IDG:以太坊 Layer 2 各大类资产桥方案解析

以太坊自2015年诞生以来，快速成长为最活跃、最繁忙的区块链，无论是从应用的丰富性、链上的资产规模还是从交易量、安全性等指标看，以太坊都是当前无可争议的公链之王。而随着以太坊生态的快速发展，特别是DeFi的彻底引爆，导致原本设计的吞吐量严重不足，根据etherscan.io的每日交易数据统计，当前以太坊TPS在17左右，动辄几十甚至上百美元的Gas费和超长的交易等待时间成为限制以太坊生态进一步蓬勃发展、进入主流世界的主因。

长期以来，整个以太坊社区都在为解决吞吐量和高昂手续费问题而努力，其中一个主要解决方案即以太坊2.0，它将大幅增加每秒交易数量，并将最快于2021年底发布；而如EIP-1559提案，则希望对交易手续费计费方式进行调整，来变相达到降低Gas费用的目的。

与此同时，有一个声音出现了：真的有必要将所有交易都放在主链上计算处理么？

Layer2简介

将本应在以太坊主链即Layer1上处理的交易，转移到Layer2上处理，随后再将结果从L2传回L1确认，我们将这种解决方案称为以太坊Layer2。L2的理论TPS达到了2000-4000，这已经超越了Visa的处理能力——每秒1700笔交易。因此，许多人认为L2方案是以太坊赢得主流用户的关键。

以太坊质押协议ether.fi将分三个阶段启动:3月8日消息，以太坊质押协议ether.fi将分三个阶段启动：第一阶段：四月，在上海升级之后上线主网以及ETH委托质押。第二阶段：2023年Q2或Q3，eETH流动性池上线。第三阶段：2023年Q4或2024年Q1，推出无许可节点市场。[2023/3/9 12:50:35]

目前存在的L2方案，主要包括以下几个：

OptimisticRollups：数据上链、欺诈证明。应用团队包括Optimism、OffchainLabsArbitrumrollup、FuelNetwork；ZKRollups：数据上链、零知识证明。应用团队包括Loopring、Starkware、MatterLabszkSync、Aztec2.0；Validium：数据链下保存、零知识证明。应用团队包括Starkware、MatterLabszkPorter；Plasma：数据链下保存、欺诈证明。应用团队包括OMGNetwork、MaticNetwork、Gazelle、LeapDAO；StateChannels:应用团队包括Connext、Raiden、Perun.需要重点指出的是，侧链方案因为其共识安全性没有继承L1，所以我们并不认为侧链属于L2方案。

以太坊开发者会议：难度炸弹预计6月到来，执行层规范进展顺利:3月26日消息，以太坊核心开发者Tim Beiko发布最新一次的核心开发者会议内容，包括难度炸弹、“上海”升级、以太坊执行层工作进展以及一项针对客户端开发人员的Protocol Guild计划。具体为：

1. 正在加紧测试合并测试网Kiln，以确保所有实施都是安全和稳定的；

2. 以太坊难度炸弹预计在 6 月到来；

3. 目前正在草拟下一个以太坊升级“上海”，计划升级的内容主要有 EVM 升级、激活信标链提款、降低 Layer2 费用等以及其他一些小的升级；

4. 以太坊执行层的可执行规范的工作进展顺利，下一步是协调 EL + CL 升级流程；

5. Protocol Guild 是一项旨在为客户端开发人员和研究人员提供基于以太坊的项目代币补偿的计划，现已拥有 100 多名成员，并且即将启动试点。[2022/3/26 14:19:14]

在众多方案中，Rollups正逐步取得市场的认可，成为以太坊最可靠的扩容解决方案，一方面该方案直接继承了L1的共识机制和安全特性，另一方面它也不会损害L1的安全性和主权。事实上，Vitalik直言不讳的说过，Rollup是以太坊长期扩容解决方案中可以最快被实现的一个。而Rollups的两种方案OptimisticRollups和ZKRollups最大的区别是它们分别使用了欺诈证明(fraudproofs)和有效性证明(validityproofs)来确保batches里的后状态根(post-stateroot)的正确性。

已有27271名验证者完成以太坊2.0 32ETH的抵押:金色财经消息，据欧科云链OKLink数据显示，截至下午2时，以太坊2.0存款合约地址已收到87.29万ETH，已有27271个验证者完成32ETH的抵押。

近24h有约22560ETH被质押到合约地址中，当前抵押年化收益率约合16.6%。

据此前公开消息，在16384名验证者抵押524288ETH后，以太坊2.0的BeaconChain将于12月1日20时启动创世区块。[2020/12/1 22:42:12]

对于Rollups方案而言，如何将资产从L1存入L2，再从L2提回L1，更进一步的，如何从一个L2网络提取到另一个L2网络，是一个核心问题，我们将承担这一责任的基础设施称为桥。

原生桥实现

我们研究了当前主流的Rollup方案的原生桥实现原理，并从Optimistic和zkSync方案中各选取一个代表，进行对比。

Arbitrum

Arbitrum协议利用其L1、L2之间的通信能力，理论上可以无须信任的将任意形式的以太坊资产在L1、L2之间转移。当将资产从L1转入L2时，资产被存入一个L1上的Arbitrum桥合约中，之后一笔相同数量的资产在L2上被铸造并存入指定地址；而将资产从L2转回L1时，资产将在L2上被销毁，随后等量的资产将在L1的桥合约中变为可用。此外，从L2赎回资产到L1时，有一个关键性的区别是，用户发送交易后，必须等待一个挑战期的结束，才能最终在L1上执行。这是由OptimisticRollup安全模型决定的。

dYdX增长总监David：HBTC等H系列资产会加速以太坊DeFi 生态系统发展 ?:在今晚举行的“DeFi 2.0 的新范式：从小众走向华尔街”活动中，去中心化交易平台dYdX增长总监David对Huobi的H系列资产的发行分享了自己的看法，在他看来，作为在以太坊上发行并由其他 Blockchain加密资产支持的资产套件，以HBTC为代表的H系列资产可帮助将更多数字资产带入以太坊 DeFi 生态系统。?

David总结认为，H系列资产的发行将使加密货币世界中的更多用户受益于 DeFi，加速以太坊 DeFi 生态系统的发展，并促进基于以太坊的资产的 增长。作为集中化和去中心化之间的桥梁，H 代币使全球数百万用户真正受益于DeFi 的 发展。

dYdX将继续与 Huobi 讨论如何促使H系列资产和H系列资产持有人加入其交易平台。[2020/10/9]

值得注意的是，官方建议使用「可重试票据RetryableTickets」机制进行L1、L2之间的通信。可重试票据的运作方式大致如下：L1向L2发起的交易首先被存入inbox中，并附带calldata、callvalue、gasinfo等交易参数。当这笔交易首次执行失败后，它将被放入L2的「重试缓冲区」中，这意味着在一段时间内，任何人都可以通过重新执行这笔交易来赎回票据。L2至L1的重试交易没有时间限制，争议期结束后的任何时间点都可进行。

Dahlia Malkhi：以太坊Casper验证方法是给富豪更多权利:分布式系统专家、VMware researcher创始人Dahlia Malkhi批评了以太坊社区2018年的Casper协议，认为它使得财富团体有了更多权利。Casper协议使得货币证明不需要像比特币那样通过计算机算力解题消耗大量能源来通过验证增加区块，而是让参与者直接验证区块并获得奖励来添加新的区块，旨在提供一种更好更绿色的算法。[2018/3/4]

这种机制设计主要是为了应对这样的场景：当某个用户希望将某笔token从L1存入L2，首先会将这些token存入L1的桥合约中，同时在L2上铸造等量的token。假设L1上的交易已经完成，但是L2上的交易却因为手续费不足失败了，这会导致一个严重问题：用户在L1上的token已经转出，但是在L2上却没收到token，实际上，这些token被锁在了L1的合约里。通过可重试票据机制，用户，可以在一周内，使用足够的手续费重新执行这笔交易，并最终在L2上获得token。

以下是Arbitrum原生桥的基本步骤：

L1->L2

用户从L1发起Deposit交易资产存入L1合约，交易被批量存入Inbox中交易在L2被执行，铸造资产转入指定地址如果交易失败，则交易被存入L2的重试缓冲区，用户可以在一个挑战期内发起重试L2->L1

用户在L2发起Withdraw交易L2链将在一定时间内收集到的交易打包，生成默克尔树，并将根节点作为OutboxEntry发布到L1的Outbox中用户或者任何人可以对根节点和交易信息进行默克尔验证挑战期结束后，用户即可在L1完成交易，如果交易失败，则用户可以发起重试详情可参考官方文档。

zkSync

在桥实现上，zkSync和Arbitrum相比，主要的区别在于Withdraw时，对交易的验证采用了基于零知识证明的有效证明，而非欺诈证明，其基本步骤为：

L2—>L1

用户在L2发起Withdraw交易：将交易数据编码为字节串，并使用正确的zkSync私钥对该字节串进行签名，并为交易描述生成Ethereum签名或提供EIP-1271签名，通过相应JSONRPC方法发送交易发送交易到L1：交易进入zkSyncoperator创建的区块，并发布到L1上的zkSync智能合约中对区块进行验证：若干分钟后，证明该区块正确性的ZKproof将生成，该proof会通过一个验证交易发布到L1上，直到这个验证交易完成，Withdraw交易完成详情可参考官方文档。

可以发现，在退出时间上，zkRollup方案明显优于OptimisticRollup方案，但由于zkRollup要实现完全兼容EVM尚需时日，所以预计OptimisticRollup仍然会成为前期主流L2方案。也正因此，利用第三方桥来解决OptimisticRollup退出期太长的问题，来带给用户更好的使用体验，成为一些团队努力的目标。

DeGateBridge设计理念和实现原理

DeGateBridge的目标是在Rollup生态早期能够帮助以太坊资产迁移门槛最大程度的降低，服务基于以太坊Rollup的二层基础设施的应用大规模落地。我们认为在现阶段基础设施条件下，优秀且足够好的流动性解决方案需要具备:

第一，能够通过市场方式对不同层的流动性分布进行自动调节。第二，能够实现资金效率最大化的0资金冻结的非预付方案。第三，最低的Gas消耗和最优的用户体验也至关重要。

DeGateBridge基于优化稳定币AMM曲线和交易市场的方式实现跨层资产转移的快速通道，受限于提供L2状态的预言机的咱不完善，首期的DeGateBridge将通过中心化托管资产的方式实现，当以太坊L2上出现成熟的预言机服务后，DeGateBridge将转向以去中心化的方式实现资产的桥接。

DeGateBridge详细方案设计，可参考文章：基于低滑点AMM曲线的跨Rollup流动性方案

Bridge方案对比

在这一小节中，我们将对已上线生产或者测试网的原生Bridge和DeGateBridge进行实测，并主要考察以下几项指标：

上下桥Gas费用；上下桥时效性；操作复杂度；我们在测试中统一使用ERC20代币而非ETH，同时我们按ETH价格$4000，GasPrice为100Gwei对手续费进行拟合。

最终对比结果如下

Withdraw手续费计算方式说明：

Optimism(SNX)：提币操作会聚合多笔交易，按总手续费除以交易笔数计算Arbitrum(Testnet)：二层费用不计，只计算一层交易消耗Gas费zkSync：费用在二层以多种token支付，通过一层到账交易计算大概成本DeGateBridge：费用在二层以多种token支付，通过一层到账交易计算大概成本通过对比可见：

时效性：OptimisticRollup的下桥时间普遍需要2天-1周，表现较差，DeGateBridge的表现较好，接近即时；Gas费用：Optimism表现最差，DegateBridge的手续费消耗最少，特别是还节省了Approve的手续费；操作复杂度：DeGateBridge可以在无需用户Approve的情况下直接交易，对用户体验更加友好；展望

我们相信Layer2和以太坊2.0的相继落地，将有机会成为以太坊的二次增长曲线，使以太坊进化为承载数万亿美元规模的经济带宽。而L2Bridge将作为区块链基础设施之一，在这一进程中发挥重要的作用。

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