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

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（合约操作占比较大降低了这一数值），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 Layer 1 （L1）上处理的交易，转移到 Layer 2 （L2）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 Layer 2。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。

目前存在的 L2 方案，主要包括以下几个：

• Optimistic Rollups：数据上链、欺诈证明。应用团队包括 Optimism 、Offchain Labs Arbitrum rollup、Fuel Network；
• ZK Rollups ：数据上链、零知识证明。应用团队包括 Loopring、Starkware、Matter Labs zkSync 、Aztec 2.0；
• Validium ：数据链下保存、零知识证明。应用团队包括 Starkware、Matter Labs zkPorter；
• Plasma ：数据链下保存、欺诈证明。应用团队包括 OMG Network、Matic Network、Gazelle、Leap DAO；
• State Channels: 应用团队包括 Connext、Raiden、Perun.

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 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups 最大的区别是它们分别使用了欺诈证明 (fraud proofs) 和有效性证明 (validity proofs) 来确保 batches 里的后状态根 (post-state root) 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（Bridge）。

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（包括 Ether、ERC20、ERC721 等）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 Optimistic Rollup 安全模型决定的。

值得注意的是，官方建议使用「可重试票据 Retryable Tickets」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、gas info 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（retry buffer）」中，这意味着在一段时间内（通常为一个挑战期，即大约一周），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（或者其他任何人），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。

以下是 Arbitrum 原生桥的基本步骤：

L1 ->L2

1. 用户从 L1 发起 Deposit 交易
2. 资产存入 L1 合约，交易被批量存入 Inbox 中
3. 交易在 L2 被执行，铸造资产转入指定地址
4. 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

1. 用户在 L2 发起 Withdraw 交易
2. 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
3. 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
4. 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

1. 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-1271 签名，通过相应 JSON RPC 方法发送交易
2. 发送交易到 L1：交易进入 zkSync operator 创建的区块，并发布到 L1 上的 zkSync 智能合约中
3. 对区块进行验证：若干分钟后，证明该区块正确性的 ZK proof 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，zk Rollup 方案明显优于 Optimistic Rollup 方案，但由于 zk Rollup 要实现完全兼容 EVM 尚需时日，所以预计 Optimistic Rollup 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 Optimistic Rollup 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。

DeGate Bridge 设计理念和实现原理

DeGate Bridge 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。

DeGate Bridge 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 DeGate Bridge 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，DeGate Bridge 将转向以去中心化的方式实现资产的桥接。

DeGate Bridge 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 DeGate Bridge 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 （ETH 无须 Approve，且手续费更便宜），同时我们按 ETH 价格 $4000，Gas Price 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
• DeGate Bridge：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：Optimistic Rollup （包括 Optimism 和 Arbitrum）的下桥时间普遍需要 2 天-1 周，表现较差，DeGate Bridge 的表现较好，接近即时；
• Gas 费用：Optimism 表现最差，Degate Bridge 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：DeGate Bridge 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 L2 Bridge 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。