全景式解读执行层：EVM一枝独秀，业务能力为成败关键

原文来源：节选自 ELI NUSS, Stratos

原文编译：Felix, PANews

导语：区块链中的执行层在多年技术发展下，扩展性不再成为主要矛盾，而业务开发和吸引有趣应用程序的能力似乎成了项目成败的关键因素。

介绍

在过去的一年里，执行层变得越来越拥挤。虽然将 Rollup 作为一种扩展解决方案已经有一段时间了，但采用才刚刚开始。在过去的一个月里，Rollup 合约消耗的 Gas 占以太坊 Gas 总支出的 10% 以上。

来自 funnyking 的 Dune 仪表板

Arbitrum 和 Optimism 的吸引力，以及 zkSync、Starknet 等预期推出的产品，加快了新执行层构建的速度。自 2018 年以来，有超过 20 亿美元的风投资金进入了这一领域。该领域目前有几十个项目正在建设，因此跟踪这些项目变得越来越有挑战性。此外，随着最近将 rollup SDKs/rollup 作为服务提供商的趋势出现，这种情况更加严重。

要点

- 从长远来看，证明机制将是一个越来越注重细节的工作：

在丰富的区块空间中，有效性证明（zk）执行层相对于欺诈证明（optimistic）执行层的优势变得不那么明显。optimistic 的设计可能会出奇地好。

如果/当 zk 变得更好时，optimistic 系统可以将欺诈证明换成有效性证明。

- 随着状态增长不再是瓶颈，执行将成为新的瓶颈。这为改进执行设计提供了机会。从长远来看，执行设计可能是主要的差异化因素。部署架构将取决于经济偏好。更多的主权 -> 更多的价值捕获 -> 更少的可组合性。

- Rollup 框架和服务提供商将导致大量的执行层。

- 预计随着技术变得更加成熟，执行层的设计空间可能会得到巩固。

- 剩下的问题：排序器去中心化、跨 Rollup atomicity、ZK 证明效率、可持续代币模型。

- 从投资者的角度来看，执行层市场的长期赢家可能已经获得了资金。

- 就技术和采用而言，Arbitrum 是现今该类别领导者。Optimism 在吸引团队加入他们的 OP Stack 方面非常出色——最引人注目的是 Coinbase 创建了自己的 Rollup：Base。

- 长期成功的关键，将是建立强大的开发人员和用户社区的能力，这比任何技术细节更重要。

下面会深入探讨其中的每一点，首先从如何细分目前的市场开始。

细分市场

通常，执行层根据证明机制来区分，要么通过欺诈证明的「Optimistic」，或通过有效性证明的「零知识」。下面将探讨两者区别，并解释为什么从长远来看出现会有更重要的区别：即虚拟机 (VM) 设计和部署架构。

证明机制

在讨论执行层时，引起注意的主要区别是 Optimistic rollups (ORs) 和 zk-rollups (zkRs)。Optimistic rollups 使用欺诈证明系统来确保链下计算的正确性，而 zk-rollups 使用有效性证明来保证链下处理数据的准确性。

欺诈证据：

- 一个行为或交易发生在一个去中心化的系统中。

- 网络中的一个参与者（或一组参与者）声称此行为或交易无效。

- 如有争议，参与者可提供支持其主张的「证据」。这种证明通常是一小部分数据，可以很容易地被其他网络参与者检查。

- 其他网络参与者可以独立验证证明的正确性，而无需存储或处理整个区块链。

- 如果发现证据有效，则该行为或交易被视为欺诈，网络将采取适当的行动（例如，惩罚欺诈者或撤销交易）。

有效性证明：

- 一个行为或交易发生在一个去中心化的系统中。

- 负责行为或交易的参与者创建有效性证明，这是一种加密证明，可以在不泄露任何不必要信息的情况下证明行为或交易的正确性。

- 有效性证明与行为或交易一起提交给网络。

- 然后其他网络参与者可以独立验证有效性证明的正确性。这个过程通常涉及检查证明的数学属性，而不必处理整个区块链。

- 如果发现有效性证明是正确的，则该行为或交易被认为是有效的，并且可以被包含在区块链中。如果证明无效或未提供证明，则该行为或交易将被拒绝。

关键的区别在于，欺诈可证明系统依赖于一个假设，即总是存在至少一个诚实的验证者/排序器来捕获欺诈活动，而有效性可证明系统从一开始就拒绝欺诈交易。有效性验证的系统通常被认为更安全，因为它们不依赖于任何信任假设。然而，有效性证明需要花费大量时间进行更复杂的计算，并且所需的基础设施非常昂贵。随着 zkSync 最近开源了他们的代码库，运行证明程序的规范也公开了。推荐的最低级别选项，是拥有超过 40 GB vram 的 GPU 系统。在谷歌 Cloud 上每月花费约 6000 美元，这使得它不适合大规模的去中心化。下面进一步详细探讨每种方法的优缺点。

今天扩展区块链的主要挑战是，如何在不增加中心化程度的的情况下，控制状态增长速度。任何吞吐量的增加都会导致更快的状态增长，从而导致运行网络的成本增加和中心化问题。zk rollups（zkRs）在这种环境中具有优势，因为它们只需要将证明数据发布到基础层，从而允许在给定数量的区块空间中包含更多交易。然而，随着区块空间瓶颈的解决（EIP-4844 ，新的数据处理服务），optimistic rollups（ORs）在可扩展性方面可能会赶上甚至超过 zkRs。这是因为 zkRs 仍然需要昂贵的验证基础设施。随着区块空间变大，OR 可以更少地担心数据发布的成本，并最大限度地提高吞吐量。zkRs 也能利用区块空间变大，但程度较小。另外，运行有效性证明程序总是会有开销。

虽然有效性机制是当下重要的技术话题，但从长远来看，它很可能是一个实施细节问题。执行层将集中于为其用例提供最少权衡的系统。此外，一旦 zk 的证明时间/大小下降，现今运行在欺诈证明上的项目将能够证明其虚拟机的有效性。例如，Optimism 可以通过有效性证明提供的 mips 成为一个 zk Rollup。然而，就目前的证明系统状态而言，由于所需证明的规模，短期内可能成本太高。证明大小由虚拟机支持的低级操作码决定。像 Fuel 这样的系统可能更适合有效性证明，因为指令集的设计在某些方面比 mips 更简单。无论哪种情况，关键是如果/当 zk 变得更加优越时，欺诈系统将能够切换。这些团队将面临的主要劣势是缺乏 zk 方面的专业知识，但随着空间变得更加标准化和基础设施的优化，这将不再是一个问题。

作者 ELI NUSS 的观点是，从长远来看，证明系统不会像今天经常描绘的那样成为关键的差异化因素。但在这篇文章中，将继续考虑两者的差异。

虚拟机设计

一个关键的区别在于虚拟机本身。迄今为止，智能合约执行的主要软件环境一直是 EVM。围绕 Solidity 建立的开发者社区非常强大，占部署的绝大多数智能合约。正如预料的那样，这导致大多数新 Rollup 和执行层都是围绕 EVM 构建。Optimism 和 Arbitrum 都实现了迭代，Scroll、zkSync、Polygon 和其他公司的团队正在竞相部署第一个 zkEVM。

这种方法的明显好处是与现有的智能合约应用程序兼容，并且可供多数智能合约开发人员和用户社区访问。在币安智能链、雪崩等链中，已经有一个明显的例子。在优化与现有智能合约的兼容性时，这些以太坊替代方案能够利用以太坊可扩展性差的缺点，迅速吸引以太坊链上的应用程序。事实上，这在 Arbitrum 和 Optimism 等早期 L2 上也有所体现。几乎每个主要的以太坊应用程序都部署了 Arbitrum 和 Optimism。

但是，使用 EVM 存在重大缺陷。按照设计，EVM 不能并行执行事务。在给定时间段内，对于尝试扩展可运行的事务数量的 L2 来说，吞吐量存在上限。到目前为止，这还不是一个主要问题，因为主要的瓶颈仍然是状态增长。但随着区块空间变得越来越大，执行架构将成为更多的瓶颈。

Starkware、Fuel 和其他公司选择构建在可以提供比 EVM 高得多的吞吐量的新系统。

多年来围绕 EVM 建立起来的网络效应，使得这些新系统中的任何一个都不太可能超越它。正如 2022 年 Electric Capital 开发者报告中所写，以太坊无疑是最活跃的开发者社区。因此，使用 EVM 的执行层将在未来发挥重要作用。

然而，随着状态增长瓶颈得到缓解，对更高性能执行层的需求愈加明显。最近来自 Stylus 的 Arbitrum 公告强调了替代目前执行设计的需求。从长远来看，可能会有一些替代虚拟机类别的领导者，达到与其他流行的虚拟机相似的规模。

部署架构

最后一个值得理解的区别是执行层部署方式的配置。如前所述，迄今为止最常见的架构是以太坊上的 L2 智能合约。一般来说，这些执行层属于主权范围。一方面，你有固定的 Rollups，另一方面，你有主权链/Rollups，这些设计的定义是相当有争议的，但为了这篇文章的目的，将使用 Polynya 的分类系统。

Enshrined rollups：这些 Rollups 在协议级别集成上，不依赖智能合约或治理。这是它们在 L1 级别提供 Rollup 的技术优势。缺点是升级可能会很慢，因为它们与底层区块链的共识过程相关联。截至目前，Tezos 是唯一朝着这个方向发展的协议。

Regular rollups：这些 Rollups 的安全性，依赖于部署在去中心化链（例如以太坊）上的智能合约。它们继承了底层区块链的安全性，但可以通过 Rollup 的治理进行升级。包括 Arbitrum 和 Optimism。

Validium：它不是 Rollup 而是一个执行层，在外部链上结算证明，同时使用不同的外部链处理数据。如果有效性得到证明，则此构造称为 Validium。例如 ImmutableX 和 Sorare。

Optimistic chains：这些链的操作类似于 Validiums，因为它们使用外部链来存储数据。此外，还有一种回滚机制，即使一个（或两个）验证者不同意，链也会回滚到 Rollup 中。

Sovereign rollups：这些 Rollups 自行解决，只使用数据可用性层的数据和排序。所有其他逻辑都在 Rollup 的主权之下。这导致了与 L1 最相似的体验，主要区别在于 DA 的发布方式。有许多项目计划构建 Sovereign rollups，尤其是 Celestia 生态系统中的项目。

这些执行层的设计在安全性、可升级性和与底层区块链的集成方面进行了不同权衡。一般来说，更多的主权意味着对性能或自主权的限制更少，但会在可升级性和安全性方面引入新的风险。安全和可组合性也可能会更加复杂。较少的主权通常意味着相反的情况。也许最重要的权衡是经济方面的考虑。作者 ELI NUSS 的观点是，执行层的主权越强，价值就越流向该代币。不太清楚的是，Regular rollups 的代币如何产生价值或者是否真正需要代币。

根据项目或应用程序的具体要求，开发人员将不得不选择最合适的 Rollup 类型，以在安全性、去中心化和可扩展性以及经济偏好之间实现他们想要的平衡。同样重要的是要注意，其中大部分仍然是理论上的。迄今为止，几乎只看到 Regular rollups 有实际进展。在接下来的几个月/几年里，情况应该会变得更加清晰。

执行框架/服务

正如预期的那样，区块链领域的模块化趋势已经产生了许多 rollup SDK/框架和 rollup- As -a-service 提供商。在这一领域建设的公司仅在 2022 年就筹集了 5000 多万美元。这些解决方案都有一个共同的目标，即显著简化创建新执行层的过程。他们的目标是简化执行层的开发，类似于 Cosmos SDK 和 Substrate 如何促进第 1 层区块链的创建。其愿景与应用链理论非常相似，但这些应用链不依赖于构建 L1 基础设施，而是可以从现有 L1 继承安全性。正如 Celestia 的 Mustafa 所强调的，理解 Rollup 框架和 rollup- As -a-service 之间的区别非常重要。

框架指的是可以重复使用，用来构建自己 rollup 的软件。服务、协助 rollup 的部署和实际运行。理解这一点的一个很好的例子是 OP Stack 和 Conduit。OP Stack 是由 OP labs 开发，Optimism、Base 和其他公司实现，用于构建自己的 rollup。Conduit 是一家服务提供商，它使客户能够通过 Conduit 维护的基础设施部署 OP Stack rollup。

不同的服务提供者有不同的框架和配置。有些配置为 Sovereign rollup，有些配置为 Regular rollups，有些设计为 L2s，有些设计为 L3。这些都伴随着上面提到的所有权衡。Starkex 可以说是第一个整合服务提供商的例子，对 dY/dX、ImmutableX、Sorare 等公司都有很大的吸引力。这些执行层可以配置为使用以太坊提供数据可用性的 Rollup，也可以配置为使用外部 DA 源的验证。

一般来说，这些框架和服务背后的想法是，将来会有对 Rollup /特定于应用程序的 Rollup 的需求，因此 Rollup 的部署需要非常简单。考虑到与 Cosmos 应用链的相似之处，许多这样的项目都是在 Cosmos/Celestia 生态系统中构建的，这并不奇怪——Sovereign Labs 和 Rollkit 是为 Celestia rollrolls 设计的框架，而 Caldera、dimension、Eclipse 等都是面向 Cosmos/Celestia 的服务。在以太坊生态系统中，OP Stack、Arbitrum Orbit 和 Stackr 提供了 optimistic 框架，而 Slush 提供了 zk 框架。以以太坊为中心的服务包括 Starkex、Conduit 和 Opside。

考虑到未来的状态增长将不再是瓶颈，高性能的 EVM 替代品似乎也将成为必要——无论是 WASM、Fuel VM 还是其他，有待决定。部署架构有点难以预测，尽管这将主要归结为经济考虑。

为了让执行层达到最终形式，仍然存在一些未解决的问题:

- 排序器去中心化——今天基本上所有的执行层都依赖于一个中心点。这否定了 Rollups 背后的许多原则。这是 Rollups 团队下一步要采取的重要步骤。也有像 Astria、Radius 和其他提供这种服务的服务出现。

- 跨 Rollup atomicity——除非弄清楚这一点，否则 Rollup 对于大多数金融应用程序来说是没有意义的。

- ZK 证明效率——尽管 zk 证明的改进速度比预期的要快，但成本仍然太高。

- 代币设计——目前还不清楚执行层是否需要自己的代币。Arbitrum 和 Optimism 代币本质上是治理代币，它们不像 L1 代币那样能捕获价值。这些模型可以说是不可持续的，但是否存在其他有意义的代币模型，需要更深入的研究。

很明显，区块链正在接近一个临界点，扩展不再是一个问题。从理论上讲，从其他层分离执行可以实现永无止境的扩展。Rollup 框架和服务将使部署新的 Rollup 变得微不足道。这里的关键问题是，是否会有足够的需求来要求这种规模。该问题计划在以后的文章中深入讨论，但 Polynya 在这里给出了一个很好的概述。

总结

Rollups 和其他执行层上的交易份额将在未来几年继续增长，特别是当以太坊和其他基础层优化，为这些执行层提供安全的数据可用性时。

最终从长远来看，业务开发和吸引有趣应用程序的能力将是决定执行层成功与否的关键因素。在这个竞争激烈、发展迅速的领域，创造强大生态系统的能力对于推动增长至关重要。这些模块化执行层带来的性能提升，为以前在 L1 上无法实现的独特应用程序打开了大门。

总的来说，超过 20 亿美元的风投资金已经投资于 Rollups 和执行层，其中大部分流向了早期的构建者，如 Arbitrum、Optimism、Starkware 和 zkSync。虽然设计仍有发展空间，但大部分风投回报很可能来自已经在开发中的公司。EVM 风格的执行层尤其如此，像 Arbitrum、Optimism 和 zkSync 这样的市场领导者已经站稳了脚跟。而非 EVM 领域未来会更加有趣。