譯者按：此前以太坊創始人Vitalik根據ZK-SNARKs技術提出的500tps擴容方案，引發了社區對區塊鏈擴容的更多思考，而此后由以太坊研究者Barry Whitehat，Alex Gluchowski，Harry R，Yondon Fu和Philippe Castonguay共同提出的snark側鏈方案，更是號稱可讓以太坊網絡實現17000 tps 的交易吞吐量。那這種方案究竟是怎么回事呢？本文試圖給出答案。

原文作者：BarryWhitehat， Alex Gluchowski， HarryR ， Yondon Fu， Philippe Castonguay

一、概述

本文介紹了一種基于snark的側鏈方案，它要求每次狀態轉換恒定的gas，其不依賴于每次轉換過程中包含的交易數。這限制了snark大小的可擴展性，其在經濟上是可證明的，這與之前提出的gasBlockLimit/gasPerTx提議（注：以太坊創始人vbuterin提出的500tps擴容方案）不同。

如果出現了一個惡意運營者（最壞的情況下），系統會退化為一種鏈上通證，而惡意的運營者將無法竊取人們的資金。

如果數據變得不可用，運營者可以被替換，我們可以回滾到之前的有效狀態（根據現有用戶的請求），然后通過新的運營者繼續該狀態的運行。

二、系統角色

系統當中有兩種角色

1.創建交易以更新狀態的用戶；

2.使用snark的運營者，他們會將這些交易聚合為單個鏈上狀態更新；

他們使用智能合約來進行交互。系統在默克爾樹（merkle tree）中有一個 item列表，它將公鑰（所有者）與不可替代通證聯系起來。

通證可以被撤回，但機會只有一次。

2.1、在snark交易中

用戶創建交易，以更新通過鏈外方式發送給運營者的通證所有權。該運營者創建的證明包含：

·之前的狀態；

·交易集；

通過newState碼，我們可以驗證EVM虛擬機中的證明，當且僅當證明是有效的時候，系統會更新這個默克爾根（merkle root）；

2.2、優先隊列

用戶還可以通過智能合約層請求一次取回操作。如果運營者無法在給定的時間內服務這個隊列，我們就假定數據不可用。由此，這個運營者會受到懲罰，而系統會開始尋找新的運營者。

兩次取出相同的leaf（子葉）是不可能的，因為每次取出時，系統會存儲已經退出的leaf（子葉），并檢查未來所有退出的leaf（子葉）；

2.3、運營者拍賣活動

如果先前的運營者已經遭到了懲罰，系統會開始搜索新的運營者，而這是通過拍賣活動來實現的，其中用戶可以通過投標的方式競選運營者。

經過一段時間后，新的運營者將根據最新側鏈狀態的最高出價（高于某個最小出價）被選出。

2.4、回滾

當運營者發生更改時，系統會允許用戶退出。要做到這一點的原因在于，在回滾發生時，用戶能夠拿回某個狀態下自己的幣。

系統會按狀態，排序這些取款操作，并在該狀態下回滾鏈交易，直到新的運營者繼續負責狀態的更新。

請注意，由于不可能將同一leaf（子葉）撤回兩次，所以用戶不能從舊狀態退出同一leaf（子葉）；

三、討論

運營者被迫處理優先隊列中的請求，否則將遭到懲罰。如果他們拒絕運行系統的snark側鏈，他們仍會被迫允許優先隊列退出。因此，如果運營者出現了惡意，系統將會退化為一種鏈上通證。

用戶不應該接受一個被傳輸的leaf（葉交易），除非所有的鏈數據都是可用的，以便他們知道在最壞的情況下（如果發生了回滾），他們可以成為新的運營者。

成為運營者所擁有的權限，可能超出了普通用戶，但只要有一個誠實的運營者想要接管狀態，那么用戶的錢就會是安全的。此外，在較新的狀態投標中，這些運營者的投標相對其他投標都具有優勢。

然而，這就允許當前運營者繼續連任，因為他們將知道最新狀態的數據，并且可競標最新的狀態。

然而，我們可以定一個最低權益，如果他們再次拒絕優先服務，這些運營者會再次遭受懲罰。因此，這樣的系統可保證有人會前來處理隊列，否則鏈將回滾到最初的狀態，而用戶可以在回滾發生時進行退出操作。

不同于無法保證所有狀態有效性的Plasma結構，這種設計避免了競爭性撤回，因為snark不允許無效的狀態轉換。因此，我們可以從具有惡意運營者的場景當中恢復過來，而不必強制所有用戶退出（當然，希望退出的用戶仍然可以退出）。

四、附錄 ：TPS的計算

目前，每個簽名需要~500k的constraints，通過優化，我們認為這可以減少到2k constraints；

目前，我們的哈希函數（sha256）每秒消耗50000筆交易。我們可以用消耗1k constraints的佩德森承諾（ pedersen commitments）方案來替代這一點。

如果我們創建自己的29層默克爾樹（merkle tree 29 layers），系統就可以容納536，870，912個子葉（ leaves）。 對于每一筆交易，我們必須：

·確認簽名 = 2k constraints

·確認樹中的舊葉交易 = 1k * 29 = 29k constraints

·添加新的葉交易，并重新計算根 = 1k * 29 = 29k constraints

這等于每筆交易為60k constraints ；

吳等人所撰寫的論文指出，他們可以證明一個10億gate的 snark；

1000000000 / 60，000 ，則每個snark確認16666筆交易；

而驗證一個snark，就需要50萬的gas，而以太坊每個區塊可以有800萬gas。這意味著每個區塊，我們可容納16個這樣的snark；

也就是說，每個區塊理論上可以容納 16666 * 16 = 266656筆交易；

266656 / 15 = 每秒 17777筆交易；

我們可通過創建更大的集群來達到更高的tps；

注：運行硬件以達到這個速率，可能會是相當昂貴的，但同時其回報也遠遠小于當前區塊的獎勵。

五、社區評論

fleupold回復：

關于回滾期間的退出問題，我有些不解：

“barryWhiteHat： 當運營者發生更改時，系統允許用戶退出。要做到這一點的原因在于，在回滾發生時，用戶能夠拿回某個狀態下自己的幣。”

這是否意味著在發生回滾后，你能夠退出在某個區塊（不再是鏈的一部分）中得到的幣（例如，假設我們回滾到第42個區塊，我們能夠退出在44個區塊中得到的幣）？

假設第44個區塊的數據不可用，有人能夠證明退出是有效的嗎？

barryWhiteHat答：

在回滾過程中，你將有機會從狀態44退出你的幣。如果你錯過了這個機會，你會丟失掉你的幣，而幣的發送者將重新獲得它的所有權。

一旦你退出了一個 leaf（子葉），那么同一個 leaf（子葉）就無法再次退出，即使我們回滾到它被退出之前；

kaibakker回復說：

我真的很喜歡這個項目的進展情況，這個項目的github代碼可以在這里找到：

https://github.com/barryWhiteHat/roll_up 。

下面我來探討一個問題：你如何確保一個誠實者隨時準備成為一名運營者？怎樣的收費才是有意義的？

作為一名運營者，他是需要付出一定成本的：

·用于snark計算和數據可用性的服務器成本；

·驗證和提現的Gas成本；

運行者可以通過以下的方式收回這些成本：

·存入和提現費；

·交易費；

·無需信任的利息（通過PETH或者DAI利息最大可達到0.5%）

對于一個新的運營者來說，有利可圖是很重要的，否則沒有人會為此付出代價。如果沒有人愿意成為運營者，費用可以適當地增加。

以當前gas價格為例：

假設一名運營者希望每小時更新一次snark。他每年在gas上的花費大約為0.50$ × 24 × 356 = 3560 + 812 = 4372美元，他每年要處理50000筆存款和提現交易，假設這名運營者每提現一次只需支付0.1美元，這就需要額外的5000美元成本，而服務器的成本又需要4000美元，而他如果預計的利潤為每年5628美元。

那他預計的收入總額就要達到20000美元，他需要對每筆存款交易收取0.3美元，或者3倍的以太坊gas費用，這樣他的業務才是可持續的。這個問題可能是有趣的。

barryWhiteHat回復：

“怎樣的收費才是有意義的？”

這取決于用途。我希望它能夠應用于不可替代通證、去中心化媒體以及一堆其它應用。文章中我們沒有具體討論到費用。如果你想按每筆交易收取費用，你可以使用存款費或取款費的方式（當然不包括優先隊列，這意味著你的取款費必須比優先隊列費用要低，以防止費用避免問題的發生），你可能需要用到plasma debit這類技術。目前，我不知道哪種方式最有意義。我想看到一些充分使用的情況。

“你如何確保一個誠實者隨時準備成為一名運營者？”

他們不需要誠實，我們只是需要有人挺身而出，最好的辦法，似乎就是付錢給他們。當然，這也取決于用例。

MihailoBjelic：

@barryWhiteHat 為你們之前以及現在的工作致敬！

“barryWhiteHat：系統在默克爾樹（merkle tree）中有一個item列表，其將公鑰（所有者）與不可替代通證聯系起來。”

可以說說，為什么整個設計是基于NFT嗎，你們是否認為它對于公鑰-余額模型（當然會有一些修改）也是有效的呢？

barryWhiteHat：

余額（Balance）模型是很棘手的，因為你可以通過將余額（Balance）從一個leaf（子葉）移動到另一個leaf（子葉），從而實現取出相同的余額（Balance）兩次。

我們可以嘗試并建立plasma debit，以增加可調節的余額（Balance）。但這需要我們更多的思考。

MihailoBjelic：

對不起，我沒有看懂你所說的話。你怎么能把你的balance轉移到另一個leaf（子葉）上，你不是只有一個代表你賬戶（及其余額）的 leaf嗎？或許你的思路是用到了SMT？如果你有時間，請查看@jieyilong的帖子：通過鏈上智能合約實現的鏈外Plasma狀態驗證 （你可以只閱讀“Plasma狀態構造”和“概率Plasma狀態驗證”部分的內容）。我在思考類似的東西，但使用的是SNARK，而不是隨機抽樣？

barryWhiteHat：

不確定我們是否在同一個頻道。這是我的回答，希望它能回答你提出的問題。

“你怎么能把你的余額（balance）轉移到另一個leaf（子葉）上，你不是只有一個代表你賬戶（及其余額）的 leaf嗎？”

如果你無法移動leaf之間的余額（balance），那么你就沒有賬戶余額，因為余額永遠都不會改變。如果你不能移動 leaf之間的余額（不包括plasma debit），那么你擁有的只是一個輸入輸出模型。

“我在思考類似的東西，但使用的是SNARK，而不是隨機抽樣？ ”

我快速地瀏覽了一下，如果你想驗證整棵默克爾樹（ merkle tree）的完整性，為什么不驗證每筆交易呢？對一棵大默克爾樹進行證明，這需要大量的哈希，而這是相當昂貴的。