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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；
前言
前言
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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。
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。
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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。
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。
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（可以看到，Gas Price連續上漲了4個區塊的時間）
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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。二級標題
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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【多方存儲】。
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圖片描述（以太坊節點數量及物理位置分類）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）。
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（以太坊節點物理位置分佈）
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。目前，在保證的前提下，ETH的區塊Gas容量與出塊時間基本達到理論上的極限二級標題
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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。
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（BSC區塊的平均Gas上限）
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：
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Optimism的原理
二級標題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。
從外觀看，CTC和SCC就像兩個賬單列表。
Layer2的（注：狀態樹是一個數據庫，記錄鏈上地址的信息。獲取狀態樹根和交易數據摘要，便可拼湊出Layer2本地的區塊內容。一般而言，SCC合約中存儲的Layer2狀態根更為重要，獲取狀態根後，結合交易數據進行計算，便可知曉Sequencer是否擅自改寫了用戶地址餘額。）Layer2的
Verifier（驗證者）會自動讀取CTC和SCC這兩個合約中的記錄
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；
欺詐證明欺詐證明欺詐證明
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。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二級標題
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二級標題在Gas費問題上，由於Optimism業務流程有向以太坊存儲數據的步驟，，而Arbitrum和Metis等其他OP Rollup方案也不外如此。
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]
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。
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（Optimism官方對手續費結構的解釋）
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。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。
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（Sequencer向CTC傳入的數據，是一堆16進制數形式的字符）
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（Optimism提交的狀態根Batch）
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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：
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；
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（W3.Hitchhiker團隊計算的各種Layer2方案理論TPS上限）
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。
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；
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Verifier和Sequencer之間達成的【共識】具有嚴重的滯後性。圖片描述
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（Optimism的Sequencer上傳到Layer1的狀態根Batch，週期居然可以達到1小時）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。
結語
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一級標題結語”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。
一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比
一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比
參考文獻
