在憑藉理想化敘事製造願景的同時，Optimism 該如何走向去中心化之路，兌現 “欺詐證明” 機制和多 Squencer 輪換的設想，還有待時間去考驗。
作者： Web3er Liu，CatcherVC
原用標題：CatcherVC：深度解读 Optimism 扩容方案架构、Gas 机制与挑战
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；
- Optimism 的市場增值空間極大，其 TPS 上限可達 1600，但吞吐量的實際利用率不到千分之一，未來發展潛力巨大；
- 由於未開放對等節點，Optimism 本地 Sequencer 出塊後，甚至要 1 小時才可以驗證其正確性，延時過長；
- 當前的 Optimism 和 Arbitrum 均由官方運行出塊節點，存在嚴重的中心化問題，其立足根基更多在於項目方的 “信用”，而非 “程序正義” 本身；
- Optimism 在進行 EVM 等效性升級後，其 “欺詐證明” 機制無法使用，官方稱將於未來解決該問題。
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。
依照其定義，TPS= 一段時間內處理的交易筆數/ 耗時，套用在區塊鏈領域，若忽略分叉或區塊重組等情況，可粗略視 TPS=平均每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間。對普通公鏈而言，提升 TPS 面對的是區塊擴容和出塊時間問題，同時，TPS 的實際值還牽涉到公鏈採用的 Gas 機制，無論是 ETH 還是 BSC 和 Polygon 都不出其右。
但提升區塊 Gas 容量或縮短出塊時間都會破壞安全性，究其根源，以太坊擴容要面對的是 “不可能三角” 問題，要如何提高效率，又保障安全和去中心化，始終處在紙上談兵、懸而未決的階段。
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。
本文將以重要細節揭示在確保去中心化的前提下，Layer1 擴容所面臨的困境，以及典型的高效 Layer2 項目存在的重大問題。
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。
歸根結底，ETH 本質上是關於交易權限的拍賣平台，Gas Price 就是競標者的出價，交易權限的歸屬由供需雙方通過競價機制撮合達成。這種設計契合區塊鏈的自由市場原則，卻埋下了內捲的種子。
縱觀以太坊的歷史，每逢有 “加密貓”“5.19” 一類的熱點事件激發交易需求，ETH 鏈就會出現激烈的 Gas War 現象，誰付出的 Gas Price 越高誰的交易先上鍊，劇烈的價格戰讓 Gas Price 水漲船高，不能支付高昂手續費的用戶被拒之門外，這使以太坊成為名副其實的 “貴族鏈”，引發了無數爭端，也讓 EIP—1559 一度成為許多人眼中的 “救星”。
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。
雖然該提案將 ETH 區塊的 Gas 上限提升至 3000 萬，但只要新區塊的實際 Gas 消耗超過 1500 萬，下一個區塊內的 Gas Price 就會在系統調節下逐級漲價，這個過程可以持續多個區塊的時間，直到 Gas Price 極高，攔住絕大多數人，讓新區塊可收納的交易數驟減，Gas 消耗量回落至 1500 萬為止。
觀察統計數據，可以發現在 EIP-1559 施行的前後 6 個月內，以太坊的每日 Gas 消耗僅有不到 10% 的提升。考慮到這 6 個月內出塊週期穩定在 13~13.5 秒，則 ETH 每日出塊 6500~6650 個，每個區塊的 Gas 容量始終穩定在 1500 萬上下，並無明顯變化。
由於 EIP-1559 沒有真正改變區塊的 Gas 含量，以太坊的 TPS 沒有被改善，手續費居高不下，大量的潛在用戶仍滯留在以太坊系統外。
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。粗略估算下，ETH 網絡最多滿足了約 15% 的交易需求。
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【共識】；
- 最後，若新區塊通過檢查，節點們會收錄新區塊，完成【多方存儲】。
所以，一個新區塊會被複製超過 2000 份，存儲在全網的以太坊節點裡。更具體的說，所有的礦池節點、所有的全節點都會存儲一份。通過這種形式，以太坊節點間近似實現了 “一致性”。
綜上，以太坊的一個完整出塊週期，包含【工作量證明】+【執行】+【共識】+【多方存儲】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）。
為何要讓出塊週期固定在 13 秒？這是出於對安全性和去中心化的考量後，所得出的較優解。由於以太坊節點眾多，且物理位置分散，出塊太快會增大節點間信息差，破壞【共識】；比如，如果將以太坊出塊週期降至 0.1 秒，而將信息傳播至美國和歐洲的不同節點時，存在 1 秒的時差，那麼美國和歐洲的節點間就會存在 10 個區塊的信息差異，這就違背了區塊鏈的設計理念。
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。
按照相關資料，直到以太坊完成 POS 轉型前，其出塊週期都會穩定在 13 秒，轉型 POS 後，出塊週期也只會縮短 1 秒，穩定在 12 秒。如此算來，POS 轉型最多會讓以太坊的 TPS 提升 10%，有如杯水車薪。
目前，在保證安全性和去中心化程度不變的前提下，ETH 的區塊 Gas 容量與出塊時間基本達到理論上的極限，已無太大優化空間。
OP Rollup 擴容方案
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。
對此，ETH 官方以外的擴容方案走上了不同的道路。BSC、Polygon 等完全獨立於 ETH 的公鏈對區塊參數做出了修改。以 BSC 為例，目前其區塊 Gas 容量上限為 8000 萬，可達 ETH 的 2.7 倍；同時，BSC 將參與共識的節點數量壓縮至 20 幾個，僅為 ETH 的 1%，極大壓縮了節點達成共識的時間，出塊週期縮短到了 3 秒。這雖然將 TPS 上限提高到了以太坊的 10 倍以上，但卻與 ETH 網絡 “百煉成鋼” 的安全性完全割裂，去中心化程度也遠低於 ETH。
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：
- Layer2 本地的出塊週期僅保留【執行】交易的階段；
- 【工作量證明】被取消；
- 【多方存儲】功能被轉移至以太坊網絡；
- 【共識】過程由 Layer2 的驗證者節點完成，但並不包含在 Layer2 本地的出塊週期內。
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。
CTC 和 SCC 是 Optimism 官方部署在以太坊上的合約，兩者以 Batch（批次）的結構，分別記錄了 Layer2 交易數據的摘要，以及每筆交易執行後 Layer2 狀態樹的根哈希值。從外觀看，CTC 和 SCC 就像兩個賬單列表。
（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，盡量拼湊出 Sequencer 本地的區塊內容，並進行驗證。
- 若 Verifier 發現 Sequencer 提交的數據有問題，便可發起質疑（挑戰），並提交自認為正確的版本，挑戰成功便可改寫 CTC 與 SCC 中的錯誤數據，並獲取一定量的代幣獎勵；
- 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；
- 以上便是 “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。
按照此前技術文檔，Optimism 將挑戰的窗口時間設置為 7 天，若 7 天內沒有 Verifier 發起挑戰，則 Sequencer 發布的內容被敲定，無法再改寫。
從本質來看，Optimism 是由 Layer1 和 Layer2 上的軟硬件實體組合成的跨域交互系統，其獨特的業務邏輯是在以太坊上構造 Layer2 區塊的映射版本。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，通過該軟件，Sequencer 方可實現橫跨 Layer2 和 Layer1 的交互。
Optimism 的 Gas 機制及其細節
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，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]
- 將其轉化為簡單的算式： 0.4%×執行費用+ 99.6%×存儲費用。
不難看出，交易的執行費用已經被大幅縮小了。
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。
而 Layer1 部分的 Gas 費，公式= 比例係數×（固定開銷+存儲開銷）。其中，固定開銷 來自於打包數據和跨域傳輸的過程，存儲開銷 是在 ETH 上存入數據產生的 Gas，比例係數 則由 Optimism 官方設定，主要是為了預留出一部分資金，防止 ETH 主網 Gas 價格激增，無法把數據順利存上鍊。
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。
- 每個 Batch 可包含幾百筆交易數據，就像區塊一樣。發布 Batch 的時間週期由 Sequencer 動態調整，目前約為 3~10 分鐘左右。
所以，打包和傳輸 Batch 的過程必然有工作量，這會消耗一定的計算資源，固定開銷可以填補這部分成本。目前，Optimism 上每筆交易的固定開銷 Gas 為 2100。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。
而在 Layer1 上存儲 Batch 時，Sequencer 會以文本數據 Calldata 的形式向 CTC 合約傳入 Batch 信息，一般而言，文本數據只用於存儲，不會被用於執行運算。比起普通的合約調用，這一步大量節省了 Gas。
一般每隔幾分鐘，Sequencer 就會向 CTC 傳輸一個交易 Batch，其體驗就像在以太坊上構建由交易 Batch 構成的鍊錶。之後，Sequencer 又會將交易 Batch 對應的狀態根 Batch 存入 SCC（狀態鏈）合約，該過程與上面提到的類似。
以上過程會消耗 Gas，具體的 Gas 消耗量視存儲的內容多寡而定。不同的交易類型會產生不同的數據量，存儲費用也不盡相同。
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：
- Sequencer 本地出塊速度遠高於以太坊主網，那麼 Layer2 原生內容和 Layer1 副本內容之間一直有信息差△。隨著 Layer2 用戶增多，實際 TPS 激增，Layer2 和 Layer1 間信息差△可以被擴大；
- 當 Optimism 逼近其理論 TPS 上限時，Layer2 和 Layer1 間每秒的信息差△可以非常大。所以，此時 Optimism 必須盡快向以太坊主網提交數據，不惜一切代價同步數據；
- 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；
- 以 EIP-1559 後每個以太坊區塊的 Gas 上限為 3000 萬來計算，若 Optimism 本地執行、向以太坊提交的也都是最簡單的轉賬操作，則此時 Optimism 的 TPS 上限約為 1600 左右【2】。
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。
對以上內容進行整理，結合實際調查，在此歸納得出：
- Sequencer 節點自己製造了一條 TPS 極高的區塊鏈，這便是擴容之源。雖然效率極高，但因其高度中心化，Sequencer 可能作惡或宕機；
- 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；
- 由於存儲在 ETH 上的交易數據是被壓縮過的，且以太坊節點不負責具體執行這些交易，不負責驗證數據的正確性，這可以大量節省 Gas。目前，在 Optimism 上執行複雜的期權操作，Gas 費可低至以太坊的 1%。
Verifier 和 Sequencer 之間達成的【共識】具有嚴重的滯後性。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。由於延時過長，可存在多種類別的攻擊場景，這對 Optimism 的安全性是潛在的威脅。
- 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。
如前文所述，擴充 Verifier 最有效的方式是增強激勵，或者開放對等節點網絡。對於尚未發行代幣也未開放對等節點的 Optimism 而言，難以像 Metis 那樣通過自己發行的代幣激勵驗證者。所以，當前的 Optimism 在如何擴容驗證節點規模、增強驗證的時效性上，均面臨著不小的挑戰。
- 值得注意的是，目前 Optimism 和 Arbitrum 等 OP Rollup 的 Sequencer 節點均由官方提供，所以，Sequencer 懲罰機制是否有效，尚且存在爭議；目前 Optimism 和 Arbitrum 的安全性更多來自於項目方的 “信用”，而非 “程序正義” 本身；
- 頗為重要的是，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” 程序尚未投入運行，目前挑戰機制無法生效。
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。GavinWood 曾說：“真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。” 如果無法及時讓用戶參與網絡維護，那麼所謂的 Layer2 將和傳統金融平台毫無區別。
在靠著理想化敘事製造擴容願景的同時，已經 “大而不倒” 的 Optimism 該如何走向去中心化之路，兌現 “欺詐證明” 機制和多 Squencer 輪換的設想，還有待時間去考證。但可以確定的是，從長期看，只有真正的去中心化可以在歷史的風沙之中屹立不倒，永世長存。
參考文獻
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