Vol.014 紅樓觀點｜下一輪牛熊周期的公鏈發展趨勢

2022/08/15

圖：Pixabay

一、區塊鏈和「底層資產」

　　區塊鏈技術解決的是人類在社會中能夠形成經濟協作最重要的基礎：信任 (trust)。

　　我們之所以能夠和世界上不同國家、不同地區的人有直接或間接的交易及合作，是由於有第三方金融機構的中介和仲裁。例如，我們相信美國政府發行的美元、台灣政府發行的新台幣、日本政府發行的日圓、歐盟發行的歐元等，能可靠地代表一定的價值，並且經由銀行順利地換匯，交換等價的商品或服務。但是這些第三方機構是否增加了交易的成本、降低了交易的效率？甚至，他們有沒有可能作惡？無論從歷史經驗或當今政治經濟局勢的變化來看，答案是肯定的。

　　在主權貨幣國家，中央銀行可以無限制地印鈔增加貨幣流通量，美其名為刺激經濟，但也造成債務高築、通貨膨脹，稀釋了人民的財富、降低了購買力，也是一種無形的稅收，嚴格來說，這並不是一種自由市場機制，也可能加速財富分配不均和導致各種社會問題。這個議題可以從經濟學、貨幣學、地緣政治等角度探討。當然我們不可能在有限的篇幅深入那麼宏大的課題，而是藉由大家都理解的概念，回到本文探討的主題。

　　所以，人類的協作是基於信任的基礎，而能產生各種經濟活動，小到我們每天買杯咖啡，大到國際間的貿易，體量是非常大的，交易的次數也是極其頻繁。那么區塊鏈技術是否能夠取代第三方機構，乘載人類的經濟活動呢？

　　自從比特幣問世以來，其「工作證明機制」(Proof of Work, PoW) 逐漸為更多人熟知，在工作證明機制的運作下，比特幣能夠完成每秒大約4-7次的交易 (4-7 transactions per second, TPS)。相比之下，我們生活中習慣使用的信用卡例如VISA、MasterCard，每秒平均約1,700次的交易，並且理論上能達到每秒24,000筆甚至更高的交易量，顯然比特幣的運作在處理交易的效率上是遠不及現在的信用卡網路的。2015年上線的以太坊 (Ethereum) 提供了智能合約 (smart contracts) 功能，使得區塊鏈上的表達方式 (expressivity) 達到了更複雜而寬廣的層次，帶來了去中心化金融 (decentralized finance, DeFi) 及非同質化代幣 (non-fungible tokens, NFTs) 等應用。那麽以太坊的運行速度如何呢？目前以太坊每秒交易的速度大約是15-25次，依然和信用卡支付網路有很大的落差。

　　但是，這樣的比較並不恰當。在現實世界中，完成日常經濟活動和交易的，其實是中心化機構的電子記帳數據庫，而非底層的資產。例如，當我們用悠遊卡、Apple Pay、LINE Pay時，都只是提供該服務的公司或數據中心，完成相應紀錄的調整和更新而已。真正的財富結算和轉移，最終仰賴於「底層資產」，也就是央行和主要銀行之間的結算往來 (Fedwire) 或者早期人類使用了上千年的黃金，這些底層資產，並不會也不需要在日常相對小額、高頻的交易中頻繁結算。比特幣和以太坊，目前無法滿足日常生活的高頻交易，而更像是一種底層資產，很多人把比特幣比喻為數位黃金，把以太 (Ether, ETH) 比喻為數位石油，作為驅動以太坊這個世界電腦網路的動力來源。

二、錢的分層架構和區塊鏈的擴容方案

　　從以上的描述，我們了解了錢的運作是分層的 (layered money)，有底層的資產，同時在上面則有不同層，負責交易、計算、驗算、數據存儲等功能，並且各層有不同的運行速度，以滿足不同的需求。這種分層運作的機制，巧妙地對應了區塊鏈技術的一個重要理論，也就是所謂的「不可能的三角」(trilemma)，這三角分別是「去中心化」(decentralization)、「安全性」(security)，以及「速度」或又稱「可規模化」(speed/scalability)，在這個不可能的三角中，頂多同時滿足兩個，另一個就會有所限制或不足。以目前的比特幣及以太坊為例，相對滿足了去「中心化」及「安全性」，但是犧牲了「速度」。

圖：區塊鏈的「不可能三角」

　　為了突破區塊鏈運行效率的限制，我們一樣可以嘗試將區塊鏈拆分為不同”層”來運行，也就是所謂的「擴容方案」，來克服「不可能的三角」。這也是區塊鏈技術發展至今，公鏈正在演變的方向。而這個發展，仍然在很早期的階段，有各種理論和技術來滿足或解決特定的問題，最終希望能夠取代現實世界中的第三方機構，使點對點交易和協作更安全、更高效。

　　目前市值佔比最高的比特幣、以太坊、幣安鏈 (BNB Chain) 等，都有相對應的側鏈 (side chain)、二層協議 (Layer 2)、應用鏈 (app chain) 等，來改善其擁堵的問題、提高運作的效率，使得區塊鏈有模組化的趨勢，將運算、共識、交易、數據存儲等分開在不同鏈或疊加、分片的網路架構上執行。能實現比特幣日常所需高頻、小額交易的閃電網路 (Lightning Network) 持續成長，以太坊一直朝著要將共識機制從 PoW 轉為「權益證明機制」(Proof of Stake, PoS) 的方向發展中，以太坊轉為 PoS 後，預計將切割成 64 個分片，結合 Layer 2 的 rollups (常見翻譯「匯總」)技術，理論上 TPS 可達到每秒10 萬筆。

　　除了在已經形成網路效應 (network effects) 的公鏈生態上發展的擴容方案之外，也有很多全新的公鏈，採用了改良的共識機制或新的編程語言，例如Aptos, Sui, Linera, Gear, Aleo, Anoma等等，還在非常初期的階段即已得到著名投資機構的背書，未來勢頭也不容小覷。以下我們選幾個具有代表性的擴容方案，作為底層公鏈在下一輪牛熊週期中具有爆發潛力的前景探討。

三、以太坊二層擴容方案 - ZK Rollups 與 Optimism Rollups

　　以太坊作為目前提供智能合約最大的公鏈，已經有上千億美金價值的鎖倉量及成千上萬的去中心化應用 (dApps)，具有最大的網路效應。其二層協議 (Layer 2) 作為最直接的擴容方案也在這幾年爆發成長。用一個生活化的比喻，原始的以太坊好比是全國只有一家法院，全國人民大小的合約簽署、執行及爭議仲裁，全都交由國家法院處理，造成程序曠日耗時、效率低下。二層協議就像是在全國各鄉鎮縣市設立地方法院及仲裁所，小規模、常態性的合約簽署、執行及仲裁在各地方法院及仲裁所進行，只需要把執行、仲裁等最終資料統一存放到國家法院系統裡即可，如此一來便能提高效率。而具高度安全性的以太坊則成為底層資產的結算層，確保每筆交易的不可竄改性。

圖：各種底層區塊鏈和發展中的擴容方案 (來源：Twitter @YasmineKarimi_)

　　目前Layer 2有許多方案被提出，最被看好的 rollup 分為兩大系列：ZK Rollups (ZK 為 zero knowledge ”零知識”的簡寫)及Optimistic Rollups。差異在於ZK Rollups的數學模型為加密有效性證明 (validity proof)，生成可以證明交易有效性的加密證明，屬於主動證明，有較高的安全性，能更快實現運算最終結果 (finality)，但計算成本很高，成熟落地還需要一段時間。

　　Optimistic Rollups為詐欺性證明 (fault proof)，先假定交易都是合法正確的，唯有出現爭議時，才需進行仲裁，因此為被動證明。缺點是有仲裁期，會造成較慢實現運算最終結果，但優勢為運算成本較 ZK Rollups 低廉，且與以太坊 EVM 完全兼容，讓開發者能使用相同的開發語言，快速搶佔市場，從短期來看，Optimism Rollups 能解決以太坊的緊急擴容需求。

圖：以太坊二層擴容方案 Rollups 示意圖 (來源：Ethereum Foundation)

總結 ZK Rollups 和 Optimistic Rollups 的優劣勢如下：

1. 資料有效性：ZK Rollups 勝過 Optimistic Rollups，因為它保證了上鏈的資料都是經過驗證且正確；相反的，Optimistic Rollup 不會去驗證每一筆資料的正確性；

2. 處理交易的效率：ZK Rollups 勝過 Optimistic Rollups，能更快地記錄到區塊鏈網絡中，提現速度也更快，而 Optimistic Rollups 會有等待期，欺詐證明需要足夠的時間反應，因而提款較慢；

3. 交易成本：Optimistic Rollups 勝過 ZK Rollups，後者因為使用零知識證明技術，伴隨而來是龐大的數學運算，相對於 Optimistic Rollups 成本更高；

4. EVM (以太坊虛擬機)兼容性：Optimistic Rollups 勝過 ZK Rollups，前者與EVM的兼容度高，對於新項目的開發者來說，學習成本較低，能充分利用圍繞 EVM 存在的代碼、工具和人才庫。

5. 安全性：目前尚無結論。目前看來，Optimistic Rollups的等待期和延遲結算，可能提供了一個安全屏障。萬一智能合約有漏洞(例如著名的 DAO 遭駭事件造成以太坊回滾分岔)，或者萬一網路升級引入了新的缺陷(例如 Nomad 橋遭駭事件)，或者萬一多簽程序遭到非法盜用(例如 Axie Infinity 的 Ronin 橋遭駭事件)等顧慮，甚至還有其他各種仍需要時間驗證的防禦機制(例如針對預言機攻擊、51%攻擊)，雖然需要仰賴”誠實的運營方”，但是提款緩衝期反而給予了減少損失和糾正的機會。

四、二層公鏈擴容方案 - Arbitrum

　　Arbitrum為Optimistic Rollups (OP) 中的一個版本，Arbitrum 在 OP 上改良的是，當爭議出現而需要進行仲裁時，仲裁的方式有所不同。OP採用單輪次詐欺證明，也就是當爭議發生時，會在 Layer 1 上驗證整段 Layer 2 的交易，優點是有即時性，缺點是運算成本高、須重新編寫 EVM、安全性隱憂。

　　Arbitrum 則採用了多輪次詐欺證明，當爭議發生時，會在 Layer 2 與挑戰方將有爭議的區塊以二分法不斷細切，直到縮小範圍找到有問題的區塊，再將此有問題的區塊帶到 Layer 1 上做驗證，優點是 Layer 1 運算成本低、複雜度低，以太坊相容快速導入，缺點則是爭議仲裁期時間較長。

　　由於 Arbitrum 兼容以太坊、運算成本低，因此在 DeFi 市場中已被許多的主流平台及協議採用，包括 Curve、Uniswap、Sushiswap 等。市場雖然期待以太坊升級後能有效擴容、增加吞吐量，但由於以太坊的合併和轉換是一個艱鉅且分階段的過程，預期大概需要三到五年才能完成，但由於市場的各種應用蓬勃發展，對以太坊的擴容有急迫的需求，因此 Arbitrum 在這幾年的發展值得期待。

　　而以太坊升級完成後，是不是就不需要 Layer 2 的擴容解決方案了？其實不然，Layer 2 擴容方案其實是以一種數學的方式構成的演算法，用來協助將耗費資源的運算、資料儲存移往鏈外，而只將驗證等高安全性需求的結算留在鏈上。因此可以發現其他的公鏈也都在建立適合自己的擴容方案，這樣公鏈模組化的格局也就逐漸成形。

五、二層公鏈擴容方案 - Optimism

　　Optimism 與 Arbitrium 同屬於 Optimistic Rollup，目前在 Layer 2 的 TVL 中，兩者已佔據超過50% 的市場份額，從比較兩者的差異之處，可以很快理解 Optimism。

1. 爭議解決流程：Optimism 過去依賴於在 Layer 1 上執行單輪欺詐證明，這意味著要回到主網重新驗證整個交易狀態，產生更多 gas 成本；相比之下，Arbitrium 採用的多輪欺詐證明更便宜、更高效，只需要專注於受到挑戰的交易分歧點即可。值得注意的是 Optimism 團隊正在更新爭議解決流程，目前不採用單輪欺詐證明，而是交由團隊運行。

2. EVM 兼容性：儘管 Optimism 與 Arbitrium 都兼容 EVM，但 Arbitrium 虛擬機 (AVM) 針對 EVM 進行了更好的優化，並支援所有 EVM 的編程語言；Optimism 僅適用於 Solidity 編譯器，轉換的兼容性較差，意味著 Arbitrium 對於大部分開發人員更有吸引力，無需重寫應用程序就可以將 EVM 轉換為 AVM。

3. 生態系統比較：Arbitrium 勢頭迅猛，無論是 TVL 成長或賽道項目多元化，而 Optimism增長較和緩，主要項目以圍繞 Synthetix (SNX) 生態為主。另外，目前Arbitrium 官網上共計開發 267 個 APP，而 Optimism 僅有 61 個，差距 4 倍。

4. 社區經營方式：Optimism 於今年 6 月 1 日空投 5% 治理代幣 $OP，並制定 4 年的計畫分配代幣給早期使用者、生態經營、公共產品支持、投資者和核心貢獻者，並創建 ”Optimism Collective” 去中心化自治組織，未來 $OP 持有者將能使用該代幣進行治理投票；Arbitrium 則不受 DAO 管理，協議僅由 Offchain Labs 運行，為了吸引社區注意，最近發起八週的 NFT 活動，稱為 Arbitrum Odyssey，不排除未來發幣的可能。

　　大致來說，Optimistic Rollups 相較於 ZK Rollups 在當下會是擴容更好的選擇，主要原因有二，首先是 EVM 的兼容性，Optimistic Rollups 對於開發者來說學習成本更低，能更快速的壯大生態圈；其次是成本和技術門檻，零知識證明需要仰賴龐大的數學運算和硬體設備，這些都是固定成本。

　　然而 Optimism 也有自身的問題需要解決，競爭對手 Arbitrium 在 EVM 的兼容性和欺詐證明都有更突出的表現。目前 Optimism 正在更新爭議解決流程，改善成本問題，同時也期待能將 OVM 做到更好的兼容性，以利於吸引更多的開發者、壯大自己的生態圈。

六、二層公鏈擴容方案 - StarkNet

　　StarkWare 是一家聚焦於零知識證明 (zero knowledge proof) 的區塊鏈技術公司，ZK-STARKs 是該公司開發的擴展技術，StarkNet 則是 StarkWare 旗下的以太坊 Layer 2 解決方案，alpha 版於 2021 年 11 月在主網上啟動。StarkWare 的目標是讓 StarkNet 在治理、運營和發展能去中心化，達到像以太坊或互聯網那樣的公共產品地位。

　　SharkNet 的核心技術 ZK-STARKs 被認為是繼 ZK-SNARKs 後更快和更便捷的零知識證明版本，ZK-STARKs 不需要初始化可信設置，而是依賴哈希函數碰撞進行更精簡的對稱加密方式，能防止受到量子計算機的攻擊，並在任何規模上簡潔地部署。

　　為了達成去中心化，StarkNet 在 2022 年 7 月 13 日宣布將建立 StarkNet 基金會及原生代幣以促進發展。基金會的使命是將 StarkNet 維護為可供所有人使用的公共產品，而 StarkNet 代幣則用於營運、維護與保護此生態系統，在質押、治理、交易支付與共識機制中運用。

　　StarkNet 基金會同時也主導開發、測試和實施社區決策流程，以解決基本的技術問題；此外，根據 StarkWare 於近日發布的「第 2 部分：StarkNet 的去中心化和治理提案」一文中提到，為了維持 StarkNet 的活躍性和抗審查性，未來將會通過 PoS 的共識協議來實現去中心化。

　　雖然 StarkNet 的去中心化治理機制處於起步階段，但創建基金會和發布原生代幣的計畫都可以看出項目正在吸引同樣期待去中心化的受眾和合作夥伴，而市場上也有許多 DAO 案例值得項目方在治理機制上參考。

　　另外，即使 ZK-SNARKs 相對成熟，在市場出現的時間也更久，可 ZK-STARKs 不需要初始化的可信設置，數據量小於 ZK-SNARKs，而且是更快和更便捷的實現方式，這項新技術或許有機會給市場帶來新的選擇和改變。ZK-STARKs 是 ZK Rollups 的其中一項解決方案，仍然需要面對 EVM 的兼容性問題，能否提升兼容性或許是一個關鍵的機會。

七、新型架構的公鏈 Celestia

　　最後舉一個頗受矚目的底層公鏈 Celestia 為例。Celestia 前身為 LazyLedger ，同樣是一個基於 PoS 機制的公鏈，採用了模組化的方式，將共識、執行及”數據可用性” (Data Accessibility, DA) 分拆。類似的思路在其他 Layer 0 系統例如 Polkadot 和 Cosmos 也正在發展中，但他們也有類似以太坊執行層費用昂貴的問題，這也是為什麼對於執行槽的數量設置了上限，然而這個上限本身又會給網路將來的擴容帶來了理論上的瓶頸。從Celestia團隊的角度來看，這些問題是因為協議將共識層、執行層和數據可用性放在了一起，通過將執行環境分開，Celestia能夠提供無需許可、部署門檻低、無執行槽上限的架構。

圖：Celestia的資料可取得性 (DA) 分層示意圖。(Source: Celestia and Delphi Digital)

　　可見「數據可用性」為 Celestia 主要的特色，Celestia 並不執行智能合約也不去驗證區塊內資料。當一個新區塊出現時，節點已經包含前一筆交易的某些資料，在驗證資料的有效性上，Celestia 使用 Erasure Coding 技術，允許輕節點的安全性跟全節點幾乎相同，只需透過隨機樣本就足以讓輕節點可以以高機率驗證區塊的資訊是否正確。所以，越多輕節點參與，即可提高驗證的正確性，目標則是要增加區塊鏈的可擴容性。Celestia 模組化區塊鏈引入了數據可用性的問題，將提高數據可用性的資料量空間最大化，試圖以此解決區塊鏈不可能的三角的問題。

八、結語

　　儘管底層公鏈和各種擴容方案百家爭鳴，未來的發展將取決於一、生態系統是否能匯集大量的開發者，在其鏈上打造出繁榮的社群和成功的去中心化應用，也就是馬太效應、網路效應和流量之爭；二、區塊鏈產業仍然處於非常早期的階段，只有少數人在生活中體驗到它帶來的價值，真正能”破圈”和實體經濟結合的應用到目前為止仍然少之又少，我們期待這些擴容方案在提升交易效率後，能加速改善商業模式和環境，讓更多人參與公平的金融活動、財富分配和經濟協作，為一般人生活帶來便利，進而促進經濟的發展。

參考資料：