以太坊 Layer 2 扩容之路：Plasma 的衰落与 Rollup 的兴起

作者：Ashwin Ramachandran和Haseeb Qureshi，前者为区块链风投机构蜻蜓资本初级合伙人以太坊有人运营吗，后者为蜻蜓资本管理合伙人

编译：詹娟

那是 2017 年 8 月。随着以太坊的原生代币 ETH 的价格接近历史高位，以及以太坊区块链的使用量激增，不断增长的需求不堪重负，研究人员和开发人员正在疯狂寻找新的扩展解决方案。 在世界各地的区块链会议上，开发人员讨论了不同的扩容方案。 以太坊社区迫切需要一个解决方案。 在一片狂热中，Plasma 论文的第一个版本发布了，承诺了一个第 2 层扩展解决方案，它说可以处理“世界上几乎所有的金融计算”。

Vitalik Buterin 和 Joseph Poon 在旧金山的一次会议上介绍 Plasma

TechCrunch 对 Plasma 的报道

让我们再次快进到2020年。 以太坊一如既往地慢，但它击败了所有所谓的“以太坊杀手”。 以太坊 2.0 的发布日期不断被推迟，随着许多开发团队的死亡，Plasma 似乎已经完全消失了。

optimistic 和 ZK rollup 等新解决方案被誉为最佳扩容解决方案。 而等离子的记忆，似乎消失的无影无踪。

那么，是谁杀死了 Plasma？

让我们把时间拨回2017年初，以太坊首次走上主流，人们对不久的将来充满无限乐观。 一些人声称所有有价值的资产都将很快被标记化。 在旧金山的各种聚会上只有站立的地方，每当提到以太坊时，人群就会聚集起来。 但是以太坊没有实现可扩展性。

在这种热潮中，Vitalik Buterin 和 Joseph Poon 发表了一篇论文，介绍了一种新的第 2 层扩展解决方案，称为“Plasma”。

Plasma 大胆宣称使以太坊能够扩展到 Visa 级别的交易量，这让开发人员和社区感到兴奋。 不久之后，以太坊研究团队聚集在 Plasma 周围，将其视为以太坊可扩展性问题的解决方案。

但 Plasma 到底是什么，为什么它最终没有兑现它的承诺？

等离子如何工作？

最初的 Plasma 白皮书描述了一种构建 MapReduce“区块链树”的机制。 树中的每个节点代表一个连接到其父节点的唯一区块链，所有这些区块链排列成一个巨大的层次结构。 然而，最初的规范是模糊和复杂的。 在其发布后不久，Vitalik 在一篇名为 MVP（Minimal Viable Plasma，Minimal Viable Plasma）的新论文中简化了该规范。

Plasma“区块链树”

MVP 提出了 Plasma 的简化版本：一个简单的基于 UTXO 的侧链，在数据不可用的情况下保持安全。 但什么是侧链？ 数据不可用是什么意思？ 在深入研究 Plasma 之前，让我们先看看这些术语的含义。

侧链是连接到另一个区块链的区块链。 侧链可以以许多不同的方式运行，例如由受信任的第三方、联盟或共识算法。 例如，Blockstream 参与了比特币网络上名为 Liquid 的联盟侧链。 Liquid 在其信任模型中做出权衡，从而确保更高的交易吞吐量。 用户必须相信联盟不会串通盗取资金。 在这种情况下，区块链运营商是 Liquid 联盟的各个成员，例如 Blockstream。

液体挂钩和挂钩机制的可视化

侧链通过双向挂钩连接到更大的区块链（例如比特币）。 用户可以通过将资金发送到主链上的特定地址或智能合约来将资金存入侧链。 这被称为“挂钩”交易。 用户要提取资金，可以在侧链上执行相同的操作，将资金取回主链。 这被称为“转出挂钩”交易。

但这与 Plasma 有什么关系呢？

正如我们在上面的例子中看到的，将资金从侧链转移需要一个关键组成部分：信任。 用户必须相信侧链运营商不会带着他们的钱潜逃。

但是区块链的主要特点不就是免信任吗？ 如果用户想在不信任其运营商的情况下与侧链交互怎么办？

这正是 Plasma 旨在解决的问题。

Plasma 旨在最大限度地减少对侧链运营商的信任要求。 也就是说，即使运营商（或多数共识）行为不当，Plasma 也能防止资金被盗。

但即使运营商不能直接窃取资金，侧链还有另一个问题。 如果侧链运营商发布了区块头但拒绝发布底层交易数据怎么办？ 这将防止任何人验证侧链的正确性。

这个概念称为数据不可用性。 即使运营商拒绝提供交易数据，Plasma 也会努力保护用户安全——如果运营商拒绝发布数据，所有用户仍然可以取回资金并退出侧链。

Plasma 以其在安全性和可扩展性方面的巨大承诺给人们带来了希望。 因此，在 2017 年的牛市期间，人们普遍认为 Plasma 可以解决以太坊的可扩展性问题也就不足为奇了。 但随着市场在 2018 年苏醒，区块链炒作破灭，一幅更真实的等离子图景开始出现。

在实际部署中，Plasma 带来的问题多于解决方案。

第一个问题是每个用户都必须监控和验证 Plasma MVP 链上的所有交易，以发现恶意操作者的行为并及时退出。 然而，交易验证的成本很高，而且这种监控需求会大大增加参与 Plasma 链的开销。

研究人员还意识到用户很难退出 Plasma 链。 当用户试图从 Plasma MVP 链中提取资金时，他们必须提交退出交易请求，然后等待一段时间。 这就是所谓的挑战期。 在挑战期间的任何时候，任何用户都可以通过提供取款无效的证据来挑战另一个用户的取款（例如，他们正在铸造假代币或窃取他人的代币）。 因此，所有提款只能在挑战期结束后才能处理，其中一些可能长达 1 周。

但事情变得更糟了。

请记住，即使运营商隐瞒数据，我们也希望用户能够从 Plasma 链中提取资金。 MVP 是这样处理的：如果 Plasma 交易数据被隐瞒，每个用户都需要退出并根据 Plasma 链的最后一个有效状态获得资金。 （注意：为避免恶意操作者抢占诚实用户，退出的优先级取决于他们最后一次交易的时间。）

以太坊存储的增长

在最坏的情况下，如果所有用户都需要退出一条 Plasma 链，则必须在挑战期内将整个链的有效状态发布到以太坊主网。 考虑到 Plasma 链可以任意增长，而以太坊区块已经接近其容量，将整个 Plasma 链转储到以太坊主网上几乎是不可能的。 因此，几乎可以肯定，大量的退出将排挤以太坊。 这就是所谓的批量退出问题。

随着 2018 年价格开始暴跌，以太坊的追随者开始意识到 Plasma MVP 并不是他们所希望的万能的可扩展性解决方案。 根本没有办法克服它的弱点。 Plasma MVP 是一条死胡同。 以太坊仍将在其交易负载下挣扎，而以太坊 2.0 还需要很多年。

下一代等离子

2018年年中，随着价格持续下跌，以太坊研究社区不断尝试改进Plasma，反复研究Plasma MVP的设计。 他们提出的新版本称为 Plasma Cash。

根据其首席设计师 Vitalik Buterin 的说法，Plasma Cash 将允许每秒任意高的交易量，并解决困扰其前身的问题。 一些人甚至声称新设计可以达到每秒数十万笔交易。

首先，让我们记住 Plasma MVP 问题。

如果操作员行为不当，则存在批量退出问题

用户必须等待整个挑战期结束才能提款

用户必须监控 Plasma 链上的所有交易

与 MVP 相比，Plasma Cash 有一大优势：通过使用不同的数据模型，Plasma Cash 可以完全避免批量退出问题。 在 Plasma Cash 中，所有代币都表示为不可替代代币 (NFT)，这使得证明一组代币的所有权变得更加容易。 简而言之，用户有责任证明他们拥有代币而不是其他人。 因此，用户只需要监控自己的代币，而不需要监控整个 Plasma 链。

Plasma Cash 还提出了一个新的交互式挑战系统，允许用户在操作员行为不当的情况下轻松提取资金。 利用称为“稀疏 Merkle 树”的新 Merkle 树结构，用户可以使用包含证明轻松验证代币的历史和所有权。 在运营商行为不当的情况下，用户只需出具自己当前拥有的代币的链上证明（包括最近的2笔交易和相应的包含证明）。

然而，Plasma Cash 带来了一系列新问题。

首先以太坊有人运营吗，恶意用户或过去的代币所有者可能会做出虚假的取款尝试。 因为用户需要证明他们拥有自己的代币，所以实际上由这些用户来发现并质疑他们的钱被骗了。 因此，与 Plasma MVP 一样，Plasma Cash 要求用户至少每两周在线一次，以便及时发现挑战期间的错误提款。

此外，为了证明代币的所有权，用户必须维护该代币的整个历史记录以及相应的包含/排除证明，从而导致存储需求不断增加。

到 2018 年底，ETH 价格已经见底，乌托邦式的乐观情绪消失了。 虽然 Plasma Cash 是对 MVP 的改进，但它并不是以太坊当年承诺的 Visa 级解决方案。 它的 MapReduce“区块链树”现在只是一个白日梦。 大多数为 Plasma Cash 开发客户的公司都搁置了他们的工作，他们的实施只完成了一半。

以太坊社区陷入僵局。 虽然新的 Plasma 架构不断涌现，并比其前身略有改进，但以太坊社区未能团结起来支持其中任何一个。

等离子似乎已经死了。

汇总显示

就在对 Layer 2 信心触底的时候，一位化名 Barry Whitehat 的用户在 GitHub 上披露了一项名为“roll_up”的提案。 报告描述了一种新型的 layer-2 扩容解决方案：一种类 Plasma 架构，不依赖对运营商的信任，将交易“打包”，打包的正确性可以通过使用 SNARK 的 On-chain evidence 来证明.

这个 SNARK 确保运营商不可能发出恶意或无效的交易，并确保所有侧链区块都是有效的。

不久之后，Vitalik Buterin 发布了 Barry 方案的改进版本，他称之为 zk-Rollup。 zk-Rollup 成为以太坊论坛上观看次数最多的话题之一。 Vitalik 建议引入一种解决方案来避免困扰 Plasma 的数据可用性问题：在以太坊区块链上发布侧链交易数据。

将交易数据作为函数参数发布，意味着可以在发布时进行验证，然后丢弃，不占用以太坊存储空间。 zk-Rollups 可以在不牺牲可负担性或安全性的情况下避免 Plasma 的游戏外和挑战期。 借助 zk-Rollup，可以使用新的密码学一次性解决 Plasma 的所有第 2 层扩展挑战。

Vitalik 的 zk-Rollup 帖子

但是 zk-Rollup 有自己的一套权衡。 产生有效性证明在计算上是昂贵的。 这些zk-SNARKs会在每个区块产生，最长可能需要10分钟，每次验证的成本高达350,000 gas（伊斯坦布尔升级后），约占整个区块的3.5%（升级前）伊斯坦布尔升级占 8%)。

此外，目前无法在 zk-Rollup 侧链上部署通用智能合约。 目前正在开发专门的零知识虚拟机，例如 zkVM 和 ZEXE，但在与它们交互时仍然需要大量专业知识。 在大多数情况下，zk-Rollups 限制了一般的可编程性。

zk-Rollup 可视化，Georgios Konstantopoulos 的映射

到 2019 年年中，这些新发展重振了以太坊的研究社区。 zk-Rollup 似乎解决了许多困扰第 2 层的问题。Matter Labs（我们的投资组合公司之一）和 LoopRing 等公司开始积极开发 zk-Rollup，这两家公司现在都有用于实施的测试网。 通过优化，Matter Labs 相信它可以在 ZK 同步网络上达到 2,000 TPS。

乐观是一剂良药

但并非所有人都将希望寄托在 zk-Rollup 上。 在第一个 zk-Rollup 规范发布一年后，John Adler 和 Mikerah 引入了一种他们称为 Merged Consensus 的设计。 Merged Consensus 支持链下共识系统，该系统可在以太坊上完全验证，无需任何花哨的零知识密码学。 Plasma 团队后来发布了合并共识设计的扩展版本，添加了现在有点臭名昭著的名称：Optimistic Rollup。

zk-Rollup 依赖 zk-SNARKs 来验证和最终确定每个区块，而 Optimistic Rollup 采用不同的方法：为什么不假设每个区块都是有效的？

当每个人都诚实时，这在 Happy Paths 中很有效，但我们知道操作员可能会出错。 那么 Optimistic Rollup 将如何处理算子的错误行为呢？

“乐观”的答案是使用欺诈证明。 欺诈证明是操作员执行无效操作的计算证明。 如果运营商发出无效的状态转换，任何人都可以提交转换无效的证明并恢复这些交易（大约 1 周时间）。 由于这些证明是非交互式的，因此任何人都可以发送它们：用户无需监控其代币的安全性。

但是，与 zk-Rollup 不同，Optimistic Rollup 需要 3-5 倍的交易数据才能完成。 这些数据主要包括签名数据等见证（zk-Rollup 不需要这些数据，因为它在零知识中验证这些数据）。 在最好的情况下，optimistic rollup 交易永远不需要验证，除非提交欺诈证明。 然而，验证和发布链上见证是昂贵的，开发人员探索了聚合签名机制，允许廉价的大规模验证并减少交易数据要求。 这种优化可以将 Optimistic Rollup 的理论 TPS 从当前的 ~450 TPS 一直提高到潜在的 ~2,000 TPS。

Optimistic Rollup 提供了一组与 zk-Rollup 截然不同的权衡。 它们的成本较低（假设欺诈的挑战极为罕见），但它们的安全性较低，换句话说，始终存在错误应用交易然后在以后恢复它的可能性。 这个安全窗口可以长达一周。 因此，用户不能在这个安全窗口内退出（否则可能卷走别人的资金）。

然而，这些退出问题可以通过引入二级市场得到改善。 用户可以将退出权出售给第三方流动性提供者，以换取少量费用。 （流动性提供者将因在一周内保持非流动性而获得奖励）。 这将允许用户立即退出汇总链。

虽然 zk-Rollup 要求程序员了解复杂的约束系统和高级密码学，但 Optimistic Rollup 允许通用智能合约部署（例如 Solidity）。 这意味着像 Uniswap 这样基于智能合约的协议可以建立在 Optimistic Rollup 侧链上。

Rollup 系列解决方案提供了类似的方法来解决 Plasma 的数据可用性问题和退出复杂性，但它们都有可能极大地扩展 Plasma 的结构。 例如，IDEX 已经构建并部署了他们自己的 Optimistic Rollup 版本，并在此结构之上运行去中心化交易所 (DEX)。 同样，Fuel Labs 构建了一个允许 UTXO 式支付和 ERC-20 代币交换的 Optimistic Rollup 版本。 Plasma Group（现为 Ethereum Optimism）最近宣布，他们正专注于 Optimistic Rollup，旨在（通过他们的 Optimistic 虚拟机构建）在他们的平台上提供通用的智能合约性能。

一切上升必汇聚

Plasma 最终不仅仅是一个协议。 在非理性繁荣时期，Plasma 是以太坊需要相信的故事。 但事后看来，它声称的无限可扩展性是一种技术傲慢。 只有随着 Plasma 的发展，我们才会敏锐地意识到第 2 层扩展中固有的权衡。

ETH价格在去年有所回升，人们看好ETH的未来。 在探索了近三年安全、可扩展和稳健的扩展解决方案之后，以太坊研究社区最终围绕 rollups 达成共识。 Plasma 和它的兄弟们最初的尝试是崇高的，但一群创新者最终创造了一个更现实的第 2 层设计，似乎解决了 Plasma 最糟糕的问题。

一些专注于 Plasma 的研究小组，例如 Plasma Group，已经致力于 Optimistic Rollup 解决方案。 但我们相信，寻找最终的第 2 层扩展解决方案才刚刚开始。 这个领域有很多竞争者，我们希望这仍然是一个活跃和令人兴奋的研发领域。

感谢 Tom Schmidt、Georgios Konstantopoulos 和 Ivan Bogatyy 审阅本文的草稿。