# ETH2.0与新公链专题

By [snapp_ye.bit](https://paragraph.com/@snapp-ye-bit) · 2022-05-05

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前言：
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如果我们复盘一下现在的公链赛道，可以发现这样的基本体系。以太坊稳居公链之王，众多高性能公链承接以太坊生态的外溢压力。各大Layer2方案帮助以太坊实现链下扩容，IOTA等专用型公链抢占物联网等细分市场，波卡和Cosmos专注于打造多链生态。那么，这个格局是如何形成的呢？ 我们来回顾一下公链发展的故事。

![图源：亚瑟投资笔记](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/17c699c0858c51f677310da58e2777f67438f96d61115cea31fa86f9b6af1b27.png)

图源：亚瑟投资笔记

1、2008年 比特币与区块链的诞生
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2008年，比特币白皮书发布。这个世界上最早的公链致力于打造一个点对点的支付交易体系。比特币的制度是，每笔交易完成后，全网广播。每隔10分钟，所有的交易被矿工打包成一个区块，区块与区块相互连接，形成区块链。

![区块链示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/da25a567b45be8afe65bc8e2a92664232c6aace686e485a0c97778b95bf5a4b7.png)

区块链示意图

其中 tanscation list和Block head 的关系是这样的：

![merkle tree](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/4a838d185925af7e50e9a46749495335671b1bab395fefedca9dfaf806c711ca.png)

merkle tree

大家为什么愿意记账？

因为记账有奖励，最初生成一个区块50个比特币，4年后，变为每个区块25个比特币，依次减半。

以谁记账为准：

工作量证明（POW）

首先生成区块需要依靠的是SHA256这个哈希函数，它可以把任何的信息转化成256位的二进制数字，也就是哈希值。每次生成区块时，需要把“上一个区块的哈希值+10分钟内的交易信息+时间戳+一个随机数”经过两次sha256算法处理，最后要生成，满足前N位是0的哈希值。最早生成一个区块的人，把包括随机数在内的所有区块信息提交全网验证。如果一个提交后，其他人验证无误，他就获得了这个区块对应的记账奖励。

这个N是随着全网算力而改变的。我们要保证10分钟一个区块。那么，全网算力越多，系统相应把N放大，增加大家生成的难度，从而保证整个比特币是10分钟一个区块。

![不可能三角](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/eebd8bd54eff96107e0404d60ecb7d81c15d77b2b943eca7dfd959eb45566b3f.png)

不可能三角

2008年-2013年间，区块链整体上专注于去中心化货币/转账体系的实现，具体包括比特金、莱特银为首的去中心化方案，瑞波币为代表的半中心化+高效率的转账方案，ZCASH为代表的隐私转账方案，Doge为代表的模因文化体系。

2、2013-2017年 以太坊与智能合约
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以太坊首次实现了智能合约，并且允许所有参与者基于智能合约在以太坊上开发应用。

![图源：登链社区 ](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/45daf226af0dc2529d415c673e6c33e403ab7e4194c402e13d036de47218e102.png)

图源：登链社区

以租房为例，房东与房客签订一年期的租约，每月支付100元房租，作为智能合约存入执行系统。那么合约期间，每个月，系统会从房客账户划转1000元给房东，同时将开门密码发送给房客。合约到期后，则终止执行。

以太坊这个智能合约的基本特性，可以用于各种各种Dapp的开发、DAO（去中心化自治组织）的建设等。

![DAO 示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/8cf884dd5daaf450a86982b3ea4268b9fcb0bb1ef1da001b308db1530d68c7f2.png)

DAO 示意图

以太坊在公链不可能三角中，选择了去中心化与安全性，因此造成的可扩展性和gas fee高的问题。

![区块链不可能三角](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/eebd8bd54eff96107e0404d60ecb7d81c15d77b2b943eca7dfd959eb45566b3f.png)

区块链不可能三角

3、2017 扩容问题的产生与“公链元年”
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以太坊2015年正式上线后，每秒处理交易为15笔，远低于现有结算中心VISA等。由于初期，以太坊使用场景较为有限，以太坊暂时没有过多容量上的压力。直到2017年，ICO爆火，各类项目公司总募资额达到50亿美金，2018年前5个月，ICO的规模更是超过了2017年全年的两倍。

同时，2017年，CryptoKitties等dapp开始上线，快速增长的用户几乎堵死了整个以太坊网络。

![ICO 流程](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7f72785f423d9b952a78b0ec3d838c66bd563284a45b9b4886c37b1de651510e.png)

ICO 流程

相应的，以太坊作为ICO和dapp的重要工具，其容量难以应对如此规模的交易。于是，区块链的扩容，迅速成为了众人关注的主旋律。

![各ICO项目](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/8e779a85b2396fea11f78773054006ffcedb32a1eb581c0d7ee278076cb1f5b2.png)

各ICO项目

区块链扩容大致分为以下三种：Layer0(跨链交互) ，Layer1(链上扩容，对公链本身进行改造)，Layer2（链下扩容，将链上工作转移至链下）。

3.1 Layer 2(链下扩容)
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2017年开始，以太坊开始进行扩容层面的探索。由于以太坊链的一些固有属性，改造主链进行链上扩容需要相当多的时间，而链下扩容，是以太坊生态2017-2022年间的主要尝试。

链下扩容，主要指在公链之外建立一个二层的交易处理平台，负责具体交易的处理。公链只负责总体存取款结算及验证链下上传信息的有效性。链下扩容主要有状态通道（State Channels）、等离子体（Plasma）和卷叠（Rollup）三种方式。

### 3.1.1 状态通道（State Channels）

使用者在需要交易时，在链下建立交易通道，在交易结束后，与链上进行整体结算。

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/17d39c7f878e6b8d0087d3cbdb23913bc6f0b8b78a1fb2b5b1e7f7e5a68fe575.png)

**具体操作流程：**

（1）通道开启：交易双方各自将一定数量资产存入通道（类比购物卡、ETC等）

（2）交易：双方在通道内进行交易

（3）通道关闭：交易完成后，一方可以申请关闭通道并将剩余资产提现至链上。另一方如有异议，可以在规定时间内提请仲裁。

**适用范围：**

状态通道适合用户在一定时间内频繁进行小额交易的场合。如博彩类游戏、物联网支付等。

**方案优势：**

（1）无需对公链整体进行改造

（2）即时交易

（3）理论上可以无限扩展交易量

**方案缺陷：**

（1）开通关闭通道较为复杂

（2）需要交易双方保持在线状态

（3）需要锁定保证金，存在机会成本

（4）无法使用智能合约

### 3.1.2 等离子体（Plasma）

**具体操作流程：**

不同于“小额免密支付”的状态通道，Plasma扩容方案致力于区块链各场合的普遍扩容，Plasma的方案可以概括为，

（1）在原公链之外生成若干子链（Child Chain）用于交易结算

（2）资产从主链转移到子链

（3）子链可以采取相对更高效低安全性的机制迅速处理交易

（4）子链将交易结果上传回高安全性机制的主链验证

![Plasma示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/041fa0accec80f7b0e61b7df4d8329ed9de4ec8107e27c8ba52f877f7c55d28b.png)

Plasma示意图

**主链验证：**

本方案最大的重点在于：“将子链的交易结果交给主链验证”。Plasma上传的是压缩后的数据。具体来说，一般是采用默克尔树压缩。如图，将很多笔交易经过运算后获得一个根（root），再将根（root）上传。

![Merkle Tree](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/679f0b69e2c92fb778f68e868744f4c5eea7d5ba3abe09db44eeb0b136c860dc.png)

Merkle Tree

**欺诈证明：**

由于以太坊主链只收到了一个压缩后的根（root）而无法检查和验证每一笔交易记录，Plasma设置了欺诈证明机制，过程是：

（1）Plasma的使用者想提现时，发送一个自己的交易记录和提现申请。

（2）提现设置挑战期，任何质疑这条交易记录的人都可以发起挑战。

（3）挑战期结算且未被他人挑战，则取现成功。

**方案劣势：**

本方案非常明显的劣势在主链验证和欺诈证明。首先，子链的低安全性，攻击子链制造虚假信息的难度相对较低，因此需要主链保证安全性。由于主链无法直接获取子链的完整交易数据（数据可得性不足），用户往往需要自己保留完整交易记录，并且每次提现需要长达一周的挑战期，非常低效。

此外，本方案无法使用智能合约。

**方案现状：**

2020年1月9日，以太坊扩容方案研究组织Plasma Group宣布终止对Plasma方案的探索，基本宣告了Plasma方案的终结。

### 3.1.3 Rollup（卷叠）

Rollup(卷叠)是当前最为流行的以太坊扩容方案。其基本思维在于，进一步优化Plasma的验证和挑战流程。

Rollup主要有以下两类基本思路：ZK Rollup(零知卷叠)与Optimistic Rollup（乐观卷叠）。

![V神推特](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/120342513d29b7c627c6b73b0fd041775adb03d9f9185305095143a587938478.png)

V神推特

**ZK Rollup（零知卷叠）**

首先来复习一下零知识证明，从纯科普的角度举例：

零知识证明就是：证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。

借用Mina Protocol的案例：

一群人在这张图中找一只熊猫，小A率先发现了熊猫位置，但是他不能立马公开指出来，因为这样就破坏了其他人的游戏体验。

![公众号：Mina Club](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/48719be8b58cec70be296b765444f264dc8517fb38d78721e0bd2ec8961bf9da.png)

公众号：Mina Club

有没有什么办法，即能够证明小A知道熊猫在哪儿，又不会让其他任何人知道答案呢？

于是小A找来一张超级大的白纸，并把这张纸随意的覆盖在有熊猫的图片上。然后，小A在白纸上剪一个小洞，只让熊猫露出来。

![公众号：Mina Club](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/190953f4847336d7aa0091b625a74d6967610f354a2618e644a32de2bbd1d262.png)

公众号：Mina Club

这样，熊猫位置作为关键信息，是被保护起来的，但小A还是能够在不让其他人知道熊猫在哪儿的前提下，证明自己找到了熊猫，这就是零知识证明。

**更详细一些，零知识证明的原理是这样的**

![从多项式证明开始](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/7351be5d34e4dd09938c26d4f0157057bf73240604c3b928af8120375b554533.png)

从多项式证明开始

这个多项式即为零知识证明的基本型，但是由于t(r)可以被提出的人发现，我们需要进一步去做隐藏。

![ ](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/4b777f8970f5673d547c8e02b8bb3e87866c464cf5f7c1ec66f8f5334a447f13.png)

这套算法将有效解决Plasma的验证效率问题。

ZK Rollup网络中，Relayer（运营者）负责验证每一笔交易，随后将所有交易记录打包生成证明后，交主链处理。与Plasma压缩后无法检验原始信息不同，ZK Rollup网络中压缩后的证明，是可以验证原先信息有效性的。

于是，ZK Rollup的使用者无需挑战期，依靠强大的验证技术做到与主链即时结算。

目前，这类解决方案仍存在潜在风险点：

（1）当前零知识证明算法仍处于相对早期，生成证明本身需要消耗相当数量的算力资源。

（2）目前基于传统智能合约的交易与零知识证明算法尚未兼容。

初步预计，ZK Rollup可以将以太坊网络的TPS提升至约3000。

![各方案gas fee对比](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/2b342f86080a79d56246638e47bde5d00d3c1154dc1983bb7b7a9972596ab490.png)

各方案gas fee对比

其中，zkporter是zkSync2.0预计使用的。

ZKrollup赛道主要有采用zksnark算法的zkSync 与采用zkstark算法Starkware两大龙头项目，

![基于zksnark算法的Zksync生态](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/083f451e52a719603d0841df38bd4ffb3f5474adb691a8b885a53f4149e3f21e.png)

基于zksnark算法的Zksync生态

![基于zkstark的Starkware生态](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/1057647ff2b49288277d88879b6963d1f3fa219fc735bb7517886018217c3266.png)

基于zkstark的Starkware生态

![](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/21a2daf125d1187015346500952e01cca705ec5ebd46734f45debe9820b78e5f.png)

值得一提的是，以太坊创始人V神极为看好ZK Rollup方案，翻阅Starkware种子轮投资人可以发现V神的名字。

![两类算法的对比](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/571e6556409bb785819a2be050de099246f6c6b6399e46180d871cd1f954b261.jpg)

两类算法的对比

### 1.3.2 Optimistic Rollup(乐观卷叠)

Optimistic Rollup可以近似看作Plasma与Rollup的结合，事实上，此前宣布放弃Plasma的Plasma Group团队，此时已经转为研究Optimistic Rollup。

Optimistic Rollup相对于Plasma的改变同样在于：

（1）\*\*验证者。\*\*Optimistic Rollup网络中增加了验证者（Sequencer），验证者需要质押一定数量资产才能上岗，并且每7天（不同项目可能设置不同时间）将链下交易数据提交一次主网。与ZK rollup的操作者不同，Optimistic Rollup的操作员无需负责验证，而是直接默认交易记录真实。

（2）**已经支持智能合约（EVM）。**

相同之处在于，交易同样基于挑战机制。链下验证者上传的交易记录需要经历挑战期。如质疑者挑战成功，将获得验证者质押的资产。

具体按照挑战和检验的机制可以分为Optimism与Arbitrum两类算法。

3.2 链上扩容
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链上扩容方案，主要为对公链本身进行改造。

![链上扩容方案](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/858bf9817208e17fdb73ba50fb61f5e27264d2114e43f19991a2a0259275c771.png)

链上扩容方案

其中，以太坊社区提出了，首先把POW共识机制转为POS、其次分片，以及在链上扩容完成后，将evm这个智能合约处理环境升级为eWASM的构想。

![早期以太坊社区的方案](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/99bef3fa7964455b82d12395fc1d6a8c4a3cac6ee8431d2ecc804caeeed1c7fc.png)

早期以太坊社区的方案

其中POS共识机制，是指拥有32个以太坊的用户，即可选择将以太坊质押，系统从质押者中随机选取一人，作为eth区块生成者，此人可以获得相应的区块奖励。

![POS示意图](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/5528f0e38c8f9e379f508ea009cb9a3467bf26a796813f688e803f996d615e75.png)

POS示意图

这个机制中，质押资产越多的人，被选中的概率越大，为了方便理解，大家可以想象成1个ETH一票。

![以太坊质押赛道](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/3cce9afd6842d5538565df321c559bb3aeea29854c71a6346b81c7d9b2c52bbd.jpg)

以太坊质押赛道

相应的，以太坊质押也会带来大量质押赛道的机会，由于偏离主线，我们就不深入探讨了。

POS共识机制意味着更高的效率，但是，很容易想象，最初以太坊使用的是与比特币相同的共识机制，即POW，大家靠挖矿获得奖励。这就意味着，以太坊如果改变共识机制，那么，原先持有矿机的用户会极度不满，引发社区内部严重矛盾，因此，ETH的链上扩容，也就是ETH2.0，始终在推迟。

那么，ETH推迟链上扩容的同时，其他没有POW机制阻碍地项目，迅速开始了新公链地探索。2018年，公链元年，非常多的公链开始挑战ETH的地位，最为著名的，叫EOS，以Dpos共识机制对以太坊发起挑战，一度被视为区块链3.0的奠基者。Dpos是指全网共同选出21个超级节点，再由21个超级节点专门负责记账的模式。此外，还有Ouroboros共识算法的ADA等，

![各公链上线时间](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/bc00aa2cdbdda31350ef83a02f237965550d9d2fb47e959ef76bfb237436cfc2.png)

各公链上线时间

![共识机制简介](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/e1c03ad65986dc60d8463f6b741cad8ba487f17a2da9c36380e34512860b0930.png)

共识机制简介

但是值得注意的是，这个阶段的公链，更多是在去中心化与可扩展性之间做取舍，而非彻底的升级。具体可以看这张负相关的图。

![可扩展性每单位去中心化边界](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/9c192f3acfbb9b7cd93f30ba132628290b2c968b05495227a2cde9dea37ec678.png)

可扩展性每单位去中心化边界

最初的以太坊杀手的目标，往往从字面即可理解。但是操作系统之间的竞争，一方面是性能，另一大方面，是生态。想象一下，如果一个手机系统总是下载不到你需要的应用，你会选择它吗？

我们可以来看看2018年时各公链的开发热度：

![2018年各公链开发热度](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/5c1bebfefd114150fbb14e607344cbdf1d81f99e904a8e6ecac2907b481c350a.png)

2018年各公链开发热度

如果说性能上，各公链还各有取舍，甚至新公链1.0比以太坊还有些优势的话，那在生态上，以太坊的碾压性优势，基本是决定性的了。

以太坊杀手的独立生态与以太坊的强大生态，加上以太坊链下扩容的缓慢探索，加上2018年-2020年间主流的应用基本只有defi，而以太坊可以满足defi对于高安全性的根本需求。

到2020年，defi爆发时，eth基本确立了龙头地位，交易所公链成为了补充。

4、2021 新公链2.0
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2021年，gamefi与nft等新应用，促进了高性能公链与专用型公链的快速发展。

此时的竞争与新公链1.0时代有了以下明显不同。

（1）新公链更注重以太坊的兼容而不是完全隔离。（因为以太坊生态已经足够庞大）

![公链对EVM兼容情况](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/1744bd7fed804c634f9a4630874f446003675215b77d81ec1787006307ee3f9a.png)

公链对EVM兼容情况

可以简单理解为，兼容EVM就是可以允许以太坊生态上的应用。目前，即使SOL为代表的NON-EVM相关公链，也都基本另外开发了EVM兼容环境。

（2）多元化的应用场景使用户对于公链有更加多元的需求。（如果说defi大家都还极其注重安全性，那gamefi时期大家对于可扩展性的偏好就显著增加了）

同时，专用型公链也在填补细分市场，例如主打隐私+扩容的公链MINA。在尝试基于Zk-snark对不可能三角进行整体的优化。

![ ](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/c159cebe082bf89f796b7020951110c8ab77629ebcd09dd2876b25cfce2efb9f.png)

![ ](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/978eb153d2ab8af5d92af9b086c72cb8a49ccc389cedf9df704e04802da73105.png)

以及做Machinfi的iotex项目。

![ ](https://storage.googleapis.com/papyrus_images/4b3e4121b6c997f9575c3ee7b558cc10925b7a188b6d0f2a3e39e2ba8175ee24.png)

那么总体上，随着区块链应用和需求的多元化，随着各公链开始对以太坊应用的兼容化，未来的世界，一定是多链的。ETH2.0会使以太坊龙头地位更加稳固。但其他公链，也都可以拥有足够的市场空间。

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*Originally published on [snapp_ye.bit](https://paragraph.com/@snapp-ye-bit/eth2-0)*