深度解讀Optimism：基本架構、Gas機制與挑戰 |CatcherVC Research_以太坊

作者：SA，CatcherVC

本文重點

出于對安全和去中心化的考慮，ETH區塊Gas上限和出塊時間無法大改；

Layer2擴容的實質是造一條TPS更高的鏈，把這條鏈的信息掛到以太坊上；

Optimism的市場增值空間極大，其TPS上限可達1600，但吞吐量的實際利用率不到千分之一，未來發展潛力巨大；

由于未開放對等節點，Optimism本地Sequencer出塊后，甚至要1小時才可以驗證其正確性，延時過長；

當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行出塊節點，存在嚴重的中心化問題，其立足根基更多在于項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；

Optimism在進行EVM等效性升級后，其“欺詐證明”機制無法使用，官方稱將于未來解決該問題。

真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。如果無法及時讓用戶參與網絡維護，那么所謂的Layer2將和傳統金融平臺毫無區別。

前言

隨著ETH合并正式邁入進程，Layer2和Rollup在區塊鏈行內逐漸成為顯學。究其本源，Layer2的目的是提高系統每秒處理的交易數量，并降低Gas費。前者是整個Layer2擴容的最核心要點，后者則是提升Layer2交互體驗的關鍵。

依照其定義，TPS=一段時間內處理的交易筆數/耗時，套用在區塊鏈領域，若忽略分叉或區塊重組等情況，可粗略視TPS=平均每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間。對普通公鏈而言，提升TPS面對的是區塊擴容和出塊時間問題，同時，TPS的實際值還牽涉到公鏈采用的Gas機制，無論是ETH還是BSC和Polygon都不出其右。

但提升區塊Gas容量或縮短出塊時間都會破壞安全性，究其根源，以太坊擴容要面對的是“不可能三角”問題，要如何提高效率，又保障安全和去中心化，始終處在紙上談兵、懸而未決的階段。

對此，以Optimism和Arbitrum為代表的Layer2憑借高效率、低Gas的旗號快速崛起，頗為矚目。在靠著精妙敘事吸引各路資本、靠著超低Gas收獲廣大用戶的同時，其固存的中心化問題卻日漸明晰，引起越來越多的關注與質疑。

本文將以重要細節揭示在確保去中心化的前提下，Layer1擴容所面臨的困境，以及典型的高效Layer2項目存在的重大問題。

以太坊的Gas機制

決定以太坊效率的關鍵因素之一是其所采用的Gas機制。在以太坊系統中，Gas是一種計量形式，反映了不同操作的復雜度。就像汽車行駛需要消耗汽油一樣，在以太坊上交易會產生Gas消耗。一筆最簡單的ETH代幣轉賬，Gas消耗為2.1萬。其他類型的操作，如普通的ERC—20代幣轉賬，或更復雜的合約交互，可產生幾萬甚至數十萬的Gas消耗。

重慶：讓區塊鏈等數字技術與農業、工業、服務業深度融合:12月9日，重慶市政府印發《重慶市數字經濟“十四五”發展規劃（2021—2025年）》，《規劃》提出5個方面建設內容及方案，包括推動新型基礎設施建設，實現信息基礎設施全面升級，讓傳統基礎設施數字化、網絡化和智能化水平大幅提升；推動數字產業化能力大幅提升，讓“芯屏器核網”產業鏈條不斷延伸、產業集群效應顯著增強，新興數字產業加快布局；推動產業數字化取得重大進展，讓大數據、人工智能、區塊鏈等數字技術與農業、工業、服務業深度融合；推動數字化治理效能達到更高水平，讓數字政府、數字社會建設持續深化；推動數字經濟開放水平顯著提高，圍繞中新（重慶）國際互聯網數據專用通道建設，創新探索南向、北向、西向國際互聯網數據專用通道建設，重大開放平臺建設取得突破。（重慶日報）[2021/12/10 7:30:01]

以太坊的單個區塊有Gas上限，限定了一個區塊內全部交易指令可消耗的Gas總量，這就好比冰箱塞滿后就不能再裝東西。在去年的EIP-1559實行前夕，單個區塊的Gas上限約為1500萬，粗略算來最多可容納714筆ETH代幣轉賬，若將平均出塊周期13秒置入TPS計算式，則EIP—1559前以太坊的理論TPS上限是55。

但現實中很多交易是Gas消耗較高的合約交互，會大幅占用區塊的Gas容量，實際的以太坊TPS均值被壓低到20，擁堵不堪，這使得大量潛在的交易需求被排擠在鏈外。由于單筆交易的手續費=GasUsed×GasPrice，而GasUsed由系統決定，可視為常量，用戶發起交易后要付出比別人更高的GasPrice，才能率先被系統響應。最終，因系統特性產生的的供需缺口造就了高昂手續費，讓無數人叫苦不迭。

歸根結底，ETH本質上是關于交易權限的拍賣平臺，GasPrice就是競標者的出價，交易權限的歸屬由供需雙方通過競價機制撮合達成。這種設計契合區塊鏈的自由市場原則，卻埋下了內卷的種子。

縱觀以太坊的歷史，每逢有“加密貓”“5.19”一類的熱點事件激發交易需求，ETH鏈就會出現激烈的GasWar現象，誰付出的GasPrice越高誰的交易先上鏈，劇烈的價格戰讓Gas?Price水漲船高，不能支付高昂手續費的用戶被拒之門外，這使以太坊成為名副其實的“貴族鏈”，引發了無數爭端，也讓EIP—1559一度成為許多人眼中的“救星”。

但從事實來看，在去年備受矚目、對區塊的Gas機制做出大幅調整的EIP-1559，其核心作用也只是讓GasPrice的浮動范圍更可控，并降低ETH的通脹率及拋壓，而非直接壓低GasPrice或取締Gas競價機制。

雖然該提案將ETH區塊的Gas上限提升至3000萬，但只要新區塊的實際Gas消耗超過1500萬，下一個區塊內的GasPrice就會在系統調節下逐級漲價，這個過程可以持續多個區塊的時間，直到Gas?Price極高，攔住絕大多數人，讓新區塊可收納的交易數驟減，Gas消耗量回落至1500萬為止。

吉林高院：探索區塊鏈技術與執行工作深度融合 破解執行難題:11月22日消息，為有效推進“切實解決執行難”工作，吉林省高級人民法院積極探索區塊鏈技術在法院執行環節的應用場景，將區塊鏈技術作為智慧法院建設新的著力點。繼“智能審執銜接”“生道執行”“電子封條”等區塊鏈場景先后應用，2021年吉林高院在“區塊鏈+執行”創新業務應用場景方面持續發力，易執行-線索智能分析平臺于3月份應運而生，并完成集中試點和上線應用，助力“切實解決執行難”提效增速。（北方法制報）[2021/11/22 7:04:45]

觀察統計數據，可以發現在EIP-1559施行的前后6個月內，以太坊的每日Gas消耗僅有不到10%的提升。考慮到這6個月內出塊周期穩定在13~13.5秒，則ETH每日出塊6500~6650個，每個區塊的Gas容量始終穩定在1500萬上下，并無明顯變化。

由于EIP-1559沒有真正改變區塊的Gas含量，以太坊的TPS沒有被改善，手續費居高不下，大量的潛在用戶仍滯留在以太坊系統外。

根據相關數據，當前的ETH擁有近2億個獨立地址，每日處理的交易筆數僅有100多萬筆；相比之下，Gas費較低的BSC每日處理的交易筆數高居500萬以上，其獨立地址數卻不到1.5億個。粗略估算下，ETH網絡最多滿足了約15%的交易需求。

出塊周期

從另一個角度看，由于TPS=每個區塊包含的交易筆數÷出塊時間，出塊周期也是關系到TPS的關鍵。同時，出塊周期中的幾個階段可映射以太坊業務邏輯中的不同組分，這正是Layer2擴容思想的關鍵點。

需要強調的是，以太坊是由大量服務器節點組成的系統，其業務邏輯包含執行、共識、多方存儲3個部分。其中，

泛指對交易事件等指令進行處理，得到結果；

指所有節點都認可執行的結果；

指多個節點都存儲相同的內容，并可供外界讀取。

在部分資料中，也將稱為，將稱為，這些叫法實質是互通的。

而一個出塊周期由以下步驟構成：

首先，礦池節點間通過選出一個優勝者，由其來完成交易的過程，制作新區塊；

需要暴力窮舉隨機數，消耗大量算力，這些任務由礦池內的礦機完成，耗時較長；

優勝的礦池節點會按照GasPrice的高低，從等待上鏈的交易事件中抓取一批來，得出結果，然后把交易信息和結果一并納入新區塊；

之后，新區塊會被傳播給所有的以太坊節點，內容會被檢查。具體而言，檢查區塊的節點會讀取其內容，把里面的交易再執行一遍，看出塊礦池提交的數據是否正確。這就實現了；

江蘇省農科院將區塊鏈應用于農產品質量安全的深度溯源:最近，江蘇省農業科學院農業區塊鏈產業研究院將區塊鏈技術嫁接到農業上，保證農產品的質量安全控制與追溯。該院院長卞立平表示，區塊鏈平臺能夠為每個參與農業產供銷的企業或個人提供一份日志，每人都可以自由記錄信息。相較于傳統的生產管理和追溯系統，數據上鏈以后是不可以篡改的，可以大大提高數據的真實性、可靠性和安全性。此外，江蘇省農科院將區塊鏈技術應用到農產品質量安全的深度溯源上，大大提高了數據的可信度，已獲得了2020數字江蘇建設優秀實踐項目。（揚子晚報）[2021/4/3 19:42:23]

最后，若新區塊通過檢查，節點們會收錄新區塊，完成。

所以，一個新區塊會被復制超過2000份，存儲在全網的以太坊節點里。更具體的說，所有的礦池節點、所有的全節點都會存儲一份。通過這種形式，以太坊節點間近似實現了“一致性”。

綜上，以太坊的一個完整出塊周期，包含+++4個階段。其中，和階段耗時最長。由于以太坊的礦池和全節點合起來超過2000個，這些節點要達成會產生大量的通訊時間；而是具備彈性的時間填充工具，其設計初衷就是為了讓出塊周期穩定在15秒左右。

為何要讓出塊周期固定在13秒？這是出于對安全性和去中心化的考量后，所得出的較優解。由于以太坊節點眾多，且物理位置分散，出塊太快會增大節點間信息差，破壞；比如，如果將以太坊出塊周期降至0.1秒，而將信息傳播至美國和歐洲的不同節點時，存在1秒的時差，那么美國和歐洲的節點間就會存在10個區塊的信息差異，這就違背了區塊鏈的設計理念。

如果強行將區塊擴容，也會加劇不同節點間的信息差。比如，若將ETH區塊的Gas容量提升10倍，則每個區塊包含的交易數量會提升10倍，不同節點間可產生的信息差也會增加10倍。

按照相關資料，直到以太坊完成POS轉型前，其出塊周期都會穩定在13秒，轉型POS后，出塊周期也只會縮短1秒，穩定在12秒。如此算來，POS轉型最多會讓以太坊的TPS提升10%，有如杯水車薪。

目前，在保證安全性和去中心化程度不變的前提下，ETH的區塊Gas容量與出塊時間基本達到理論上的極限，已無太大優化空間。

OPRollup擴容方案

如前文所述，出于周全考量，以太坊的區塊容量和出塊周期無法做出太大變動，其TPS基本維持在20以下，近兩年來從未有太大改善。

對此，ETH官方以外的擴容方案走上了不同的道路。BSC、Polygon等完全獨立于ETH的公鏈對區塊參數做出了修改。以BSC為例，目前其區塊Gas容量上限為8000萬，可達ETH的2.7倍；同時，BSC將參與共識的節點數量壓縮至20幾個，僅為ETH的1%，極大壓縮了節點達成共識的時間，出塊周期縮短到了3秒。這雖然將TPS上限提高到了以太坊的10倍以上，但卻與ETH網絡“百煉成鋼”的安全性完全割裂，去中心化程度也遠低于ETH。

Asproex阿波羅與考拉財經Coinkaola達成深度戰略合作:據官方消息，7月27日，Asproex阿波羅與考拉財經Coinkaola正式達成深度戰略合作，今后，雙方將各自發揮自身優勢，在應用落地、生態拓展、媒體資源等領域上強強聯合，攜手共建區塊鏈產業新生態。

據了解，考拉財經Coinkaola是集行業新聞、資訊、行情、數據、百科、社區等一站式全球化區塊鏈產業服務平臺，秉承著“讓一部分人先看到區塊鏈的未來”初心，追求及時、全面、專業、準確的資訊與數據，致力于為區塊鏈創業者以及數字貨幣投資者提供最好的產品和服務。

Asproex阿波羅作為首家離岸銀行控股持牌交易平臺，也是一家涵蓋CTO企業通證上市的交易平臺，持有5國牌照，為全球中小微企業提供融資難的解決方案，助力數字化上市。[2020/7/28]

以Rollup為代表的Layer2則秉持不同的理念。雖然其本質也是以太坊之外的公鏈，但仍在很大程度上依附于以太坊的安全性。比如，OPRollup會把Layer2的區塊鏈副本壓縮存儲至以太坊主網，同時：

Layer2本地的出塊周期僅保留交易的階段；

被取消；

功能被轉移至以太坊網絡；

過程由Layer2的驗證者節點完成，但并不包含在Layer2本地的出塊周期內。

Optimism的原理

以OPRollup方案中最典型的Optimism為例，其4個最重要的模塊分別為Sequencer、Verifier、CTC、SCC。其中，Sequencer和Verifier是有硬件實體的Layer2節點，兩者基本構成了Layer2的節點網絡；CTC和SCC是部署在以太坊上的合約，這4個模塊組成了Optimism的核心架構。

Sequencer是一個中心化的礦池節點，負責在Layer2本地出塊。Optimism取締了過程，由唯一的Sequencer擔任礦工，且不會立刻讓其他節點做驗證，這節省了大量時間。目前的Sequencer執行完交易馬上就能敲定區塊，本地出塊時間甚至只需1秒，從根源上提高了TPS。

但是，Sequencer具備很強的中心化特征，它實際上制造了一條獨立于以太坊的側鏈，若沒有和流程，必然缺乏安全保障。為了解決這個問題，Optimism在其早期文檔中指出，Sequencer必須質押一定量的資產，并且：

每隔幾分鐘，Sequencer節點會把本地區塊的壓縮版本存儲至ETH主網；這些內容包括交易數據的摘要，以及交易發生后的狀態根StateRoot。這個過程就是Rollup；

交易數據的摘要被存入ETH上的CTC合約，對應的狀態根存入SCC合約。這會產生兩筆交易事件，此過程中，以太坊系統只負責內容，不會去檢驗正確性；

動態 | OKEx與Flow Trader達成深度做市商計劃:2019年1月31日，OKEx聯合交易商Flow Trader在荷蘭阿姆斯特丹舉辦了海外機構交流會，B2C2、國際四大核數師EY及荷蘭中央銀行等機構出席。會上，OKEx與Flow Trader就深度做市商計劃達成合作。

據悉，Flow Trader是知名的技術型流動性提供商，為全球股票、期貨及期權的主要流動性提供方，連續10年被評為“歐洲最佳ETF做市商”，從2011年開始連續5年獲得“亞太地區最佳ETF做市商”的稱號。[2019/2/1]

Layer2的Verifier會自動讀取Sequencer存儲至以太坊的內容，對其進行審查，這個步驟與以太坊的類似。

當前的Optimism和Arbitrum均由官方運行Sequencer節點，存在嚴重的中心化問題。

CTC和SCC是Optimism官方部署在以太坊上的合約，兩者以Batch的結構，分別記錄了Layer2交易數據的摘要，以及每筆交易執行后Layer2狀態樹的根哈希值。從外觀看，CTC和SCC就像兩個賬單列表。

Layer2的Verifier會自動讀取CTC和SCC這兩個合約中的記錄，盡量拼湊出Sequencer本地的區塊內容，并進行驗證。

若Verifier發現Sequencer提交的數據有問題，便可發起質疑，并提交自認為正確的版本，挑戰成功便可改寫CTC與SCC中的錯誤數據，并獲取一定量的代幣獎勵；

Sequencer若被挑戰成功，確認有不誠實行為，則受到一定懲罰，其質押的資產會被扣除一部分；若質押余額低于劃定的閾值，則Sequencer被強制除名，不再有出塊資格；

以上便是“欺詐證明”機制，指Verifier可披露Sequencer的欺詐行為。

Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。

Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉，而新版的“欺詐證明”程序尚未發布。

按照此前技術文檔，Optimism將挑戰的窗口時間設置為7天，若7天內沒有Verifier發起挑戰，則Sequencer發布的內容被敲定，無法再改寫。

從本質來看，Optimism是由Layer1和Layer2上的軟硬件實體組合成的跨域交互系統，其獨特的業務邏輯是在以太坊上構造Layer2區塊的映射版本。由于需要跨域傳輸信息，Optimism的Sequencer和Verifier需要運行以太坊客戶端Geth的山寨版：L2geth，通過該軟件，Sequencer方可實現橫跨Layer2和Layer1的交互。

Optimism的Gas機制及其細節

在Gas費問題上，由于Optimism業務流程有向以太坊存儲數據的步驟，其每筆交易的Gas費=Layer1部分+Layer2部分，而Arbitrum和Metis等其他OPRollup方案也不外如此。

其中，Layer2部分主要涉及Sequencer節點執行交易的費用。由于Sequencer的TPS上限極高，且當前Optimism的用戶較少，其本地GasPrice超低。計算公式為：L2Gas費=L2GasUsed×L2GasPrice。

據OP官方披露，一筆交易的Layer2部分僅占0.4%，剩余99.6%的Gas開銷來自于Layer1部分。

將其轉化為簡單的算式：0.4%×執行費用+?99.6%×存儲費用。

不難看出，交易的執行費用已經被大幅縮小了。

所以，執行步驟越復雜的交易，在Optimism上可節省的成本越多。比如，以太坊上一次要100美元的期權操作，在Optimism上只需要1.5美元左右，僅為1/60；以太坊普通轉賬要3美元，Optimism可能要0.3美元，為1/10。

而Layer1部分的Gas費，公式=?比例系數×。其中，固定開銷來自于打包數據和跨域傳輸的過程，存儲開銷是在ETH上存入數據產生的Gas，比例系數則由Optimism官方設定，主要是為了預留出一部分資金，防止ETH主網Gas價格激增，無法把數據順利存上鏈。

若想深入理解，可以觀察Rollup和存儲的具體步驟：

在將一批交易數據存儲至以太坊前，Sequencer會壓縮內容，然后將這批交易組合成Batch，傳輸給ETH網絡節點。

每個Batch可包含幾百筆交易數據，就像區塊一樣。發布Batch的時間周期由Sequencer動態調整，目前約為3~10分鐘左右。

所以，打包和傳輸Batch的過程必然有工作量，這會消耗一定的計算資源，固定開銷可以填補這部分成本。目前，Optimism上每筆交易的固定開銷Gas為2100。Optimism官方表示，隨著未來用戶規模擴大，每個Batch收納的交易數量增加后，固定開銷將進一步下調。

而在Layer1上存儲Batch時，Sequencer會以文本數據Calldata的形式向CTC合約傳入Batch信息，一般而言，文本數據只用于存儲，不會被用于執行運算。比起普通的合約調用，這一步大量節省了Gas。

一般每隔幾分鐘，Sequencer就會向CTC傳輸一個交易Batch，其體驗就像在以太坊上構建由交易Batch構成的鏈表。之后，Sequencer又會將交易Batch對應的狀態根Batch存入SCC合約，該過程與上面提到的類似。

以上過程會消耗Gas，具體的Gas消耗量視存儲的內容多寡而定。不同的交易類型會產生不同的數據量，存儲費用也不盡相同。

OPtimism的理論TPS上限究竟能達到多少？

要探究Optimism的理論TPS上限，我們應當設想一種臨界狀態：

Sequencer本地出塊速度遠高于以太坊主網，那么Layer2原生內容和Layer1副本內容之間一直有信息差△。隨著Layer2用戶增多，實際TPS激增，Layer2和Layer1間信息差△可以被擴大；

當Optimism逼近其理論TPS上限時，Layer2和Layer1間每秒的信息差△可以非常大。所以，此時Optimism必須盡快向以太坊主網提交數據，不惜一切代價同步數據；

最終，Sequencer發起的指令，占用了以太坊區塊的全部Gas，也即以太坊上全部可用的資源，都為Optimism所用，每一個以太坊區塊里收納的都是Sequencer提交的數據；

以EIP-1559后每個以太坊區塊的Gas上限為3000萬來計算，若Optimism本地執行、向以太坊提交的也都是最簡單的轉賬操作，則此時Optimism的TPS上限約為1600左右。

綜上所述，Optimism的TPS上限至少為以太坊的16倍。考慮到目前Optimism用戶太少，實際TPS甚至不到以太坊的3%，其發展空間最大可達現在的500倍。

對以上內容進行整理，結合實際調查，在此歸納得出：

Sequencer節點自己制造了一條TPS極高的區塊鏈，這便是擴容之源。雖然效率極高，但因其高度中心化，Sequencer可能作惡或宕機；

為了增強安全性，Optimism要求Sequencer質押一定資產，并要求Sequencer在ETH主網上披露Layer2區塊關鍵信息，Verifier會自動讀取，檢查準確性；

由于存儲在ETH上的交易數據是被壓縮過的，且以太坊節點不負責具體執行這些交易，不負責驗證數據的正確性，這可以大量節省Gas。目前，在Optimism上執行復雜的期權操作，Gas費可低至以太坊的1%。

Verifier和Sequencer之間達成的具有嚴重的滯后性。一筆交易提交后會立刻被Sequencer執行，但Verifier獲取狀態根、對結果進行最終驗證卻可以在1小時之后。由于延時過長，可存在多種類別的攻擊場景，這對Optimism的安全性是潛在的威脅。

Verifier受到的激勵=挑戰成功的代幣獎勵－節點運行成本。發布“欺詐證明”且挑戰成功是一個不可預測的事件，概率不高，所以Verifier受到的激勵不強，此類節點的數量不易擴充，共識和安全性仍然弱于以太坊。

如前文所述，擴充Verifier最有效的方式是增強激勵，或者開放對等節點網絡。對于尚未發行代幣也未開放對等節點的Optimism而言，難以像Metis那樣通過自己發行的代幣激勵驗證者。所以，當前的Optimism在如何擴充驗證節點規模、增強驗證的時效性上，均面臨著不小的挑戰。

值得注意的是，目前Optimism和Arbitrum等OPRollup的Sequencer節點均由官方提供，所以，Sequencer懲罰機制是否有效，尚且存在爭議；目前Optimism和Arbitrum的安全性更多來自于項目方的“信用”，而非“程序正義”本身；

頗為重要的是，Optimism在2021年11月進行了EVM等效性升級，其Sequencer和Verifier客戶端取締了舊版OVM虛擬機，基于舊版OVM設計的“欺詐證明”程序無法運轉。而新版的“欺詐證明”程序尚未投入運行，目前挑戰機制無法生效。

結語

盡管如今的Optimism炙手可熱，表現出巨大的發展前景和增值空間，但如前文所說，其仍面臨著過度中心化的問題。GavinWood曾說：“真正的去中心化和安全性比高效率更有價值。”如果無法及時讓用戶參與網絡維護，那么所謂的Layer2將和傳統金融平臺毫無區別。

在靠著理想化敘事制造擴容愿景的同時，已經“大而不倒”的Optimism該如何走向去中心化之路，兌現“欺詐證明”機制和多Squencer輪換的設想，還有待時間去考證。但可以確定的是，從長期看，只有真正的去中心化可以在歷史的風沙之中屹立不倒，永世長存。

參考文獻

《TheRoadtoSub-dollarTransactionsPart1:SlashingFeesby30%》

《一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比》

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