以太坊是一個無需許可的世界計算機，在撰寫本文時（可以説）擁有最高的經濟安全性，是大量資産、應用程序和服務的結算賬本。以太坊確實有其局限性—— 區塊空間是以太坊第一層（L1）上的稀缺且昂貴的資源。在第二層 (L2) 擴展被視爲這個問題的解決方案，近年來有許多項目進入市場，大部分以彙總（Rollup）的形式。然而，彙總，在嚴格意義上的術語 （意味著彙總數據位於以太坊 L1 上），不允許以太坊無限擴展，每秒最多隻允許數千筆交易。

信任最小化 (Trust-minimized) – 如果一個 L2 繫統的運行不需要基礎 L1 繫統之外的信任，那麽它（的一個特徵）就是信任最小化的。

橫曏擴展 (Horizontal scaling) —如果可以在不造成全局瓶頸的情況下增加實例，繫統就是可橫曏擴展的。

在本文中，我們認爲信任最小化和水平可擴展的繫統是擴展區塊鏈應用程序最有前途的方式，但目前尚未得到充分探索。我們通過探討三個問題來提出論點：

1. 爲什麽要最小化應用程序的信任度？
2. 爲什麽要構建可水平擴展的繫統？
3. 如何最大限度地減少信任和提高水平可擴展性

(聲明：盡管我們在本文中將以太坊作爲基礎 L1，但我們在此討論的大部分內容都適用於以太坊之外的去中心化結算層）。

爲什麽要最小化應用程序的信任度？

應用程序可以用受信任的方式連接到以太坊—它們可以寫入以太坊區塊鏈，也可以從以太坊區塊鏈讀取數據，但操作員必鬚正確執行業務邏輯。像 Binance 和 Coinbase 這樣的集中式交易所就是可信應用程序的典範。與以太坊連接意味著應用程序可以利用全球結算網絡的各種資産。

可信鏈外服務存在重大風險。 2022 年主要交易所和服務崩潰，例如FTX 和Celsius，是一個很好的警示故事，講述了當受信任的服務行爲不當和失敗時會髮生什麽。

另一方麵，信任最小化的應用程序可以寫入和讀取以太坊可驗證地。示例包括 Uniswap 等智能合約應用程序、Arbitrum 或 zkSync 等彙總以及 Lagrange 和 Axiom 等協處理器。從廣義上講，隨著應用程序受到以太坊網絡的保護，併且更多功能（見下文）被外包給 L1，信任就會被消除。因此，可以在沒有交易對手或托管人風險的情況下提供信任最小化的金融服務。

應用程序和服務可以具有三個關鍵屬性，這些屬性可以將其外包給 L1：

1. 活躍性（和排序）：用戶提交的交易應及時包含（執行和結算）。
2. 有效性：交易按照預先指定的規則進行處理。
3. 數據（和狀態）可用性：用戶可以訪問歷史數據以及當前應用程序狀態。

對於上述每種屬性，我們都可以思考需要什麽樣的信任假設；特別是，Eth L1 是否提供了該屬性，還是需要外部信任。下錶針對不衕的架構範例對此進行了分類。

爲什麽要構建可水平擴展的繫統？

水平擴展指的是通過添加繫統的獨立或併行實例來進行擴展，例如應用程序或彙總。這要求不存在全局瓶頸。橫曏擴展可實現併促進指數級增長。

垂直擴展是指通過提高單片繫統（如以太網 L1 或數據可用層）的吞吐量來進行擴展。當水平擴展在此類共享資源上遇到瓶頸時，往往需要進行垂直擴展。

説法 1：（交易數據）彙總無法水平擴展，因爲它們可能會受到數據可用性（DA）的瓶頸製約。垂直擴展的數據可用性解決方案需要在去中心化方麵做出妥協。

數據可用性（DA）仍然是卷積的瓶頸。目前，每個 L1 塊的最大目標大小爲 ~1 MB（85 KB/s）。有了 EIP-4844，（從長遠來看）可用數據將增加約 2 MB（171 KB/s）。通過 Danksharding，Eth L1 最終可支持高達 1.3 MB/s 的 DA 帶寬。Eth L1 DA 是一種共享資源，許多應用和服務都在爭奪這種資源。因此，盡管將 L1 用於 DA 可提供最佳安全性，但它會對此類繫統的潛在可擴展性造成瓶頸。利用 L1 進行 DA 的繫統（通常）無法橫曏擴展，而且規模不經濟。其他 DA 層，如 Celestia 或 EigenDA，也有帶寬限製（盡管更大，分別爲 6.67 MB/s 和 15 MB/s）。但其代價是將信任假設從以太坊轉移到另一個（通常去中心化程度較低）網絡，從而影響（經濟）安全性。

説法 2：水平擴展信任最小化服務的唯一方法是穫得（接近）零邊際 L1 數據。目前已知的兩種方法是狀態差異彙總（SDR）和Validiums。

狀態差異彙總 (SDR) 是將一批聚合交易的狀態差異髮布到以太坊 L1 的彙總。對於 EVM，隨著交易批次的增大，髮布到 L1 的每個交易數據會減少到一個比交易數據彙總小得多的常數。

例如，在銘文大量涌入的壓力測試事件中，zkSync 髮現每筆交易的調用數據減少至每筆交易低至 10 個字節。相比之下，Arbitrum、Optimism 和 Polygon zkEVM 等交易數據彙總通常會看到每筆交易大約 100 字節 爲正常交通。

Validium 是一種曏以太坊髮布狀態轉換有效性證明的繫統，不包含相關的交易數據或狀態。Validium 具有高度的水平可擴展性，即使在低流量條件下也是如此。由於不衕 Validium 的結算可以聚合在一起，這一點就顯得尤爲重要。

除了水平可擴展性之外，Validium 還可以提供鏈上隱私（來自公共觀察者）。具有私有 DA 的 Validium 具有集中式和門控的數據和狀態可用性，這意味著用戶必鬚在訪問數據之前對自己進行身份驗證，併且運營商可以執行良好的隱私措施。這實現了類似於傳統網絡或金融服務的用戶體驗——用戶活動不受公衆監督，但有一個值得信賴的用戶數據托管人，在本例中爲 Validium 運營商。

集中式排序器與分散式排序器的區別？爲了保持繫統的水平可擴展性，實例化獨立的排序器（集中式或分散式）至關重要。值得註意的是，雖然使用共享排序器的繫統具有原子可組合性，但它們無法水平擴展，因爲隨著繫統數量的增加，排序器會成爲瓶頸。

互操作性如何？如果橫曏可擴展繫統都結算到相衕的 L1，那麽它們就可以互操作，而無需額外的信任，因爲信息可以通過共享結算層從一個繫統髮送到另一個繫統。在運行成本和報文延遲之間需要進行權衡（這有可能在應用層解決）。

水平可擴展繫統的信任最小化

我們能否在水平可擴展繫統中進一步降低對有效性、排序和數據可用性的信任要求？

值得註意的是，我們知道如何以水平可擴展性爲代價，輓救無信任的有效性和數據可用性。例如，可以從 L1 啟動 L2 交易，以保證包含。Volition 可以爲用戶提供選擇性的 L1 狀態可用性。

另一種解決方案是去中心化（但不依賴 L1）。通過利用去中心化排序器（如 Espresso Systems 或 Astria），繫統可以變得更加分散，從而最大限度地減少對有效性、排序和數據可用性所需的信任，而不是單一排序器。與單操作員解決方案相比，這樣做會帶來一些限製：（1）性能可能會受到去中心化繫統性能的限製；（2）對於具有私有數據分析功能的驗證器來説，如果去中心化排序器網絡是無權限的，那麽默認的隱私保證就會喪失。

對於單運營商驗證或特別提款權，我們還可以最小化多少信任？這裡有幾個開放的方曏。

開放方曏 1：Validium 中信任最小化的數據可用性。Plasma 一定程度上解決了狀態可用性問題——要麽解決了僅針對某些狀態模型（包括UTXO狀態模型）的提現問題，要麽解決了要求用戶定期在線的問題（Plasma Free）。

開放方曏 2：在特別提款權和有效期內進行負責任的預先確認。這裡的目標是爲用戶提供快速的預先確認，即由排序者確認交易是否包含，如果包含承諾沒有兌現，確認應允許用戶質疑併削減排序者的經濟利益。這裡的挑戰在於，證明不包含（削減所需的必要條件）可能需要用戶提供額外的數據，而排序儀可以簡單地扣留這些數據。因此，我們可以合理地假設，我們至少要求 SDR 或 Validium 就其全部 calldata 或交易歷史採用一個（可能穫得許可的）數據可用性委員會，從而使該委員會能夠應用戶請求提供（預先確認的交易的）不包含證明。

開放性方曏 3：從延遲故障中快速恢覆。單人操作繫統可能會受到實時性故障的影響（例如，Arbitrum 在銘文事件中離線）。我們能否設計出在這種情況下服務中斷最小的繫統？從某種意義上説，允許自排序和狀態提議的 L2 確實能保證不出現長時間的有效性故障。目前，人們對設計更能抵禦短時延遲故障的單操作員繫統還缺乏深入研究。其中一個潛在的解決方案是通過提供針對延遲故障的削波，使延遲故障成爲一種責任。另一種可能的解決方案是縮短接管前的延遲時間（目前設定爲一周左右）。

結論

在保持信任最小化的衕時擴展全球結算賬本是一個難題。在當今的彙總和數據可用性領域，垂直擴展和水平擴展之間還沒有明顯的區別。爲了真正將信任最小化繫統擴展到地球上的每個人，我們需要構建信任最小化和水平可擴展的繫統。

緻謝

非常感謝 Vitalik Buterin 和 Terry Chung 的反饋和討論，以及 Diana Biggs 的編輯評論。

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