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作者：Web3er Liu，CatcherVC
原文標題：CatcherVC Research：深度解讀Optimism擴容方案
本文重點
出於對安全和去中心化的考慮，ETH區塊Gas上限和出塊時間無法大改；
Layer2擴容的實質是造一條TPS更高的鏈，把這條鏈的信息掛到以太坊上；
Optimism的市場增值空間極大，其TPS上限可達1600，但吞吐量的實際利用率不到千分之一，未來發展潛力巨大；
由於未開放對等節點，Optimism本地Sequencer出塊後，甚至要1小時才可以驗證其正確性，延時過長；
當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行出塊節點，存在嚴重的中心化問題，其立足根基更多在於項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；
Optimism在進行EVM等效性升級後，其“欺詐證明”機制無法使用，官方稱將於未來解決該問題。
前言
隨著ETH合併正式邁入進程，Layer2和Rollup在區塊鏈行內逐漸成為顯學。究其本源，Layer2的目的是提高系統每秒處理的交易數量（TPS），並降低Gas費。前者是整個Layer2擴容的最核心要點，後者則是提升Layer2交互體驗的關鍵。
依照其定義，TPS= 一段時間內處理的交易筆數/ 耗時，套用在區塊鏈領域，若忽略分叉或區塊重組等情況，可粗略視TPS=平均每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間。對普通公鏈而言，提升TPS面對的是區塊擴容和出塊時間問題，同時，TPS的實際值還牽涉到公鏈採用的Gas機制，無論是ETH還是BSC和Polygon都不出其右。
但提升區塊Gas容量或縮短出塊時間都會破壞安全性，究其根源，以太坊擴容要面對的是“不可能三角”問題，要如何提高效率，又保障安全和去中心化，始終處在紙上談兵、懸而未決的階段。
對此，以Optimism和Arbitrum為代表的Layer2憑藉高效率、低Gas的旗號快速崛起，頗為矚目。在靠著精妙敘事吸引各路資本、靠著超低Gas收穫廣大用戶的同時，其固存的中心化問題卻日漸明晰，引起越來越多的關注與質疑。
本文將以重要細節揭示在確保去中心化的前提下，Layer1擴容所面臨的困境，以及典型的高效Layer2項目存在的重大問題。
以太坊的Gas機制
決定以太坊效率的關鍵因素之一是其所採用的Gas機制。在以太坊系統中，Gas是一種計量形式，反映了不同操作的複雜度。就像汽車行駛需要消耗汽油一樣，在以太坊上交易會產生Gas消耗。一筆最簡單的ETH代幣轉賬，Gas消耗為2.1萬。其他類型的操作，如普通的ERC—20代幣轉賬，或更複雜的合約交互，可產生幾萬甚至數十萬的Gas消耗。
以太坊的單個區塊有Gas上限，限定了一個區塊內全部交易指令可消耗的Gas總量，這就好比冰箱塞滿後就不能再裝東西。在去年的EIP-1559實行前夕，單個區塊的Gas上限約為1500萬，粗略算來最多可容納714筆ETH代幣轉賬，若將平均出塊週期13秒置入TPS計算式，則EIP—1559前以太坊的理論TPS上限是55。
但現實中很多交易是Gas消耗較高的合約交互，會大幅佔用區塊的Gas容量，實際的以太坊TPS均值被壓低到20，擁堵不堪，這使得大量潛在的交易需求被排擠在鏈外。由於單筆交易的手續費=Gas Used×Gas Price，而Gas Used由系統決定，可視為常量，用戶發起交易後要付出比別人更高的Gas Price，才能率先被系統響應。最終，因係統特性產生的的供需缺口造就了高昂手續費，讓無數人叫苦不迭。
歸根結底，ETH本質上是關於交易權限的拍賣平台，Gas Price就是競標者的出價，交易權限的歸屬由供需雙方通過競價機制撮合達成。這種設計契合區塊鏈的自由市場原則，卻埋下了內捲的種子。
縱觀以太坊的歷史，每逢有“加密貓”“5.19”一類的熱點事件激發交易需求，ETH鏈就會出現激烈的Gas War現象，誰付出的Gas Price越高誰的交易先上鍊，劇烈的價格戰讓GasPrice水漲船高，不能支付高昂手續費的用戶被拒之門外，這使以太坊成為名副其實的“貴族鏈”，引發了無數爭端，也讓EIP—1559一度成為許多人眼中的“救星”。
但從事實來看，在去年備受矚目、對區塊的Gas機製做出大幅調整的EIP-1559，其核心作用也只是讓Gas Price的浮動範圍更可控，並降低ETH的通脹率及拋壓，而非直接壓低Gas Price或取締Gas競價機制。
雖然該提案將ETH區塊的Gas上限提升至3000萬，但只要新區塊的實際Gas消耗超過1500萬，下一個區塊內的Gas Price就會在系統調節下逐級漲價，這個過程可以持續多個區塊的時間，直到GasPrice極高，攔住絕大多數人，讓新區塊可收納的交易數驟減，Gas消耗量回落至1500萬為止。
觀察統計數據，可以發現在EIP-1559施行的前後6個月內，以太坊的每日Gas 消耗僅有不到10%的提升。考慮到這6個月內出塊週期穩定在13~13.5秒，則ETH每日出塊6500~6650個，每個區塊的Gas容量始終穩定在1500萬上下，並無明顯變化。
由於EIP-1559沒有真正改變區塊的Gas含量，以太坊的TPS沒有被改善，手續費居高不下，大量的潛在用戶仍滯留在以太坊系統外。
根據相關數據，當前的ETH擁有近2億個獨立地址，每日處理的交易筆數僅有100多萬筆；相比之下，Gas費較低的BSC（BNB Chain）每日處理的交易筆數高居500萬以上，其獨立地址數卻不到1.5億個。粗略估算下，ETH網絡最多滿足了約15%的交易需求。
出塊週期
從另一個角度看，由於TPS=每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間，出塊週期也是關係到TPS的關鍵。同時，出塊週期中的幾個階段可映射以太坊業務邏輯中的不同組分，這正是Layer2擴容思想的關鍵點。
需要強調的是，以太坊是由大量服務器節點組成的系統，其業務邏輯包含執行、共識、多方存儲3個部分。其中，
【執行】泛指對交易事件等指令進行處理，得到結果；
【共識】指所有節點都認可執行的結果；
【多方存儲】指多個節點都存儲相同的內容，並可供外界讀取。
在部分資料中，也將【共識】稱為【結算】，將【多方存儲】稱為【數據可用性】，這些叫法實質是互通的。
而一個出塊週期由以下步驟構成：
首先，礦池節點間通過【工作量證明】選出一個優勝者，由其來完成【執行】交易的過程，製作新區塊；
【工作量證明】需要暴力窮舉隨機數，消耗大量算力，這些任務由礦池內的礦機完成，耗時較長；
優勝的礦池節點會按照Gas Price的高低，從等待上鍊的交易事件中抓取一批來【執行】，得出結果，然後把交易信息和結果一併納入新區塊；
之後，新區塊會被傳播給所有的以太坊節點，內容會被檢查。具體而言，檢查區塊的節點會讀取其內容，把裡面的交易再執行一遍，看出塊礦池提交的數據是否正確。這就實現了【共識】；
最後，若新區塊通過檢查，節點們會收錄新區塊，完成【多方存儲】。
所以，一個新區塊會被複製超過2000份，存儲在全網的以太坊節點裡。更具體的說，所有的礦池節點、所有的全節點都會存儲一份。通過這種形式，以太坊節點間近似實現了“一致性”。
綜上，以太坊的一個完整出塊週期，包含【工作量證明】+【執行】+【共識】+【多方存儲】4個階段。其中，【工作量證明】和【共識】階段耗時最長。由於以太坊的礦池和全節點合起來超過2000個，這些節點要達成【共識】會產生大量的通訊時間；而【工作量證明】是具備彈性的時間填充工具，其設計初衷就是為了讓出塊週期穩定在15秒左右（現出塊週期約為13秒）。
為何要讓出塊週期固定在13秒？這是出於對安全性和去中心化的考量後，所得出的較優解。由於以太坊節點眾多，且物理位置分散，出塊太快會增大節點間信息差，破壞【共識】；比如，如果將以太坊出塊週期降至0.1秒，而將信息傳播至美國和歐洲的不同節點時，存在1秒的時差，那麼美國和歐洲的節點間就會存在10個區塊的信息差異，這就違背了區塊鏈的設計理念。
如果強行將區塊擴容，也會加劇不同節點間的信息差。比如，若將ETH區塊的Gas容量提升10倍，則每個區塊包含的交易數量會提升10倍，不同節點間可產生的信息差也會增加10倍。
按照相關資料，直到以太坊完成POS轉型前，其出塊週期都會穩定在13秒，轉型POS後，出塊週期也只會縮短1秒，穩定在12秒。如此算來，POS轉型最多會讓以太坊的TPS提升10%，有如杯水車薪。
目前，在保證安全性和去中心化程度不變的前提下，ETH的區塊Gas容量與出塊時間基本達到理論上的極限，已無太大優化空間。
OP Rollup擴容方案
如前文所述，出於周全考量，以太坊的區塊容量和出塊週期無法做出太大變動，其TPS基本維持在20以下，近兩年來從未有太大改善。
對此，ETH官方以外的擴容方案走上了不同的道路。 BSC、Polygon等完全獨立於ETH的公鏈對區塊參數做出了修改。以BSC為例，目前其區塊Gas容量上限為8000萬，可達ETH的2.7倍；同時，BSC將參與共識的節點數量壓縮至20幾個，僅為ETH的1%，極大壓縮了節點達成共識的時間，出塊週期縮短到了3秒。這雖然將TPS上限提高到了以太坊的10倍以上，但卻與ETH網絡“百煉成鋼”的安全性完全割裂，去中心化程度也遠低於ETH。
以Rollup為代表的Layer2則秉持不同的理念。雖然其本質也是以太坊之外的公鏈，但仍在很大程度上依附於以太坊的安全性。比如，OP Rollup（Optimistic Rollup）會把Layer2的區塊鏈副本壓縮存儲至以太坊主網，同時：
Layer2本地的出塊週期僅保留【執行】交易的階段；
【工作量證明】被取消；
【多方存儲】功能被轉移至以太坊網絡；
【共識】過程由Layer2的驗證者節點完成，但並不包含在Layer2本地的出塊週期內。
Optimism的原理
以OP Rollup方案中最典型的Optimism為例，其4個最重要的模塊分別為Sequencer（序列器）、Verifier（驗證者）、CTC（交易鏈）、SCC（狀態鏈）。其中，Sequencer和Verifier是有硬件實體的Layer2節點，兩者基本構成了Layer2的節點網絡；CTC 和SCC是部署在以太坊上的合約，這4個模塊組成了Optimism的核心架構。
Sequencer是一個中心化的礦池節點，負責在Layer2本地出塊。 Optimism取締了【工作量證明】過程，由唯一的Sequencer擔任礦工，且不會立刻讓其他節點做【共識】驗證，這節省了大量時間。目前的Sequencer執行完交易馬上就能敲定區塊，本地出塊時間甚至只需1秒，從根源上提高了TPS。
但是，Sequencer具備很強的中心化特徵，它實際上製造了一條獨立於以太坊的側鏈，若沒有【共識】和【多方存儲】流程，必然缺乏安全保障。為了解決這個問題，Optimism在其早期文檔中指出，Sequencer必須質押一定量的資產，並且：
每隔幾分鐘，Sequencer節點會把本地區塊的壓縮版本存儲至ETH主網；這些內容包括交易數據的摘要，以及交易發生後的狀態根StateRoot。這個過程就是Rollup（打包）；
交易數據的摘要被存入ETH上的CTC（交易鏈）合約，對應的狀態根存入SCC（狀態鏈）合約。這會產生兩筆交易事件，此過程中，以太坊系統只負責【多方存儲】內容，不會去檢驗正確性；
Layer2的Verifier（驗證者）會自動讀取Sequencer存儲至以太坊的內容，對其進行審查，這個步驟與以太坊的【共識】類似。
當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行Sequencer節點，存在嚴重的中心化問題。
CTC和SCC是Optimism官方部署在以太坊上的合約，兩者以Batch（批次）的結構，分別記錄了Layer2交易數據的摘要，以及每筆交易執行後Layer2狀態樹的根哈希值。從外觀看，CTC和SCC就像兩個賬單列表。
Layer2的Verifier（驗證者）會自動讀取CTC和SCC這兩個合約中的記錄，盡量拼湊出Sequencer本地的區塊內容，並進行驗證。
若Verifier發現Sequencer提交的數據有問題，便可發起質疑（挑戰），並提交自認為正確的版本，挑戰成功便可改寫CTC與SCC中的錯誤數據，並獲取一定量的代幣獎勵；
Sequencer若被挑戰成功，確認有不誠實行為，則受到一定懲罰，其質押的資產會被扣除一部分；若質押餘額低於劃定的閾值，則Sequencer被強制除名，不再有出塊資格；
以上便是“欺詐證明”機制，指Verifier可披露Sequencer的欺詐行為。
Verifier和Sequencer之間達成的【共識】具有嚴重滯後性。一筆交易提交後會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之後。
Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基於舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉，而新版的“欺詐證明”程序尚未發布。
按照此前技術文檔，Optimism將挑戰的窗口時間設置為7天，若7天內沒有Verifier發起挑戰，則Sequencer發布的內容被敲定，無法再改寫。
從本質來看，Optimism是由Layer1和Layer2上的軟硬件實體組合成的跨域交互系統，其獨特的業務邏輯是在以太坊上構造Layer2區塊的映射版本。由於需要跨域傳輸信息，Optimism的Sequencer和Verifier需要運行以太坊客戶端Geth的山寨版：L2geth，通過該軟件，Sequencer方可實現橫跨Layer2和Layer1的交互。
Optimism的Gas機制及其細節
在Gas費問題上，由於Optimism業務流程有向以太坊存儲數據的步驟，其每筆交易的Gas費=Layer1部分+Layer2部分，而Arbitrum和Metis等其他OP Rollup方案也不外如此。
其中，Layer2部分主要涉及Sequencer節點執行交易的費用。由於Sequencer的TPS上限極高，且當前Optimism的用戶較少，其本地Gas Price超低。計算公式為：L2 Gas費=L2 Gas Used×L2Gas Price。
據OP官方披露，一筆交易的Layer2部分僅佔0.4%，剩餘99.6%的Gas開銷來自於Layer1部分。[1]
將其轉化為簡單的算式： 0.4%×執行費用+ 99.6%×存儲費用。
不難看出，交易的執行費用已經被大幅縮小了。
所以，執行步驟越複雜的交易（期權等），在Optimism上可節省的成本越多。比如，以太坊上一次要100美元的期權操作，在Optimism上只需要1.5美元左右，僅為1/60；以太坊普通轉賬要3美元，Optimism可能要0.3美元，為1/10。
而Layer1部分的Gas費，公式=比例係數×（固定開銷+存儲開銷）。其中，固定開銷來自於打包數據和跨域傳輸的過程，存儲開銷是在ETH上存入數據產生的Gas，比例係數則由Optimism官方設定，主要是為了預留出一部分資金，防止ETH主網Gas價格激增，無法把數據順利存上鍊。
若想深入理解，可以觀察Rollup（打包）和存儲的具體步驟：
在將一批交易數據存儲至以太坊前，Sequencer會壓縮內容，然後將這批交易組合成Batch（批次），傳輸給ETH網絡節點。
每個Batch可包含幾百筆交易數據，就像區塊一樣。發布Batch的時間週期由Sequencer動態調整，目前約為3~10分鐘左右。
所以，打包和傳輸Batch的過程必然有工作量，這會消耗一定的計算資源，固定開銷可以填補這部分成本。目前，Optimism上每筆交易的固定開銷Gas為2100。 Optimism官方表示，隨著未來用戶規模擴大，每個Batch收納的交易數量增加後，固定開銷將進一步下調。
而在Layer1上存儲Batch時，Sequencer會以文本數據Calldata的形式向CTC合約傳入Batch信息，一般而言，文本數據只用於存儲，不會被用於執行運算。比起普通的合約調用，這一步大量節省了Gas。
一般每隔幾分鐘，Sequencer就會向CTC傳輸一個交易Batch，其體驗就像在以太坊上構建由交易Batch構成的鍊錶。之後，Sequencer又會將交易Batch對應的狀態根Batch存入SCC（狀態鏈）合約，該過程與上面提到的類似。
以上過程會消耗Gas，具體的Gas消耗量視存儲的內容多寡而定。不同的交易類型會產生不同的數據量，存儲費用也不盡相同。
OPtimism的理論TPS上限究竟能達到多少？
要探究Optimism的理論TPS上限，我們應當設想一種臨界狀態：
Sequencer本地出塊速度遠高於以太坊主網，那麼Layer2原生內容和Layer1 副本內容之間一直有信息差△。隨著Layer2用戶增多，實際TPS激增，Layer2和Layer1間信息差△可以被擴大；
當Optimism逼近其理論TPS上限時，Layer2和Layer1間每秒的信息差△可以非常大。所以，此時Optimism必須盡快向以太坊主網提交數據，不惜一切代價同步數據；
最終，Sequencer發起的指令，佔用了以太坊區塊的全部Gas，也即以太坊上全部可用的資源，都為Optimism所用，每一個以太坊區塊裡收納的都是Sequencer提交的數據；
以EIP-1559後每個以太坊區塊的Gas上限為3000萬來計算，若Optimism本地執行、向以太坊提交的也都是最簡單的轉賬操作，則此時Optimism的TPS上限約為1600左右【2】。
綜上所述，Optimism的TPS上限至少為以太坊的16倍。考慮到目前Optimism用戶太少，實際TPS甚至不到以太坊的3%，其發展空間最大可達現在的500倍。
對以上內容進行整理，結合實際調查，在此歸納得出：
Sequencer節點自己製造了一條TPS極高的區塊鏈，這便是擴容之源。雖然效率極高，但因其高度中心化，Sequencer可能作惡或宕機；
為了增強安全性，Optimism要求Sequencer質押一定資產，並要求Sequencer在ETH主網上披露Layer2區塊關鍵信息，Verifier會自動讀取，檢查準確性；
由於存儲在ETH上的交易數據是被壓縮過的，且以太坊節點不負責具體執行這些交易，不負責驗證數據的正確性，這可以大量節省Gas。目前，在Optimism上執行複雜的期權操作，Gas費可低至以太坊的1%。
Verifier和Sequencer之間達成的【共識】具有嚴重的滯後性。一筆交易提交後會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之後。由於延時過長，可存在多種類別的攻擊場景，這對Optimism的安全性是潛在的威脅。
Verifier受到的激勵= 挑戰成功的代幣獎勵－節點運行成本。發布“欺詐證明”且挑戰成功是一個不可預測的事件，概率不高，所以Verifier受到的激勵不強，此類節點的數量不易擴充，共識和安全性仍然弱於以太坊。
如前文所述，擴充Verifier最有效的方式是增強激勵，或者開放對等節點網絡。對於尚未發行代幣也未開放對等節點的Optimism而言，難以像Metis那樣通過自己發行的代幣激勵驗證者。所以，當前的Optimism在如何擴容驗證節點規模、增強驗證的時效性上，均面臨著不小的挑戰。
值得注意的是，目前Optimism和Arbitrum等OP Rollup的Sequencer節點均由官方提供，所以，Sequencer懲罰機制是否有效，尚且存在爭議；目前Optimism和Arbitrum的安全性更多來自於項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；
頗為重要的是，Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基於舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉。而新版的“欺詐證明”程序尚未投入運行，目前挑戰機制無法生效。
結語
儘管如今的Optimism炙手可熱，表現出巨大的發展前景和增值空間，但如前文所說，其仍面臨著過度中心化的問題。 GavinWood曾說：“真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。”如果無法及時讓用戶參與網絡維護，那麼所謂的Layer2將和傳統金融平台毫無區別。
在靠著理想化敘事製造擴容願景的同時，已經“大而不倒”的Optimism該如何走向去中心化之路，兌現“欺詐證明”機制和多Squencer輪換的設想，還有待時間去考證。但可以確定的是，從長期看，只有真正的去中心化可以在歷史的風沙之中屹立不倒，永世長存。
參考文獻
《The Road to Sub-dollar Transactions Part 1: Slashing Fees by 30%》
《一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比》
