Foresight Ventures: Layer 3深入解读

原文作者: Yihan Xu@Foresight Ventures

一、从 Layer 1 到 Layer 3 

Layer 1 是底层区块链。Ethereum、Bitcoin、Solana等公链都是 Layer 1 区块链，它们是区块链网络的基础，各种 Layer 2 都搭建在这些公链之上。

Layer 2 指以太坊扩容方案。各条 Layer 2 链都是单独的区块链，在保证安全性的基础上提升交易速度和 TPS。比如 Zksync、Starkware、Arbitrum、Optimism都是不同的 Layer 2 解决方案。

那什么是 Layer 3?

简单来说 Layer 3 希望在 Layer 2 的基础上完成更加定制化的设计，解决目前 Layer 2 无法实现/实现起来比较困难的功能（包括定制化扩容、privacy 等），从而进一步降低成本，提升效率。

但 Layer 3 的想法还在非常早期阶段，现在下定论显然有失偏颇。Layer 3 的最终形态需要基于开发者探索、实战检验和实际需求。

现在有很多大佬已经提出了相关的设计思路，通过StarkWare提出的多层网络结构图（Layer 3 的其中一种构建思路），我会做进一步的分析和总结，帮助大家理清思路。

二、StarkWare 提出的多层网络结构

以太坊多层网络的实践设想最早由 StarkWare 团队在文章“Fractal Scaling: From L2 to L3”中提出。在这种设计中，现在的 Layer 2 是一种 general purpose 的扩容，在此之上，Layer 3 做定制化的扩容。下面我会对图中提到的方案逐个分析（从左到右）。

 1.StarkEx Volition（rollup+validium）—> 低成本扩容

在 Layer 2 的方案中我们已经熟悉了Validiums，一种通过 SNARK 算法对计算结果进行验证，数据不上传 Layer 1 而是依赖于 validator 托管的扩容方案。由于数据存在链下而非直接发布到 Layer 1 ，Validium 降低了 gas 成本并提供了更好的 privacy（数据并不向 public 公开）。但是从去中心化和安全性的角度看，Data Availability 依赖于第三方委员会，因此 Validiums 使用并不广泛。

StarkEx Volition 为 Dapp 提供了一种混合模式，可以选择将数据放到链上以保证安全性（StarkEx Rollup）或者放到链下以获取更低的成本（StarkEx Validium）。现阶段 StarkEx 仍然是 Layer 2 的扩容方案，但是在 StarkWare 后续的架构设计中，StarkEx 完全可以作为一种打开 Layer 3 大门的通道，在 StarkNet 通用扩容的基础上进一步为特定的 dapp 降低成本。

 2.App-specific StarkNet —> 定制化扩容

我们知道 Layer 2 的电路设计是为了服务所有 Dapp，这意味着工程师设计电路的首要考虑是兼容性。因此现在的电路设计一定程度上牺牲了效率，并没有针对特定的 Dapps 进行优化。这对于强交互性的 Dapp 来说是一种的瓶颈，比如注重游戏体验和实时玩家交互的web3游戏。App-specific StarkNet 可以为帮助对性能要求较高的 Dapp 定制化地进行设计以达到更高的 performance。

我认为在这个场景下 Layer 2 解决用户编程和可组合性的问题，而 Layer 3 定制化地针对项目方提供更高的性能。比如一个 Dapp 不需要和其他 Dapp 共享电路资源，并获得定制化的电路设计，或是由 Layer 3 提供更高效的存储结构会数据压缩服务。

 3.StarkNet（Validiums）—> 低成本扩容

类似于 StarkEx Volition，在 Layer 3 中将 Validiums 作为一种低成本的扩容方案，让一些对价格敏感的 Dapp 获得更低的成本。

 4.Privacy StarkNet —> 定制化功能

对隐私功能的实现，某种程度上也可以看作 app-specific design。虽然 ZK-rollup 对 privacy 友好，但出于去中心化和安全性的考虑，用户的交易数据仍需要在压缩后通过 calldata 发布到 Layer 1 作为 history log，让所有用户都可以成为 prover 进行验证。因此以扩容为目的的 rollup 并不能实现 privacy。Layer 3 的能很方便的解决了这一痛点，对于一些强隐私需求的用户，定制化地在 rollup 甚至 rollup of rollup 的基础上实现隐私功能。

三、Again，什么是 Layer 3 ？

看完以上分析，Layer 3 应该已经不那么抽象了，下面总结一下这种 Layer 3 的设计到底想解决什么问题，帮助大家进一步建立对 Layer 3 认知。

 1.Vitalik 的设想

• L2 is for scaling, L3 is for customized functionality.
• L2 is for general-purpose scaling, L3 is for customized scaling
• L2 is for trustless scaling (rollups), L3 is for weakly-trusted scaling (validiums)

 2.进一步解读

• Layer 2 作为 general purpose 的扩容解决方案，那么对于 Layer 3 的设计可以放下单纯的扩容，去定制化地做一些 Layer 2 无法轻易实现的功能，比如 privacy；
• Layer 2 中 ZK-rollup 设计考虑了通用和兼容性，为整个生态提供一种通用的扩容解决方案。因此在 ZK(E)VM 的设计上或多或少牺牲了 ZK-friendly。那么 Layer 3 可以针对不同应用做进一步扩容。举个例子，在 ZK 场景下，一些应用可以通过更加定制化的电路设计来获得更好的 performance；
• Layer 2 中 ZK-rollup 在扩容的同时需要保证 Data Availability，在 cost 上做了妥协。因此，Layer 3 可以用于低成本扩容，为不同开发者提供更多扩容方案，比如 Validium 就是一个很好的选择。

 3.第二点和第三点中 Layer 3 都是在做进一步扩容，有什么区别？

我认为两者是截然不同的，并且解决了现在 Layer 2 不同的痛点。第二点中的定制化扩容旨在提升性能，而第三点中提到的则是一种更加 general purpose 的低成本扩容方案。

 4.小结

以上都可能是之后 Layer 3 发展方向，并且也不会限定在某一种形态。一些 Dapp 会需要提供隐私功能的 Layer 3 ，一些 dapp 会受益于低成本的扩容，一些 dapp 会因为定制化的 Layer 3 带来 performance 的提升。总之，Layer 3 会在 Layer 2 的基础上进一步提升性能，创造更多可能性。

四、是否需要 Layer 3 ？

看到这你可能会产生两个疑问：

• 既然 Layer 3 这么牛逼，是不是可以继续往上继续叠加 Layer 4、Layer 5、Layer 6 …以达到更好的扩容效果？
• 以上提到的 Layer 3 的用途都可以通过二层网络结构实现。看下面👇这张 Vitalik 给出的架构对比图，把上述 Layer 3 的结构直接架在 Layer 1 上只作 Layer 2 也没什么问题。Validium 还是能进行低成本扩容，定制化的电路设计也能为特定的项目方提供更好的 performance，打造一条隐私链也合情合理。那么为什么要多此一举地在 Layer 2 之上再做一层拓展？

👇从扩容和必要性的角度逐一分析👇

 1.真的可以无限扩容吗？

当然不行。

– 计算层

从 ZK-rollup 的角度出发(相比 optimistic rollup 更贴近这个疑问)，在计算层理论上可以将 Layer 3 的 ZK-rollup 生成的 ZKP 发送给 Layer 2 的 ZK-rollup，然后在 Layer 2 继续用 ZKP 证明 Layer 3 的一堆 ZKPs，并生发送给 Layer 1 做验证。

– 数据层

需要注意的是，除了计算，我们需要考虑数据存储。Rollup 链依然需要将交易数据发送到 Layer 1 （ZK-rollup 可以对数据进行压缩），来保证数据可用性，让用户可以通过数据验证 proof 的真实性。计算时可以用一个 ZKP 去证明一堆 ZKP，但是数据没法压缩后继续压缩，就算可以，也并不需要一个 Layer 3 来完成，只需要将 Layer 2 压缩后的数据用这种方式进一步压缩即可。因此，从 Data Availability 的角度出发，继续叠 Layer 并不会在明显提升 scalability。

可以参考 Vitalik 提到的：“There’s always something in the design that’s just not stackable, and can only give you a scalability boost once – limits to data availability, reliance on L1 bandwidth for emergency withdrawals, or many other issues.”

 2.二层还是多层网络？

我认为二层网络是当前的最佳解决方案，但未来属于多层网络。

分析这个问题，我们需要明确 Layer 3 的价值是什么。

五、Layer 3 的价值

—> 4 个字概括：降本提效。

 1.深入分析成本

我认为这种 Layer 3 的架构带来最大的想象力在于对成本的优化，或许随着技术飞速迭代，之后会有更多 Layer 3 杀手级的设计，但成本永远是我们需要直视的话题，同样也是当初设计 Layer 2 的原因。

从降低 gas fee 的角度出发，现在 Layer 2 的 rollup 不可能以理论速度在极短的时间（比如赶在以太坊出块时间 12-14 s 内）将 rollup 链上的交易打包成 batch 并（生成 proof）提交到 Layer 1 验证。原因有以下两点组成：

• 提交 batch 到 Layer 1 会产生不低的成本，根据 Vitalik 的说法每个 batch 的成本> 400, 000 gas；
• Rollup 链上单位时间内每个 batch 能打包的 transaction 数量有限。

—> 简单说就是，提交 batch 存在基础成本，因此每个 batch 打包的交易越多，每笔交易分摊的 gas fee 越低。

因此 rollup 的设计需要权衡打包交易的时间间隔（用户体验）和每笔交易分摊的费用（用户成本）。如果过快地打包交易并提交 Layer 1 ，会增加分摊到每笔交易上的 gas fee；过慢则会增加 confirmation time，影响用户体验。

 2.Layer 3 可能带来哪些优化？

如果我们考虑加入 Layer 3 ，比如在 ZK-rollup 的基础上再加一层 ZK-rollup 会极大地降低这提交 batch 到 Layer 1 的基础成本（一个 ZKP 证明一堆 ZKP，减少数据 size）。根据 Vitalik 的估算，提交一个 batch proof 到 Layer 1 的成本约为 8000 gas。

接下来用简单的数学计算帮助大家更加直观的理解成本问题；

已知：

• 分摊到每笔交易的 gas = transaction cost + batch cost / transaction amount
• 以上等式中，transaction amount = TPS * confirmation time

假设在理想情况下：

• batch cost = 400, 000 gas（实际情况会更高）
• transaction cost = 368 gas（Fully optimized ERC 20 transfers）
• TPS = 5 （Layer 2 均值）

– 当前 Layer 2 的 gas 情况：

• confirmation time = 12 s（以太坊出块时间）分摊到每笔交易的 gas = 368 + 400000 / （ 5 * 12 ）= ～  7035  
• confirmation time = 1 h分摊到每笔交易的 gas = 368 + 400000 / （ 5 * 3600 ）= ～ 390 

在当前二层网络的设计中，分摊到每笔交易的 gas 对打包 batch 的间隔时间（也就是用户感知到的 confirmation time）非常敏感，且将 confirmation time 控制在一个较短的时间窗内带来的成本非常高。

– 加入 Layer 3 的 gas 情况：

• confirmation time = 12 s（以太坊出块时间）分摊到每笔交易的 gas = 368 + 8000 / （ 5 * 12 ）= ～  501  
• confirmation time = 1 h分摊到每笔交易的 gas = 368 + 8000 / （ 5 * 3600 ）= ～ 368 

 3.关于成本的思考

• 在 Layer 2 的基础上 Layer 3 有明显提升，将 confirmation time 从 12 s 延长到 1 h（每个 batch 打包更多交易）并没有带来显著的 gas 收益。同时 Layer 3 的设计几乎可以在一个较短的 confirmation time 内（ 12 s）达到当前 Layer 2 花费一小时 confirmation 的 gas 成本。在保证用户体验的前提下极大降低了成本。
• 另外，我认为容易被忽视的一点是，由于 batch cost 的降低导致 transaction amount 的增加同样不会为每笔交易带来太多 gas 成本的收益。因此，Layer 3 从这个角度看也更适合去做app-specific、定制化的设计（不依赖于大量的交易来抵消高昂的 batch cost）。

 4.浅谈一下效率

和成本一样，我认为做多层网络结构的原因一定躲不开提升效率，抛开成本和效率谈结构设计有多 fashion 没有任何意义。

我们知道 wrapped token 的实现降低了 Layer 2 之间的互操作成本，但是效率上仍然有待提升，我们简单算一下为什么：

– Optimistic-rollup —> 14 天！

由于 fraud proof time，一个 rollup 链存（～ 7 天）➕另一个 rollup 链取（～ 7 天），～ 14 天的验证期仍然无法避免；

– ZK-rollup —> ～ 12 h

避免了 fraud proof time 的漫长等待，相比 Optimistic-rollup 更快，但是有以下两个问题：

• 目前 Layer 2 的 ZK(E)VM 需要做到 one Virtual Machine fits all Dapps，因此设计上妥协了一些 ZK-unfriendly 的设计，导致 proof 在生成时候需要额外的时间处理无法并行计算的指令
• 在分析成本时提到过，出于对打包交易的时间间隔和每笔交易分摊的费用的权衡，当前的 ZK-rollup 无法在短时间打包交易到 Layer 1 （否则 gas 太贵用户不干）。

– 加入 Layer 3 之后

• Layer 3 的思路就是定制化扩容、app-specific scaling，因此，ZK-rollup 生成 proof 这部分额外花费的时间会得到最大程度的优化；
• Layer 3 的设计可以将跨链的交易成本降低基础上保证效率。相比于二层网络结构，无需经过 Layer 1, which is expensive and congested。

 5.重新审视 Layer 3 

综上所述，这种 Layer 3 的设计就好像是在 Layer 1 安全性的基础上，以 Layer 2 为核心搭建出了无数子生态。

我认为一定程度上，多层网络架构进一步将 Layer 1 的功能隔离，让 Layer 1 专注于保障交易安全性，将计算等功能转移到每个子生态系统中。

六、另一种 Layer 3 的思路

Vitalik 提出了一种新的架构设计思路，在我看来也可以算作一种多层网络架构的设计（你也可以把它看成一种二层网络结构），非常值得分析和思考：

Layer 1: base layer

Layer 2: batch mechanism

Layer 3: rollup、validium

 1.对这种架构的解读

—> 在现在的 Layer 1 和 Layer 2 之间插了一个（聚合+验证+分发）层。

在这种设计中，一种 batch mechanism 的结构以开放式协议的形态成为架构中的 Layer 2 ；现在我们熟知的 Layer 2 （ZK-rollup）可以接入这种协议并成为一种 Layer 3 。

我认为整套 batch mechanism 的核心是以下 2 点：

• Batch prover 将加入 batch mechanism 的各个 ZK-rollup 发送的多个 proof 聚合，并记录所有的 new state、old state、state delta；
• Batch handler 只需要验证一次聚合后的 proof，验证成功后以(New state, Old state, State delta)作为验证成功的证明分发给相应的 rollup 链（Layer 3 ）用于更新 state。

 2.Again，Layer 3 的价值

– 成本

相比现在 Layer 1 的 verifier contract 验证不同 rollup 链发送的 batch proof 并更新 state，这套新的架构相当于将gas 成本在各个 rollup 链之间分摊。根据 Vitalik 的描述，分摊后的 gas cost 同样约为 8000 。因此，这种 Layer 3 的设计在成本因素上同样产生了很大价值。

– 安全性

这样的结构设计使得 Layer 2 （batch mechanism）成为了一个用途明确且专一，结构简单的中间层，这使得这一层在安全性和 governance-minimized 上具备天然的优势。

*Starkware 上的 SHARP 正在做类似的实现，递归的证明方式使得 proof 可以被提交到 Layer 2 的 StarkNet 上，为进一步实现 Layer 3 创造可能性。

七、对 Layer 3 未来的思考

• 二层网络是当前的最佳解决方案，但我相信多层网络结构一定会成为未来趋势；
• 基于现在大家对 Layer 3 的设想，ZK 相关技术对 Layer 3 会起到极大的推动作用，并且未来 Layer 3 的底层技术很可能离不开 ZK，甚至基于 ZK。因此，在 ZK 领域的探索对 Layer 3 的发展非常重要；
• Layer 3 的概念处于早期阶段，未来一切皆有可能！但本质上 Layer 3 的出现会是成本和效率驱动的。Layer 3 的出现不会改变 Layer 2 作为 general purpose scaling 的格局，而是在 Layer 2 的基础上做更加定制化的事情；
• Layer 3 的发展离不开扎实的 Layer 2 。持续推进现在 Layer 2 的生态繁荣和底层技术进展仍然是高优先级的；

Reference

https://vitalik.ca/general/2022/09/17/layer_ 3.html

https://medium.com/starkware/fractal-scaling-from-l2-to-l3-7 fe 238 ecfb 4 f

https://medium.com/starkware/recursive-starks-78 f 8 dd 401025 

https://ethereum.org/zh/layer-2/

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