Stackable L2 — 一种新的区块链扩容方案

一直以来，L2 和 L1 之间如何实现互操作，L2 如何读取 L1 上的状态，是 L2 方案设计上的一个挑战。一般的方案是通过状态证明，这种方案需要解决两个问题：

1. L2 如何知道 L1 的状态根。
2. 状态证明的表达形式，包括各种状态树或者 zk 证明，需要在成本便利性之间权衡。

这个方案在 Vitalik 在他的文章 《Deeper dive on cross-L2 reading for wallets and other use cases》中有详细的探讨。Rooch 最早设计的多链结算方案中，也是用类似的技术，L2 嵌入 L1 的轻节点，验证 L1 的区块来获得 L1 的状态根。但这套方案用在 Bitcoin 上的时候，会遇到难题。

1. Bitcoin 上的 UTXO 并没有状态树，不能之间证明某个 UTXO 在某个区块高度是否被消费了，只能通过交易证明，证明某个交易是否包含在某个区块中。
2. 同时要支持 Bitcoin 上的 UTXO 附加的信息的证明，比如 RGB，铭文（Ordinals），还需要证明交易的 Input 和 Output 之间的关联关系，这个挑战更大。

这里补充一下 Bitcoin 的一个基础知识，Bitcoin 的共识协议验证区块的时候，只检查 Input 和 Output 的 BTC amount 是否匹配，并不关心 Input 和 Output 的对应关系。

(来源 https://en.bitcoin.it/wiki/File:Bitcointransactions.JPG(opens in a new tab))

比如上图中的交易，Bitcoin 共识只验证 Sum(Input) = Sum(Output)+Fee。假如 Input 上携带了其他的信息，它会转移给哪个 Output 呢？这个就是 Bitcoin 上的扩展协议要解决的问题，它们各自发明了一种 Input 和 Output 的映射规则，比如 RGB/Runs 通过嵌入 OP_RETRUN 来指定，Ordinals 通过 SatPoint 指定。

所以 L2 上的应用，如果想要读取 Bitcoin 上的状态，需要全量追踪 UTXO 的创建与消费，以及解析上面扩展协议的各种数据，于是有了堆叠式（Stackable） L2 的想法。

堆叠式 L2

堆叠式 L2 指在 L2 中全量包含 L1 状态的一种 L2 扩容方案。这种方案要求：

1. L2 中包含 L1 的全量状态。相当于要求 L2 包含了 L1 的全节点并完整执行 L1 共识协议，L1 的状态是 L2 状态的一个子集。
2. L2 可以拥有自己的交易，以及状态。这点上有区别于只读的索引器（Indexer）。
3. L2 需要有一种机制实现 L2 状态和 L1 状态之间的原子化绑定，保证 L1 和 L2 的状态（资产）的所有权可以原子化转让。

如上图所示，L1 在区块高度 T 时的状态是 State T，而该 Bock 会同时触发 L2 的交易 Y，生成 L2 的状态 State Y，State Y 中包含 State T。之后 L2 执行多个交易，其中 L2 的状态在改变，但 L1 State T 一直没有变化，直到 L1 Block T+1 触发新的 L2 交易 Y+n，产生新的 L1 和 L2 状态。

这种方案下，由于 L1 的所有状态都是 L2 的状态，L2 的应用可以直接读取，不需要考虑复杂的状态证明，能提供更好的开发者以及用户体验。

这个方向在业界也有类似的尝试，Ethereum 社区有个 Booster rollups 方案，是在 Ethereum 上堆叠一层，和 Rooch 的思路类似，不过解决方案上有所差异。

堆叠式状态树

既然 L2 包含了全量的 L1 的状态，以及 L2 自己的状态，需要有一种层级的状态树方案。这种方案需要保证 L1 的状态可以生成独立的状态树，以便做状态校验。

在 Rooch 中，第一层的状态树的叶子结点是 Object，而每个 Object 也携带着一个状态子树，子树中可以保存该 Object 的动态字段，或者子 Object。比如 BitcoinStore 是一个 Object，保存了 Bitcoin 链上的所有状态，UTXO 以及 Inscription 都是该 Object 的子 Object。

而这种模式也可以用在应用中，比如有一个游戏，它的状态表达为 Gameworld，游戏中的状态都在这个 Object 中，这样可以实现应用间的交易并行以及状态拆分。

Rollout Not Rollup

堆叠式的 L2 的交易包含两部分，一部分是 L1 的区块，另外一部分是 L2 自己的交易。L1 的区块可用性由 L1 保证，那 L2 的交易如何保证它的可用性？

在 L2 的 Rollup 模式中，L2 的交易会通过 Sequencer 批量 Rollup 到 L1。但这种模式的关键问题是 L1 本身的区块空间是有限的，所以 L2 的扩容效果会受限于 L1 的区块空间，如果有多个 Rollup L2 同时竞争同一个区块空间，会变成一种“内卷”模式，多个 L2 并没有叠加的扩容效果。

在 Rooch 的堆叠式方案中， L1 的区块会包含在 L2 的交易中（实际上只需要包含区块 Hash），L2 会把交易写入另外的第三方 DA 的链上去，我们把这种模式可以叫作 Rollout。Rollout 模式下，L2 通过利用其他的 DA 来实现给源 L1 扩容，是一种模块化的思路，也更具有扩展性，这是 Rooch 最开始就坚持的方案。这样对 Bitcoin 区块空间的需求，会逐渐通过 Rooch 溢出到其他的链，促进整个区块链生态的融合。

原子化状态绑定

如果要实现 L1 状态和 L2 状态之间的原子化绑定，我们需要提供一种资产嵌套的表达模式，而 Move 语言本身非常适合表达嵌套模式的资产。

比如上图中的 UTXO X 在 Move 中表达为一种 Object，它内置一个 Temporary 区域，嵌套放置在该区域的状态，在该 UTXO 被消费的时候会被清理掉。它类似于 RGB 的“一次性密封”，利用了 UTXO 只能被消费一次的特性。比如有个应用提供一种持有 Bitcoin 挖矿的特性，将用户的 Stake 信息存在该区域，一旦用户消费掉该 UTXO，则自动丢失 Stake 信息。而如果是支持 UTXO 映射追踪的协议的状态，则可以提供 Permanent Area，实现 L1 与 L2 的状态的原子化转让。

比如上图中，是通过 Move 表达的一种 Bitcoin 链上状态，比如 Ordinals Inscription（RGB 同理）。它里面的 Permanent Area 可以保存永久的状态，比如 Coin 或者 NFT。一旦该 Inscription 在 L1 被转让，Temporary Area 中的状态会被清空，而 Permanent Area 的状态会被保留，一并转让给新的所有者。

资产跨层（跨链）

堆叠式 L2 的方案中，主要关注在 L2 继承 L1 的状态，而 L1 和 L2 之间的资产如何跨层流动，主要有几个探索的方向：

1. L1 → L2 的桥模式：L1 和 L2 之间通过桥实现 L1 到 L2 的资产迁移。关键是这个桥如何通过 L1 和 L2 提供的特性来保证安全。而堆叠式 L2 中，可以通过 L2 的合约给桥增加额外的安全保证。
2. 链下验证或客户端验证：RGB 或者 Ordinals 协议模式下，资产的合法性在链下校验，L1 只承担公布承诺（commitment）或者保证数据可用（DA）的作用，这种资产可以理解成一种介于 L1 和 L2 之间的资产，可以内置扩展协议来实现资产在 L1 和 L2 之间的互通。这种模式可以无缝和堆叠式 L2 集成。
3. L2 → L1 ：如果是 L2 的原生资产，然后需要跨到 L1。这种情况有区别于 L1 → L2 的桥。由于 L2 原生资产的合法性由 L2 保证，它跨链的安全性要求低于 L1 → L2，不需要考虑逃生舱等机制，只需要保证 L2 提交给 L1 的状态根是正确的。

去中心化与安全

L2 的 Sequencer 如何去中心化，依然是业内探索的方向。在 Rooch 的方案中，通过以下方式来实现去中心化以及保证安全：

1. Sequencer 会把交易公布到 DA，把 L2 状态树的根公布到 Bitcoin 上，保证 L2 状态的可验证。
2. 如果 Sequencer 公布了错误的状态，当公布状态根的 Bitcoin 的交易重新在 L2 执行的时候，会触发惩罚。
3. 通过 L1 区块提供的时间，实现 Sequencer 按时间片轮替，节点需要抵押资产成为 Sequencer 的候选节点。
4. 如果 Sequencer 隐藏交易，可以通过交易排序证明(opens in a new tab)进行惩罚。

总结

区块链扩容一直是业内最重要的问题之一，已有分层，分片等方向的实践。但层和片应该如何分，依然尚在摸索。本文提出了一种新的思路，基于状态堆叠的分层模式，让 L2 最大化的继承 L1 的数据和特性。这样 L2 启动时，并不是一个空白的世界，而是在 L1 的多年积累的状态世界之上构建应用。同时，这种分层模式下，每个应用其实也可以再堆叠一层，类似于一种基于应用的分片方案，这个待后文再做探讨。

那状态堆叠模式能支持哪些类型的应用呢？这个尚待挖掘。举个简单的例子，比如在 Bitcoin 上有一个 Inscription 来表达一块地。然后 L2 可以在上面堆叠一个房子，它们整体形成了一种资产，它的价值就高于原始的地块。然后有人再把这个房子打造成一个展览馆，然后价值又不一样了。其实这个模式和现实世界中的资产增值模式是类似的。现实世界中的资产也是通过合成，组合，堆叠方式来实现增值的。

期待开发者和用户一起来探索新的玩法。

相关链接

1. Deeper dive on cross-L2 reading for wallets and other use cases https://twitter.com/VitalikButerin/status/1671170970634317826(opens in a new tab)
2. Rollup Layer2 的模块化演进之路 https://rooch.network/zh-CN/blog/modular-evolution-of-rollup-layer2(opens in a new tab)
3. Booster rollups - scaling L1 directly <https://ethresear.ch/t/booster-rollups-scaling-l1-directly/17125>