四个项目带你了解 Layer2 互操作性方案设计

引子

随着二层扩容方案如 Polygon、Arbitrum 等纷纷上线，以太坊二层生态呈现百花齐放的格局。与此同时，越来越多的 DeFi 协议宣布与 L2 方案进行合作，将其协议部署或迁移到 L2 上。不同 DeFi 协议对于扩容的需求不同，亦可能选择不同的 L2 方案。在这种趋势下，如何在 L1 和 L2 之间进行交互，或是在不同的 L2 之间高效地转移资金成为一个不小的问题。

例如，如果用户需要在 L2 的 dYdX 和 L2 的 DeversiFi 之间转移资金，他需要先将资金从 L2 的 dYdX 提取到 L1，再将资金从 L1 存入 L2 的 DeversiFi。这样，用户将不得不支付两次 gas 费，并耗费大量的等待时间。对于采用欺诈证明的 L2 方案，提现到 L1 的时间甚至可能长达数天。

为此，实现 L2 之间的互操作性是很有必要的。StarkWare 提出了 L2 互操作性 (Interoperability) 的概念，即在 L2 之间转移资金，且使得转移过程中在 L1 上的摩擦尽可能小。不同 L2 方案对于互操作性的设计思路各有不同，以下对 StarkEx、Loopring、Hermez 和 Connext 的互操作方案作简要的叙述。

StarkEx

StarkEx 定义了一个称为条件交易 (Conditional Transaction) 的原语，即一笔交易的生效与否，取决于其该交易的前置条件是否得到满足。

延伸阅读：

《The Road to L2 Interoperability》

《Conditional Transfers - The Key to Interoperability》

条件交易使用 Fact Registry 合约来监听链上事件。某个事件在使用条件交易之前必须首先在 Fact Registry 合约中「登记」。例如，如果 Alice 不经过 Fact Registry 合约，而是直接在以太坊链上给 Bob 转账了 1 ETH，则无法满足用于条件交易的事件。

Fact Registry 合约中有 transfer() 和 isValid() 两个函数。

如果 Alice 需要给 Bob 转账 1 ETH，则将 Bob 的地址作为参数传给 transfer() 函数，这时 transfer() 函数做两件事。首先把 1 ETH 转账给 Bob；其次，保存这笔转账的记录到合约的存储项中，例如保存发送方、收款方、转账金额的哈希值等信息。

isValid() 函数接受哈希值作为参数，如果输入哈希值等于 Fact Registry 合约中先前记录的某哈希值，则返回 True。这样一来，记录在合约中的哈希值可以当成是一个「Fact」，代表着某个事件已经发生。这个过程通常称为「Fact Registration」(本文译作事实登记)。

条件交易中一笔签过名的链上事件包含两个字段 (哈希值)：Fact Registry 合约的地址以及在执行这笔条件交易前应该登记的「Fact」。

上图展示了条件交易在 Fact Registry 合约的工作流程。在 StarkEx 的 zkRollup 中，如果某批次的交易中包含条件交易，将确保其相关的 Fact 是做过登记的，否则整批次的交易都将被回滚。

在 L1/L2 的互操作性中，条件交易有两个用例：

（1）从 L2 提现到 L1(快速取款)

该用例中有两位角色，其中 Alice 需要把 1 ETH 从 L2 提现到 L1，流动性提供者 (Liquidity Provider, LP) 在 L1 上有一定的资金。首先，Alice 向 LP 发起一笔条件交易，承诺在 L2 上支付 1 ETH 给 LP 的地址，条件是 LP 在 L1 上支付 1 ETH 给 Alice 的地址。接着，Alice 在 L1 收到 1 ETH 后，这笔条件交易的条件就得到满足了。此时，LP 把这笔条件交易发送给 L2 的 Operator，等待它被打包到下一证明的交易批次中。当条件交易的证明被提交到 L1 验证通过之后，LP 在 L2 的地址将增加 1 ETH，即从 Alice 处获得的资金。(通过这种方式进行快速取款，Alice 需要给 LP 支付一定的手续费)

因为在提供提现服务的时候，LP 在 L1 的资金持续减少，在 L2 的资金持续增加，所以 LP 需要定期地从 L2 提现到 L1，进行资金的再平衡。

（2） L2_1 与 L2_2 之间转账

用例 2 的解决思路与用例 1 类似，即：Alice 向 LP 发起一笔已签名的条件交易，承诺在 L2_1 上支付 1 ETH 给 LP 的地址，条件是 LP 在 L2_2 上支付 1 ETH 给 Alice 的地址。(Alice 和 LP 同样需要分别支付手续费和进行资金再平衡)

在用例 2 的基础上进行延申，无论是使用有效性证明的系统 (zkRollup)，还是使用欺诈证明的系统 (Optimistic Rollup) 都可采用条件交易。当然相较提现确认快的 zkRollup 而言，Optimistic Rollup 上 LP 的资金效率会存在劣势。

在任一 L2 方案中从 L2 提现资金到 L1，需要最终确定 L2 的状态更新 (在这次更新中包含提现的那笔交易)。在有效性证明的 L2 方案中，一般至少需要等待 10 分钟。在欺诈证明的系统中可能需要等待数天。而采用基于条件交易的快速取款则可以使提现摆脱对 L2 状态更新的依赖，实现在「区块链时间」级别 (blockchain-time) 完成资金的转移。

StarkEx 提出条件交易来实现 L2 的互操作性，思路跟 Rollup 很类似。即每个用户提现的多笔费用，转化为 LP 在进行资金再平衡时从 L2 提现到 L1 的单笔费用。对比高昂的 gas 费，用户支付给 LP 的少量手续费显然更加划算。

Loopring

路印融合了其现有工具包的组件，提出了跨 L1、L2 和 CEX 的网桥产品 Ethport。

延伸阅读：

《Ethport: Loopring L1/L2/CEX》

关于 L1 和 L2 之间的交互，路印的方案是将多笔 L1 的交易进行批处理，以此来分摊 L1 的 gas 成本。与上述思路近似，路印在 L2 上同样设置了流动性提供者的角色。但考虑到流动性提供者的资金效率问题，路印提出了单相转换器 (Single Phase Converter)。

单相转换器使用了 L2 上 token 的闪电铸造 (Flash Minting) 功能。即调用闪电铸造出用户们想要购买的 token 总量，使得所有交易可以在 L2 上完成 (按照预期的 token 汇率)。之后再提取用户出售的所有 token，在 L1 上执行这些 token 交易并获得用户真正要购买的 token(先前已经通过闪电铸造分发给用户了)。最后再把这些 token 偿还给闪电铸造。

延伸阅读：

《Flash-Mintable Asset-Backed Tokens. OpenZeppelin》

这是一种理想化的情况，在现实情况下，token 汇率可能产生变化，并且在 L1 上的交易也存在失败的可能性。这时产生了无法偿还闪电铸造的风险，意味着先前 L2 上的所有交易将被回退。

鉴于该问题，路印接着提出了二相转换器 (Double Phase Converter)。

二相转换器将交易分为两个阶段。第一阶段首先将所有用户的资金收集到 Vault 中 (针对特定 token 兑换)，给用户一个表示其资产 Vault 中所占份额的 token，而不是直接把 token 兑换给用户。之后再进行 L1 上的交易，以此确定好兑换的汇率。在第二阶段则可将兑换完毕的 token 按比例分配给所有的用户，以此解决汇率变化的问题。

此外，桥 (Bridge) 机制使得多个用户能够通过 L1 的智能合约，将资金批量地存入路印中，而不是逐一地单独加入 L2 网络。这种设计将多笔存款交易汇集成一笔交易，降低了 gas 花费。借助桥，中心化交易所也可以使用标准的 L1 基础设施来支持路印的 L2 网络。

基于以上组件的 Ethport，在实际应用时首先尽可能地使用 L2 上的流动性；如果转换器可供使用，则用它来将 L1 交易汇集起来，降低交易费用；如果以上条件不满足则使用桥机制。

Hermez

Hermez 由 iden3 团队推出，提出的 L2 间交互解决方案是大规模迁移 (Massive Migrations)。

延伸阅读：

《Introducing the First L2 Interoperability Mechanism with Hermez Massive Migrations》

其思路是：首先，负责进行 L1 资金转移的智能合约有一个 L2_1 上的地址。在需要跨 L2 转账时，用户将把资金转入到该地址。之后，Hermez 协议将对有着相同 L2_2 地址的一批 L2 转账进行分组和提取，调用标准的 Hermez 函数将这批 L2 转账的资金总额提现到 L1，再存入到 L2_2。

Hermez 协议在执行上述聚合提款交易时，包含了在 L2_2 上重构 L2_1 原始转账所需的信息和对应的账户信息。在 L2_2 上有一个调度员的角色，负责处理 L1 的取款交易，并从交易信息中分解出资金的流向，再转入到与用户的 L2_1 地址对应的 L2_2 地址上。

Connext

Connext 是基于状态通道的 L2 扩容方案，支持兼容 EVM 的公链和 L2 系统之间的快速交易。在今年年初发布了即时跨 L2 转账产品「Vector」的 0.1.0 版本，旨在连通各 L2 方案之间的流动性，实现资产的跨 L2 转移，并在三月份推出 xDai-Polygon Bridge 测试版，允许用户使用状态通道将 xDai 转至 Polygon 上的 Dai，或是将 Polygon 上的 Dai 转至 xDai。

Connext 通过路由器 (Router) 实现跨 L2 的资金转移。Connext 路由器实际上是一个状态通道节点，它会自动地转发在状态通道内发送给它的交易。对于跨链交易来说，路由器相当于流动性提供者，通过在 chainB 上的状态通道内向用户转移资金，来换取用户在 chainA 上的资金 (这个思路跟 StarkEx 和路印类似)。

延伸阅读：

《Solving the Liquidity Problem》

例如，如果 Alice 想把 100 USDC 从 Polygon 发送到 Arbitrum，她需要使用路由器把 100 USDC 存入 Polygon 上的状态通道中。然后，Alice 向该路由器发送一笔状态通道内转账，条件是 Alice 在 Arbitrum 上的对应的状态通道内收到转账。目前这种条件性的实现依赖于哈希锁定 (Hashlock)。这些转账以原子方式解锁，可实现免信任。路由器在跨 L2 过程中能够赚取 Alice 支付的手续费。

然而，借助流动性提供者的跨 L2 方案不可避免地会有资金效率的问题。Connext 提出了虚拟 AMMs(Virtual AMMs) 来解决这个问题。

在 Uniswap 中，资金池的兑换比例越不平衡，价格差异就越大。这也创造了一个持续增长的套利机会。虚拟 AMMs 借鉴了 Uniswap 的核心概念来为 L2 间资产转移做定价。

考虑一种情况：某个时刻 LP 在 Arbitrum 池的 ETH 数量大于其在 Optimism 池的 ETH 数量，系统希望能平衡两个池子的 ETH 数量。根据上图公式的比例兑换关系，假设 0.99 个 Optimism 上的 ETH 可以换到 1 个 Arbitrum 上的 ETH，此时产生套利机会。则套利者会用其在 Optimism 的 ETH 去兑换 Arbitrum 的 ETH。这样一来，对于 LP 来说，其在 Optimism 池的 ETH 数量变多，在 Arbitrum 池的 ETH 数量变少，以此达到通过套利活动平衡流动性的目的。

另外，在 Connext 上任何人都可以启动自己的路由器来提供流动性。这样导致流动性不会被聚合——一些路由器可能超负荷，一些路由器可能无人问津。于是，Connext 又提出了流动性拍卖的概念 (Liquidity Auctions)，即动态地寻找提供最低成本的路由器。

在进行转账时，用户向网络广播想要的发送或接收流动性。路由器会直接向用户提交密封式的报价 (Sealed Bids)，以最低价格完成转账。这有点类似于 Uber 将用户与价格最低的司机匹配。

小结

关于 L1、L2 的互操作性问题，上述四个 L2 方案都采用了近似的思路，即引入流动性提供者，将多笔交易聚合为一笔交易进行处理。面对流动性提供者的资金效率问题，各个项目采用的解决方法有所不同、各有优劣。

总体来看，由于各 L2 方案的采用率有限，上述互操作性的方案实际应用效率如何，仍要经历实用性的检验。