李无知

一. 概述

以太坊扩容方案有很多，以太坊官方有详细描述，其中把扩容分类为：

1. 链上扩容onchain

代表方案sharding。需要直接对layer1进行修改，代价高昂，进展缓慢。

2. 链下扩容offchain

这种方案的思路是把部分数据和计算从链上转移到链下，把运算结果打包上链。其中涉及两个相关名词：

• operator。offchain的运营方，又往往被叫做sequencer, validator等。
• DA， data availability。交易数据保存在哪儿。比如说da在offchain，即指交易数据保存在operator方，对以太坊不可见。

链下扩容方案分为两大类：

独立链方案：operator运行一条独立于以太坊的链，且管理DA。分为三类：

• sidechain。比较成熟的方案，但存在operator信任问题，如Polygon PoS。
• plasma。致力于解决operator的信任问题，但方案不成熟，逐渐被淘汰，如OMG network。
• validium。通过zk技术解决operator信任问题，逐渐被接受，如StarkEx，zkPorter。

layer2方案：operator不需要独立的链，仅负责运算，不管理DA。分为两类：

• op rollup。采用fraud-proving机制，如Optimism，Arbitrum。
• zk rollup。采用zkSnark/zkStark算法，如zkSync, Starknet。

二. 独立链介绍

独立链中operator运营一条独立于以太坊的链，由operator控制DA，而不是以太坊。

1. sidechain

sidechain是比较成熟的方案，但存在信任问题，即用户首先得信任operator。原因是sidechain独立保存了用户的数据，仅仅是把核心的状态根，更新到layer1。从layer1的视角，即不知道交易数据，也不知道交易数据的执行结果，因此layer1无任何手段防止operator作恶。

工作原理

以Polygon Pos为例，我们看下其官方架构图：

其中的核心模块有：

• rootchain。部署在以太坊上的合约。
• POS。通过POS机制选举validator，vadlitor负责打包sidechain和sidechain之间交互，以及sidechain出块。
• sidechain。负责出块和执行交易。
• bridge。用跨链桥在以太坊和polygon pos之间实现资产转移。

这期间，用户的资产完全由sidechain管理，以太坊上无检验sidechain作恶的机制，意味着用户必须无条件信任sidechain。

sidechain的特点总结如下：

• 彻底独立于以太坊的链，包括独立的共识，独立的区块结构。
• tps高，手续费低。因为operator可以采用不同的共识，比如dpos，中心化程度高就可以提高tps，以及降低手续费。
• 无法阻止operator作恶。

2. plasm

plasma在2017年，由Vitalik Buterin和Joseph Poon发表的paper中提出，算是ETH官方的亲儿子。

plasma致力于解决operator的信任问题，通过fraud proof机制，验证operator作恶，但DA问题却一直困扰着plasma本身，导致plasma慢慢退出主流市场。这里详细分析了plasma失败的原因。比如需要用户自己判断offchain数据是否安全，脆弱的用户退出机制等。

工作原理

plasma采用了fraud proof机制，来防止operator作恶。

这张图简单的描述了plasma的fraud proof流程(图片来源)：

plasma需要把区块提交到RootChain(以太坊)。假设区块 1-3 已经被验证合法，而区块 4 中存在恶意交易，那么用户可以构造证明提交到主链，主链验证后将plasma链中的状态回滚到区块 1-3。

整个fraud proof的挑战期一般为7天，7天过后，区块最终上链以太坊（finality)，此时该区块中的withdraw交易才有效。因此，从用户视角来看，需要7天才能从plasma撤回资产。

用户视角资产的进入和退出流程(图片来源)：

在第3到4步，用户在从plasma撤回token的时候，不能马上成功，要等待数天(一般是7天)的fraud proof挑战期。

plasma的特点总结如下：

• 致力于防止operator作恶的链，但设计不完善，阻止operator作恶的成本太高。
• operator必须提交区块的执行结果到以太坊。
• fraud proof机制，以太坊先乐观接受operator提交的结果(state root)，等待用户提交欺诈证明Fraud Proof。意味着以太坊上可能存在错误的state root。
• 欺诈的判定有对应的经济奖惩机制。
• 用户可证明operator作恶，作恶证据需要用户从operator获取。
• 撤回资产有7天窗口期。
• mass exit问题。operator作恶会导致大量用户退出plasma，进而堵塞以太坊网络。

虽然plasma失败了，但他们换种方式成功了，2017年plasma paper被发表的时候，一个叫做plasma group的非营利性组织宣称致力于plasma的实现和研究，2020年2月的时候，这个组织宣布改名了，他们转为了营利性组织，新的名字叫做Optimism，没错，plasma脱胎换骨成op rollup活下来了。

事实上，除了DA以及一些功能性的不同，如支持智能合约等，op rollup和plasma的机制是几乎一致的。

3. validium

validium和plasma的目标一致，解决operator的信任问题。validum采用了zk技术获得了成功。

工作原理

我们用StarkEx的结构来介绍validium(图片来源):

• 整体分为两条链：以太坊和StarkEx。
• 区块执行后，StarkEx往以太坊提交zk proof，等待以太坊上部署的合约验证。
• 验证通过，StarkEx往以太坊上更新State root，注意这里只更新State root，完整的state(默克尔树)和交易并不保存在以太坊，也就是DA还是在StartEx。

validium的特点总结如下：

• 用zk机制防止operator作恶的链。
• operator必须提交区块的执行结果到以太坊。
• 用zk验证防止operator作恶。以太坊上不可能出现错误的state root，解决了Fraud Proof和challege问题。
• 可直接在以太坊上撤回资产。但需要提交proof，而proof数据需要operator提供。
• 存在10～30min的finality time。主要是生成zk证明的耗时。

可以看到validium和zk rollup是非常相似的，事实也是如此，二者最大的差别，在于DA。

三. 独立链对比

概述：

• sidechain比较成熟，但需要信任。
• plasma存在设计缺陷，逐渐淘汰。
• validium和plasma目标一致，崭露头角，可能会取代sidechain，比如Polygon计划把Pos升级为Validum。

sidechain

优点：方案成熟支持EVMtps高，手续费低。

缺点：需要信任operator不可绕过operator从以太坊上撤回资产。

DA： offchain。

代表产品：Polygon PoS。

plasma

优点：可证明operator作恶。

缺点：

• 不支持智能合约(因为plasma设计为(owner，state)这样的机制，即每个用户都有对应的state，便于撤回资产，但是普适性的智能合约就过于复杂，无法定义(owner，state)，这里有详细讨论)。
• 防欺诈机制不完善，作恶需要用户自己收集数据发现，而数据由operator控制撤回资产耗时数天。
• mass exit问题导致以太坊网络拥堵。

代表产品：OMG network(已废弃）Polygon Plasma Bridge(已废弃)

validium

优点：用zk防止operator作恶，Withdrawal耗时短

缺点：

• zk计算成本高，容易导致operator中心化对智能合约支持困难。因为用zk电路的方式处理EVM指令过于复杂。常用于payment，以及token swap场景。
• DA由operator控制，用户有无法撤回以太坊上资产的风险，需要一定程度上信任operator，这是和zkrollup最大的区别。

代表产品：

• StarkWare StarkEx。采用了Volition，支持在validium和zkr之间切换。
• Matter Labs zkPorter zkPorter现在仅有测试网，不是zkSync的主流产品。