
Steve用簡單的方式講述了Layer 2技術的演進，深入分析了每個Layer 2項目的優缺點，並且向我們敘述了Layer 2網絡未來的發展方向。以下內容來自Steve的演講實錄。
作者：Frankle
來源：Medium
編譯：陳一晚風
隨著Layer 2熱度的高漲，一個疑問逐漸浮現在大眾面前：Layer 2的真正未來到底是什麼？
下圖則代表了現在市場上對Layer 2的官方定義。但Steve的定義中，Layer 2是資產安全依賴於Layer 1的第2層網絡。所以可以排除掉一些側鏈，比如xDai和BSC。
目前的Layer 2技術可以分為三類技術，最早是State Channel（狀態通道）技術，後來又演變為Plasma，再到最新的、比較熱門的Rollup技術。 Rollup主要分為兩個方案，Optimistic Rollup和zkRollup。這兩種方案中的每一種內都存在著許多項目。
State Channel（狀態通道）
第一個Layer 2技術State Channel的核心思想其實來源於比特幣的閃電網絡。例如，假設Alice和Bob必須轉移資金，並且他們都在鏈上，那麼其成本會非常高。因此，可以先同意Alice和Bob先將他們各自的資金存入智能合約。在他們各自資金被存儲後，Alice和Bob可以不消耗任何Gas費，無限期地在鏈下轉移資金，然後在所有人移除時使用智能合約進行結算，這種過程的核心思想就被稱為狀態通道。
雖然這種鏈下轉賬的方式確實可以很快，而且便宜，但它也存在一些問題。首先，它需要兩端存入資金，其資金佔比非常高。此外，它是點對點的。例如，如果A想先與B轉錢，然後再與C轉帳，則需要建立多個狀態通道，這種互動是不可取的。所以，在後來隨著Raiden Network、Celer等技術不斷演進，現在的狀態通道已經可以是點對中心了。任何想要交易的人都需要與中心進行交易，使用狀態通道進行連接。
但這仍然存在同樣的問題，因為中心本身需要存入大量的資金以保證資金周轉利用率，因此該方案只能用於轉賬/支付的應用。由於狀態通道的這些局限性，也使得它自然而然地演變成了一種叫做Plasma的技術，用以解決State Channels的資金利用問題。
Plasma
Plasma在鏈下提供了UTXO（Unspent Transaction Output）等結構模型。每個人的轉賬記錄都類似於比特幣UTXO交易。在Plasma鏈上確認交易後，Plasma將向以太坊上的智能合約提交所有Merkle狀態，由智能合約記錄所有鏈下狀態。最後，Plasma依靠測試機制來確保所有鏈下交易都正確執行，例如，避免轉賬被雙花攻擊。
Plasma比State Channel技術更精進的一點就在於它解決了資金利用的問題，但同時它也帶來了一個新問題。 Plasma需要至少一周的移除期來確保交易的最終確認。同時，Plasma要求所有人監控Plasma鏈上的所有UTXO交易。也就是說用戶必須自己監控這些交易，才能根據這些歷史交易對交易問題提出質疑，這也是普通用戶所不能接受的。
因此，Plasma也需要自然進化，進而演化為下一個相對熱門的Optimistic Rollup技術。 Optimistic Rollup從實際上解決了Plasma所帶來的問題。也就是說，Plasma鏈上的數據最終只是Merkle樹（由不同數據塊的散列組成的數學數據結構），所以測試起來會更加困難。
Optimistic Rollup
為了解決Plasma所存在的問題，Optimistic Rollup將所有鏈下原始交易數據，包括世界狀態的樹，提交到鏈上，然後任何人都可以根據鏈上記錄的所有原始信息進行測試。
如圖所示，Optimistic Rollup允許用戶提交世界狀態並提交鏈上原始交易數據，然後任何人都可以根據這些數據測試轉賬是否有效。這個想法被稱為Optimistic Rollup。
Optimistic
事實上，這個想法已經在目前市場的兩個主網項目中實現了。
第一個項目叫做Optimism。這個項目的開發團隊實際上是來自Plasma，所以Optimism也就理所應當的擴展了Plasma的應用場景。此前的State Channel和Plasma都只是用於轉賬/支付的應用。那麼Optimism如何擴大轉賬/支付？
現在市場對於擴大轉賬/支付的方法是，使用圖靈的完整編程來兼容鏈下的EVM指令，這樣每個人都可以直接在鏈下執行solididity程序。而Optimism的想法則是在鏈上部署一個智能合約，然後使用智能合約接受鏈下EVM兼容指令的執行，也稱為OVM。
Optimism試圖做一件事，即保證OVM的字節碼可以映射到EVM的字節碼，但實際上，這種映射可能只有20個左右的字節碼. 所以Optimism目前的一個大問題是它無法實現100%的EVM兼容性。正是因為Optimistic有這個問題，Arbitrum才提出了改進方案。
Arbitrum
Arbitrum在Optimistic基礎上的一個巧妙改進是，它不是在鏈上執行EVM比特碼，而是定義了自己的AVM字節碼，AVM的字節碼是一個非常精簡的子集。這樣，當用戶測試第一級時，Gas會更低，消耗也會更低。
目前，Arbitrum的轉會費大約是Optimism轉會費的二分之一。 Arbitrum還改進了測試機制，允許用戶通過分片進行測試。例如，一個區塊中有1000個交易，但只有一個是錯誤的。然後就可以用類似二分法的思路，讓用戶證明第一個512是否正確，如果正確就測試下一個，比如256，然後繼續用二分法來測試，這就是Arbitrum。但Arbitrum並不能就此代表Layer 2的未來。
zkRollup
V神曾在年初表示，Optimistic Rollup解決方案短期內最有可能兼容EVM，但中長期他更看好zkRollup。
事實上，zkRollup和Optimistic Rollup的本質區別在於它不依賴任何測試機制，而是即時保證鏈上清算的最終確定性。 zkRollup依賴於一組稱為zk（零知識）證明的數學系統。
zk證明本質上做了一件事，通俗來講就是在不告訴對方答案的情況下向對方證明你知道答案。
例如，問題y有一個函數f，我可以根據我的私人秘密x計算y並通過這個函數得到y。最後，我向你開放的是函數f和問題y。但是我的x不能告訴你，我想讓大家知道我知道一個x來計算y，這叫做zk證明。
這樣的表述可能相對比較抽象。接下來舉一個實際的例子，比如在下面這張圖片中尋找Waldo。比方說，我想向大家證明的是，我知道Waldo在這張地圖上的位置，但我不能直接告訴你位置，所以我可以這樣做：找一塊足夠大的黑布蓋住圖片，然後在黑布上剪下小數字，然後把小數字顯示出來。然後你就會明白我知道Waldo在這張地圖上的位置，但我沒有向你透露這個位置。這就是zk證明的工作原理。
我證明了一件事，但我沒有告訴你這個秘密。這一組技術聽起來有點像黑魔法，其核心技術思想被統稱為zkrollup。實際上，zkRollup的核心思想是將所有的世界狀態歸類為一棵大Merkle樹，然後所有的鏈下交易本質上只是改變了一個賬戶的世界狀態。
最後使用中繼系統收集所有的鏈下交易，然後將這些交易處理後的世界狀態樹的哈希記錄在鏈上，並記錄這些交易元數據的交易信息。與此同時，還提交了一份名為“零知識證明”的證書。只要這個證明在鏈上得到了驗證，就意味著鏈下的計算已經忠實地處理了所有的交易信息。這是zkRollup和Optimistic Rollup之間最大的區別。
Optimistic Rollup只向鏈提交元數據和樹哈希，而zkRollup還提交zk證明證書，這樣它就可以保證最終結算，而不依賴任何測試機制。
Loopring
Loopring協議於2019年底推出，是世界上第一個主網上的zkRollup。到目前為止，Loopring協議已經歷經了3個版本：第一個版本只支持訂單簿中的DEX交易，第二個版本支持轉賬支付，第三個版本中支持AMM映射。而在今年9月初，Loopring協議已經正式發布了現在支持Layer-2 NFT最新版本。此版本支持NFT在Layer-2上進行鑄造、轉賬和交易，可以降低整體Gas成本。
zkSync
zkSync與Loopring協議最大的區別在於使用的零知識證明算法不同。 Loopring使用一組稱為Groth16的算法，zkSync使用一組稱為Plonk的算法。兩種算法的本質區別在於是否有最早的初始可信設置。 Loopring是必要的，其改變任何電路的行為都需要一個可信的設置，而zkSync則不需要這樣做。
Matter Labs實際上經歷了兩個版本，1.0 和2.0。2.0稱為zkPorter，1.0稱為zkSync。它們之間的主要區別在於，為了進一步減少2.0上的Gas消耗，Merkle樹和元數據交易數據不在鏈上，而是使用類似於Community POA的鏈下Proof來保存數據。
但是大家請記住，一旦元數據不在鏈上，用戶資產的安全就無法真正得到Layer 1的保障。不過這樣的系統本質上允許用戶做出自己的選擇。如果你想安全，請使用1.0，如果你想更便宜（但不太安全），請使用2.0版本zkPorter。同時，Matter Labs目前正在開發一個與EVM兼容的zkRollup系統。它定義了一種名為Zinc的編程語言。簡而言之，Layer 2項目是最終目標是最終成為一個zkEvm。
StarkEx
另一個著名的zkRollup項目是StarkWare推出的StarkEx。
在早期，大眾對其並不看好，因為它第一次上線時聲稱它是一個zkRollup，但實際上它並沒有將應用程序的元數據上鍊，所以這樣的系統不能稱為zkRollup。所以當時V神將其命名為Validium。後來，StarkEx又被擴展到支持向鏈提交元數據的模式。所以現在也可以將StarkEx稱之為真正的zkRollup。
StarkEx在早期定義了自己的編程語言，從一開始就想做一個具有可編程性的zkRollup系統。 StarkEx定義的語言稱為Cairo，其核心思想是允許用戶用Cairo語言編寫智能合約。然後它會幫你轉換成例如EVM字節碼，然後在StarkEx的整個zkRollup系統上進行驗證和計算。
zkEVM
從上述的Layer 2協議來看，並沒有完美的Layer 2解決方案，都存在局限性，或者它們沒有數據可用性。 Steve則認為，最終完全可用的Layer 2網絡應該是zkEVM。
zkEVM是什麼？顧名思義，只要開發者用EVM寫一個智能合約，就可以在zkRollup類型環境中直接執行這個智能合約的字節代碼。它不像現在那樣在EVM的虛擬機中執行，而是在一個叫做zkEVM的虛擬機中執行。 zkEVM可以保證在字節碼執行後，zkEVM可以向Layer 1網絡證明zkEVM鏈下執行的智能合約確實被執行了。
對於zkEVM，目前的設計思路其實分為兩類。
類似於Matter Labs的Zinc和StarkWare的Cairo語言，包括另一個名為Hermez的項目，最近也提出了zkEVM。他們的核心思想是自己定義一套語言，然後把這個語言翻譯成EVM的語言。也就是說，他們會自己定義一種EVM語言，然後將EVM字節碼翻譯成自己的EVM代碼，本質上在zkEVM中執行自己的字節碼。但是，這種解決方案很可能無法實現100%的兼容性。
另一個新的解決方案是以太坊基金會正在進行的一個項目，被稱為“zkEVM”。
它的思路是直接將Solidity代碼編譯成EVM的字節碼，無需任何翻譯，在zkEVM的虛擬環境中直接執行字節碼。它的虛擬環境做了兩件最重要的事情。一是證明字節碼的執行是正確的，稱為EVM證明；二是證明世界狀態的修改是正確的。
Steve認為“zkEVM”解決方案可能是最終的Layer 2網絡。
開發者只需要編寫一套EVM代碼就可以在Layer 1上運行，然後也可以在Layer 2上無縫運行。而這個方案是一個zkRollup，可以保證最終結算的即時性。當然，這個解決方案並沒有那麼容易上線。 Steve表示，估計再過一年左右應該就能看到一個原型，甚至第一個商業版本。
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