Av Andreas Freund, EES Mainnet Intressegruppmedlem

Följande är en aktuell status för Ethereums skalbarhets-ekosystems minirapport, som är längre och mer djupgående än ett vanligt blogginlägg.

Många företag har övergett privata Blockchain-konsortier på grund av flera faktorer:frånvaron av meningsfulla nätverkseffekter i privata Blockchain-implementeringar – vilket tenderar att göra dem dyrare och krångligare att hantera inom ett konsortium av konkurrerande enheter än ett delat databassystem – samt bristande tillgänglighet för DeFi-ekosystemet med dess nya och snabbt växande, och därför mycket lönsamma tillgångsklasser. Ethereum Layer 2 (L2) skalbarhetslösningar erbjuder en möjlighet att passa in Ethereum Mainnets fyrkantiga stift i det runda hålet för företagssäkerhet, integritet och efterlevnadskrav eftersom många L2-lösningar de facto är centraliserade databaser med smart kryptografi. De kan också ge tillgång till världen av DeFi-tillgångsklasser, vilket gör att Mainnet-nätverkseffekter kan spridas till företagslösningar genom dessa DeFi-tillgångsklasser. Detta skapar ett nytt och symbiotiskt förhållande mellan företagsanvändningsfall på L2 och Ethereum Mainnet genom både tillgångs- och användartillväxt.

En kort introduktion till Layer 2 och andra skalbarhetslösningar för Ethereum

Ethereum Mainnet har blivit ett offer för sin egen framgång genom att det för närvarande fungerar som en betydande flaskhals för tillväxten av dess ekosystem; nätverksproblem har uppstått på grund av höga transaktionsavgifter och det begränsade antalet transaktioner som tillåts per block, vilket äventyrar den ekonomiska livskraften för Ethereum-baserade protokoll, nystartade företag och andra med sunda affärsmodeller. Medan Eth2, nästa version av Ethereum, lovar en 100x ökning av transaktionsskalbarhet och avsevärt sänkta transaktionsavgifter, är lanseringen fortfarande 12 månader eller mer bort. Ethereums skalbarhetsutmaningar måste lösas idag om Ethereum vill behålla sin ledande position som det populäraste och mest använda blockkedjenätverket i världen.

Under de senaste 2-3 åren har flera typer av lösningar dykt upp som hanterar skalnings- och transaktionskostnadsutmaningarna. Gemensamt för dem är att alla utför den tunga transaktionsbearbetningen utanför Ethereum Mainnet (dvs utanför kedjan) i olika former av centraliserade eller decentraliserade datormiljöer, medan Mainnet används som säkerhets- och dataintegritetsankare i olika former. Dessa lösningar är vad som i dagligt tal kallas Layer 2 (L2) eftersom de är lösningar som sitter ovanför Ethereum Mainnet, även ofta kallat Layer 1.

Nedan följer en kort översikt över de viktigaste skalbarhetslösningskategorierna följt av en kort beskrivning av egenskaperna för varje lösningskategori:

• Statliga kanaler
• Sidokedjor
• Rullups
  • Optimistiska sammanställningar
  • Zero-Knowledge (zk) sammanslagningar
  • Plasma
  • Validium

Figur 1:L2-kategoriseringar; Källa:Token Terminal

Statliga kanaler

Statliga kanaler skalar Ethereum Mainnet genom att utföra transaktioner utanför kedjan via säkra kanaler etablerade mellan parterna. De kräver att en användare sätter in en ögonblicksbild av det senaste Ethereum-tillståndet som användaren kontrollerar i ett smart kontrakt med flera signaturer; detta är analogt med användarinsättningar till betalningskanaler på Bitcoins Lightning Network. Den här ögonblicksbilden kommer att innehålla viktig data som ETH-innehaven för en Ethereum-adress vid en given tidpunkt.

Statliga kanaler tillåter (nästan) gratis transaktioner utanför kedjan med omedelbar slutgiltighet av transaktioner och överlägsen integritet eftersom endast den statliga kanaloperatören och deltagare i den statliga kanalen har insyn i transaktionerna utanför kedjan. Tänk på ett schackspel där spelarna lägger en ante för att starta spelet. Denna transaktion skulle registreras i kedjan och öppnar en kanal. Individuella drag skulle signeras av varje spelare inom kanalen. Spelet skulle fortsätta tills en spelare lämnar eller spelet slutar, vid vilken tidpunkt en av spelarna eller själva spelet skulle vädja till Mainnet för ett avgörande och utbetalning av vinsterna.

Statliga kanaler kommer sannolikt att fungera i situationer där det finns hög trafik peer-to-peer flervägstransaktioner mellan rimligt pålitliga parter. Individuella tillståndsändringar kommer att äga rum inom dessa kanaler via undertecknade och säkra transaktioner, där Mainnet- eller L2-konsensusbaserade kontrakt tjänar till att hantera periodisk avstämning och/eller "slutspels"-avstämning.

Sidokedjor

Sidokedjor är blockkedjor oberoende av Ethereum Mainnet med sina egna konsensusmodeller, t.ex. Proof of Authority (PoA), Proof of Stake (PoS) och statliga maskinmekanismer som Ethereum Virtual Machine eller andra arkitekturer. Ethereum-transaktioner kan överföras till en sådan kedja på ett förvaringssätt, vilket minskar bördan på Ethereum Mainnet. Beroende på nätverksansatsen med avseende på kedjor (oberoende multikedjor vs delade kedjor), kan transaktionsintegritet möjligen bevaras via gated access till en kedja.

Det särskilda tillvägagångssätt som varje nätverk använder måste utvärderas på egen hand för att fastställa lämplighet med avseende på skalbarhet, säkerhet och lämplighet för ändamålet. Vissa ekosystemdeltagare anser inte att sidokedjor är äkta L2-lösningar eftersom de varken ärver tillräckliga säkerhetsgarantier från Ethereum Mainnet på grund av brist på onchain-transaktionsdata eller ger möjlighet att medla tvister på Ethereum Mainnet. Förespråkare för Eth-anslutna kedjebaserade nätverk kommer att hävda att deras Proof of Stake-konsensusmodeller och valideringsmodeller är lika rigorösa som Eth2 (som också använder en Proof of Stake-modell) och att deras operativa band med Ethereum (i form av nätverkskontrakt) körs på Ethereum) ger tillräcklig säkerhet och transparens i en Eth-native form.

Vi kommer att beskriva olika kedjebaserade tillvägagångssätt nedan när vi kartlägger skalbarhetslandskapet.

Sammanställningar

Rollups liknar avancerade sidokedjor utan förvaring som uppnår hög transaktionsgenomströmning samtidigt som de ärver säkerhetsförsäkran från Ethereum Mainnet. Sammanslagningar delas vanligtvis in i en av fyra huvudkategorier:Optimistiska sammanslagningar, zk-Rollups, Plasma och Validium.

Sammanslagningar är lösningar som utför transaktionsexekvering utanför Ethereums huvudkedja, men lägger upp transaktionsdata på lager 1. Eftersom transaktionsdata finns på lager 1 gör detta att sammanslagningar kan säkras av lager 1. Ärver de flesta säkerhetsegenskaperna för lager 1, samtidigt som exekvering utförs utanför Layer 1, är en definierande egenskap för rollups.

Tre förenklade egenskaper för rollups är

1. Transaktionsexekvering utanför lager 1
2. Data eller bevis på transaktioner finns på lager 1
3. Ett samlat smart kontrakt i lager 1 som kan framtvinga korrekt transaktionsexekvering på lager 2 genom att använda transaktionsdata på lager 1

Vissa rollups kräver att "operatörer" satsar en obligation i rollupkontraktet. Detta uppmuntrar operatörer att verifiera och utföra transaktioner korrekt. (Layer 2 Rollups, Ethereum.org, https://ethereum.org/nb/developers/docs/scaling/layer-2-rollups/)

"Operatorer" har dock befogenhet att censurera transaktioner, om operatörsmodellen inte är tillräckligt decentraliserad som Mainnet är. Figuren nedan organiserar dessa kategorier beroende på om de hanterar datalagring i kedjan eller utanför kedjan, och om beräkningens korrekthet upprätthålls genom giltighetsbevis med noll kunskap eller bedrägeribevis för insättning av användare.

Figur 2:L2 Samlad kategorier; Källa: buildblockchain.tech

En annan differentiering mellan rollup-lösningar är med avseende på var beräkningen sker och när finaliteten inträffar. Till exempel sker beräkningen för ZK Validity Proofs via en tredjepartsoperatör (eller validator, eller sequencer) vars primära funktion är att bunta transaktioner och skicka batcher av transaktioner till Mainnet. Dessa partier innehåller minimal men tillräcklig information för att bevisa transaktionernas giltighet. Beräkningen av transaktionerna hanteras innan de skickas till L1 och slutgiltigheten inträffar när de har validerats av L1 (eller efter att tillräckligt många L1-block har passerats som sammanställningen kan föreskriva).

Optimistiska sammanslagningar beräknar också transaktionerna utanför kedjan som zk-sammanslagningar men inte i noll-kunskap och de förlitar sig på en tävlingsprocedur och en tävlingsperiod inom vilken de kan upphäva beslutet till Mainnet om huruvida en ifrågasatt transaktion är giltig eller inte. Precis som med ZK Validity Proofs, kommer operatörer av Optimistic Rollups sannolikt att satsa eller bindas så att om en operatör skickar in en bedräglig transaktion till Ethereums huvudkedja, minskas deras insats.

Observera att sammanslagningar vanligtvis inte erbjuder integritet till sina användare. Men nya lösningar dyker upp, både Optimistic (zk Optimistic) och zk Rollups (zk-zk Rollup), som bevarar integriteten för sina användare. Dessa lösningar kommer att diskuteras i nästa avsnitt. Notera också att zk-Optimistic Rollups har sämre prestandaegenskaper än Optimistic Rollups eftersom varje transaktion i sammanslagningsblocket är mycket större än i fallet med Optimistic Rollups, och Ethereum-block är utrymmesbegränsade genom blockgasgränsen; en avvägning mellan integritet och prestanda. Å andra sidan har zk-zk Rollups liknande prestandaegenskaper som zk Rollups på grund av en smart användning av kryptografi som tillåter användning av rekursiva zk-bevis som undviker att lägga till mer data till ett sammanslagningsblock. Ytterligare optimeringar i den använda kryptografin undviker en ökning av kraven på beräkningsprestanda jämfört med zk Rollups.

Ovanstående L2-lösningar har specifika egenskaper för prestanda, säkerhet, ekonomi och användbarhet som sammanfattas i tabellen nedan:

Figur 3:L2-lösningens egenskaper efter L2 och skalbarhetslösningskategori;
Källa: Matter Labs

Med tanke på de snabba förändringarna och optimeringarna av de använda teknologierna är ovanstående bedömning av de olika kategorierna bara en ögonblicksbild i tiden och kan – och förväntas – förändras väsentligt under de kommande 12 till 24 månaderna.

Ethereum Layer 2 and Scalability Solutions Landscape

Som redan nämnts utvecklas Ethereum L2-ekosystemet i varphastighet — från Plasma Whitepaper 2017 till Ethereums största decentraliserade börs, Uniswap, som går live på en L2-lösning 2021. Därför kommer all översikt över ekosystemet att vara både ofullständig och snabbt föråldrad. Men en aktuell ögonblicksbild är fortfarande användbar för att förstå den stora variationen av projekt i utrymmet och deras avsedda användningsfall.

Vi kommer att diskutera varje kategori och ge ett eller flera exempel mer i detalj och nämna ytterligare, anmärkningsvärda projekt i samma kategori med länkar till deras webbplatser eller Github-repositories om de finns.

Statliga kanaler

Anslut :Connext är ett statligt kanalprojekt som har design för att vara en L2-lösning, inte bara för Ethereum utan också ett routingnav för Ethereums många L2-lösningar. Projektet försöker ta itu med en oro i Ethereum-gemenskapen att Eth-baserade L2-projekt inte kommer att vara tillräckligt interoperabla. Connexts nya cross-L2-överföringssystem kan visa sig vara viktigt för att säkerställa att sammankoppling mellan lösningar är lättillgänglig, vilket undviker nätverkslåsning inom en skalbarhetslösning.

Andra anmärkningsvärda projekt är Raiden Network, Celer och Perun.

Sidokedjor

xDai Chain :xDai Chain är en EVM-baserad sidokedja designad för att stabilt underlätta större transaktionsvolymer; för närvarande cirka 70 transaktioner per sekund (TPS). Projektet är byggt kring dess STAKE-token, som konsensusleverantörer satsar på för att ekonomiskt säkra sidokedjan. På grund av dess effektivitet har xDai Chain ökat i popularitet nyligen.

POA-nätverk :I likhet med xDai Chain vid ~70 TPS är POA-nätverket en EVM-baserad sidokedja som förlitar sig på en uppsättning pålitliga konsensusleverantörer för att hantera transaktioner snabbt och billigt. Lösningen verkar vara användbar för nästan alla användningsfall från blockchain-spel till community-valutor.

Polygon PoS: Polygon är ett tekniskt ramverk och protokoll som gör det möjligt för utvecklare att distribuera och ansluta genom ett meddelandeprotokoll olika typer av nätverk — EVM-baserade Proof-of-Stake-kedjor, Plasma-kedjor, etc. — med varandra och Ethereum. Därför liknar målet Connext, eller icke-Ethereum-baserade ramverk som Cosmos. Polygon PoS är Polygons sidokedjelösning. Polygon-token används som en insatstoken på de olika nätverken som är utplacerade i Polygon-nätverket av kedjor för att ekonomiskt säkra konsensusleverantörerna. Tillvägagångssättet och arkitekturen liknar Polkadots substrat- och parakedjemetod.

Skala: Skales Elastic Blockchain Network är en Ethereum-kompatibel POS sidokedjelösning som snabbt kan spinna upp applikationsspecifika sidokedjeinstanser. Validatorer för varje sidokedja väljs ut som en slumpmässig, periodiskt blandad delmängd av hela SKALE-valideringspoolen, vilket stimuleras genom att utsätta en token. Validatorer hanteras och blandas av en applikation som körs på Ethereum Mainnet.

En annan anmärkningsvärd sidokedja är Loom Network.

Optimistiska sammanställningar

Optimism: Optimism är en Optimistic Rollup-implementering som möjliggör cirka 100x minskning av gasutnyttjandet som börjar få en viss dragkraft bland några stora DeFi-spelare, som Synthetix. Optimism har byggt OVM, en L2-baserad EVM så att L1-projekt kan omdisponera sina Solidity- eller Vyper-smarta kontrakt på Optimism.

Anmärkningsvärda projekt som migrerar till Optimism:Uniswap, Compound, Synthetix

Bränsle: Fuel var den första Optimistic Rollup-implementeringen på Ethereum Mainnet, som släpptes den 31 december 2020. Fuel lovar snabba och effektiva tokenbetalningar och vill bli "Jordens värdeutbyteslager".

Arbitrum: I likhet med Optimism är Arbitrum, utvecklat av Offchain Labs, ett optimistiskt sammanslagningsnätverk med validatorer som är ekonomiskt insatta i Ether, som kan bearbeta med cirka 100x gasreduktion. Den största skillnaden mellan Optimism och Arbitrum är att Solidity- och Vyper-smarta kontrakt kommer att kunna distribueras på Arbitrum utan några ändringar eftersom den virtuella Arbitrum-maskinen är samma som EVM på bytekodnivå.

Anmärkningsvärda projekt som migrerar till Arbitrum:Reddit, Uniswap

Cartesi Descartes :Cartesis Descartes Rollups är en variant av optimistiska rollups med interaktiv tvistlösning, liknande Truebit. Istället för EVM-bytekod, kör Descartes RISC-V-instruktionsuppsättningen, vilket gör att den kan köra en Linux-VM.

Andra anmärkningsvärda Optimistic rollup-projekt är OMGX från OMG Network och Nightfall V3 från Ernst &Young, en integritetsbevarande Optimistic Rollup där rollup-transaktionerna är zk-snark-bevis för att bevara transaktionsintegriteten, vilket leder till minskad TPS på grund av storleken på bevisen.

zk-Rollups

zkSync :zkSync är en zk-Rollup-lösning från Matter Labs som använder noll-kunskapsbevis från zk-snarks för att realisera både hög genomströmning (~ 300 – 2 000 tps baserat på antalet transaktioner i ett block) och hög säkerhet (ärver Ethereum Mainnet-säkerhet försäkringar). Matter Labs arbetar också på en lösning av Validium-typ som heter zkPorter.

Anmärkningsvärda projekt på zkSync:Curve, Gitcoin, Balancer, Argent

Slingring: Loopring var den första zk-rollupen som distribuerades till Ethereum Mainnet och har varit verksam på Ethereum Mainnet i över ett år. Looprings zk-Rollup-lösning är för närvarande fokuserad på att skala decentraliserade utbyten med Automated Market Makers och orderböcker och betalningar. Loopring Exchange och Loopring Wallet är baserade på Looprings teknologi. OpenOcean har nu också migrerat till Loopring.

Aztec: Aztec lanserade nyligen zk.money, som möjliggör helt privata Ether/DAI-transaktioner. Zk.money är en zk-zk Rollup som är nästa generation av zk Rollups. Aztec-tekniken tillåter verifiering av zk-bevis av zk-bevis för privata transaktioner; med andra ord, rekursiva zk-bevis, på Ethereum Mainnet. På grund av den rekursiva karaktären hos zk-bevisen kan samma antal transaktioner som vanliga zk-samlingar placeras på Ethereum Mainnet.

Denna form av zk Rollup verkar vara det mest lovande tillvägagångssättet för många företagsanvändningsfall med tanke på deras höga integritetskrav.

Andra anmärkningsvärda zk Rollups är Hermez Network (nyligen förvärvat av Polygon) och zkSwap.

Validium

StarkEx: StarkEx liknar zk Rollups men använder zk-starks istället för zk-snarks, med den största skillnaden är att zk-bevisen är betydligt större än proofs för zk-snarks, och är därför både dyrare att deponera och verifiera än för zk-snarkar. Systemet kan köras antingen som ett Validium-typ system eller en zk-rollup. Denna dynamik gör att projektet har högre genomströmningskapacitet jämfört med rena zk Rollup-system. Den nuvarande implementeringen använder implementeringen av Validium-typ.

Anmärkningsvärda projekt som använder StarkEx:dYdX, DeversiFi, Paraswap, Immutable X

Plasma

OMG: OMG Plasma Network, liknar OMGX men är byggt på Plasma-arkitekturen, istället för en Optimistic Rollup.

Polygon: Polygon har också släppt en version av sin Polygon-sidokedja som diskuterats ovan som en plasmakedja som kan utbyta meddelanden med andra sidokedjor och sammanslagningar som diskuterats för sidokedjan Polygon Proof-of-Stake.

En annan anmärkningsvärd plasmakedja är Leap DAO.

Vad betyder detta för företag?

Företag har traditionellt inte varit intresserade av offentliga blockkedjor eftersom krav på säkerhet, integritet och efterlevnad av Enterprise Use Cases har gjort att offentliga blockkedjor inte är lämpliga för implementering. Däremot har resultaten av privata blockkedjenätverk varit blandade till en besvikelse av flera skäl. Främst bland dem, frånvaron av meningsfulla nätverkseffekter i privata Blockchain-implementeringar, som tenderar att göra dem dyrare och besvärligare att hantera inom ett konsortium av konkurrerande enheter än ett delat databassystem, och bristen på tillgänglighet för DeFi-ekosystemet med dess nya och snabbt växande, och därför mycket lönsamma tillgångsklasser från en privat Blockchain. De diskuterade L2-skalbarhetslösningarna erbjuder en möjlighet att inte bara passa in Ethereum Mainnets fyrkantiga stift i det runda hålet för företagssäkerhet, integritets- och efterlevnadskrav, eftersom många L2-lösningar de facto är centraliserade databaser med smart kryptografi utan också få tillgång till en värld av DeFi-tillgångar. klasser som tillåter Mainnet-nätverkseffekter att sprida sig till företagslösningar genom dessa DeFi-tillgångsklasser. Detta skapar ett nytt och symbiotiskt förhållande mellan företagsanvändningsfall på L2 med Ethereum Mainnet genom både tillgångs- och användartillväxt.

I nästa del av denna bloggserie kommer vi att dyka djupare in i nya och spännande företagsanvändningsfall för L2-lösningar som utnyttjar Ethereum Mainnets säkerhetsgarantier och livfulla ekosystem.

Tills dess, håll dig uppdaterad om allt inom EES genom att följa oss på Twitter, LinkedIn och Facebook.