原文标题：L2-理解和思考
Layer2是个大的话题。是否去中心化，是否安全，资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间，总结一下Layer2的理解和思考。
Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下：
除了Layer1的交易外（入金），其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态，所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见，也为了和Layer1保持一样的安全性，所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问，称为"Data Availability"（数据可用性）。所有的Layer2交易都在Layer2执行，并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确，不同的layer2方案有不同的实现方法。
从Layer2状态同步方式，Layer2分为两类：一类是侧链实现（Side Chain），一类是Rollup。侧链，就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点，整个侧链的安全性，就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种：一种是zkRollup，一种是Optimistic Rollup。所谓Optimistic Rollup，乐观性Rollup，期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时，为了防止同步错误的状态，提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下，Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式，通过零知识证明技术，在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下：
V神：马斯克将狗狗币扩展10倍计划存在根本缺陷:以太坊联合创始人Vitalik Buterin发表一篇关于区块链可扩展性限制论文，其中对特斯拉首席执行官伊隆·马斯克（Elon Musk）此前言论给予批评。Vitalik Buterin主要针对伊隆·马斯克在5月15日发布一条推文，后者在推文中计划将狗狗币区块大小增加900%，旨在将狗狗币变成主流区块链，伊隆·马斯克表示：理想情况下，如果区块大小扩大十倍，狗狗币交易速度会有所提升，交易费将会下降100倍，然后胜出。
Vitalik Buterin认为，区块链可扩展性和吞吐量急剧增加可能会导致极端中心化问题并损害区块链的基本属性，他强调了去中心化管理的必要性，尤其是消除网络产生单点故障的风险，继而享有免受协同攻击的保护，如果没有普通用户自由运行节点的权限，就无法实现去中心化。Vitalik Buterin希望让普通用户能够运行节点，使其变成一种常见活动，他断言分片可以促进许多中心化区块链实现可扩展性，Vitalik Buterin根据以太坊网络的当前状态预测，分片的以太坊可以每秒处理一百万笔交易，并且确保区块链的完全安全性。（Cointelegraph）[2021/5/24 22:37:59]
zkRollup，按照采用的零知识证明协议又分为三类：1/ Groth16 2/ PLONK 3/ STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(Trusted Setup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是，相对另外两种算法，STARK协议，证明数据量大，验证时间长。相对来说，在Layer2的场景下，PLONK是目前广泛使用的算法。
STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较（来源于Matter Labs的github链接）：
https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs
总结一下，从安全性角度看，各种Layer2的排序如下：zkRollup，optimistic Rollup，侧链。从提现的时间也印证了安全性，zkRollup的提现是分钟级别，其他两种方案，小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目，zkRollup，虽好，目前存在很大的缺陷：可编程性差。
相对其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说，在Layer2每个交易除了“执行”外，还需要生成证明，证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道，零知识证明的安全性在于”电路“的安全性。对于Layer2，每种交易的处理”固化“为电路，电路逻辑完全公开。对应于每种电路，存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明，符合固化电路的逻辑。
关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式，供所有人查阅电路逻辑。简单的说，为了实现zkRollup，需要实现Layer2执行对应的电路。事实上，电路的实现相对复杂，没有高级语言，很多情况下都是手写R1CS。进一步，为了利用zk证明系统，为了优化电路的实现，整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构（merkle树）。所以，zkRollup的系统需要考虑电路的结构，从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现，不管是zksync/zkswap/loopring，都只实现了特定交易场景。
反过来说，如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行，需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易，再者，EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看，这方面会限制整个zkRollup的性能。
再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分（withdraw不考虑在内）：
Transaction Raw Data：在zksync中称为pub data。为了保证data availability，所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。
Layer2 Block管理：在Layer2提交区块状态时，Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。
验证Layer2 Block状态：在Layer2提交证明时，Layer1需要验证状态证明。
以一个区块350笔交易，每个交易的Transaction Raw Data的大小为20字节为例，一个区块处理的gas消耗：
虽然上述的数据不是精确值，但是足以说明交易原始数据在整个zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。从这个角度看，Layer2的有些项目选择通过其他链下的方式存储交易数据。
Optimistic Rollup兼容EVM。也就是说，Layer2支持可编程性，并且在以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了保证链上的状态正确，这两种方案都提供一段时间内的挑战机制。挑战者提供挑战的证据，Layer1抉择正确与否。
Optimism采用OVM执行Layer2交易。取名OVM是为了区分Layer1的EVM。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是说，Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。Optimistic Rollup最复杂的地方也在于此，用EVM模拟OVM，并执行Layer2的交易。可想而知，在Layer1的EVM模拟OVM的执行是比较繁琐，消耗较大的操作。
Arbitrum也是采用挑战机制。为了避免挑战的gas费用低，Arbitrum引入了AVM：
相对于EVM，AVM是一个相对简单的虚拟机。Arbitrum在AVM虚拟机上模拟EVM执行环境。也就是说，所有的Layer2交易都是在AVM执行，交易的执行状态可以用AVM状态表示。在提交到Layer1的状态有分歧时，挑战双方（Asserter和Challenger）先将状态分割，找出“分歧点”。明确分歧点后，挑战双方都可提供执行环境，Layer1执行相关操作确定之前提交的状态是否正确。在Layer1挑战的是AVM的状态，分歧点的AVM的指令执行。
简单的说，为了省挑战的gas费用，Arbitrum采用了精简的AVM（非常方便状态表示），通过快速分割，在链上只需要执行一个指令，判断状态是否执行正确。Arbitrum介绍文档中提到，整个挑战需要大概500字节的数据和9w左右的gas。在AVM的基础上，Arbitrum设计了mini语言和编译器，模拟了EVM的执行环境，从而兼容EVM。
总结：
Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。资金状态确定性时长，安全性，可编程性是目前讨论的焦点。zkRollup是资金状态确定性最快的方案。optimistic Rollup/侧链具有可编程性。zkRollup支持EVM的证明是个期待的方向。
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