以太坊 Layer 2 资产桥方案解析：Arbitrum、zkSync 与 DeGate Bridge

本文作者：DeGate。

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L2网络总锁仓量回落至51.9亿美元:金色财经报道，L2BEAT数据显示，截至目前，以太坊Layer2上总锁仓量为51.9亿美元。近7日跌0.09%，其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum，约26.2亿美元，占比50.49%。其次是Optimism，锁仓量15.5亿美元，占比29.89%。dYdX占据第三，锁仓量4.73亿美元，占比9.12%。[2022/9/3 13:06:47]

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、MatterLabs?zkSync、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.

MakerDAO将于4月28日部署至StarkNet，为首度集成以太坊主网以外的网络:4月20日消息，MakerDAO宣布该协议将部署至以太坊第2层扩展解决方案StarkNet，这也是该协议首度集成以太坊主网以外的网络。具体而言，部署分四个阶段进行，其中以太坊主网和StarkNet之间的简单跨链桥将于4月28日上线，此后将陆续上线快速提款、多抵押Dai等功能，从而显著降低DAI交易和铸造的成本。（coindesk）[2022/4/20 14:36:40]

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。

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。

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。

动态 | 以太坊网络的每日交易手续费用首次超过比特币:以太坊的每日交易手续费首次超过比特币。截至发稿时，据Messari数据，过去24小时内以太坊网络的交易手续费用约为20.7万美元，而比特币仅为18.3万美元。当时以太坊网络交易费用的中位数为大约每笔0.16美元，而比特币则为0.20美元。此外，在同一时间段内，莱特币网络的交易费用排名第三，仅不到一千美元。以太坊和比特币的满负荷运行相当于每10分钟约1MB。（trustnodes）[2019/9/19]

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。

动态 | 美国编辑声称首次在以太坊区块链保存文章:据coindesk报道，Popula新闻网站的编辑Maria Bustillos周一宣布，她已将最初发表在Death and Taxes杂志上的一篇文章存档到以太坊和IPFS协议中，并声称这是世界上首个。这篇文章是在区块链新闻创业公司Civil及其工程师的帮助下存储的，并在开始运作时为Popula提供了补助金。[2018/12/21]

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。

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。

动态 | 以太坊未验证源码合约流入近20000 ETH ?:据第三方大数据评级机构RatingToken监测数据显示，最近7天，以太坊智能合约流入ETH排名前三的分别是：0xe96256（19088 ETH），BestMultiplier（1033 ETH）和0x859a46（755 ETH）。其中流入排名第一的合约并未在etherscan验证源码，根据对源码的反编译发现，该合约是一个游戏合约，游戏分为多轮进行，管理员可以启动、激活和结束游戏，游戏玩家可以向合约存入ETH和取出ETH。如需要查看详情，请点击原文链接。[2018/11/27]

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-1712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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