在一个以L2为主的以太坊中提高L1 gas限制的原因

特别感谢 Ansgar Dietrichs 的反馈和审阅

以太坊路线图中一个重要的短期辩论是关于将 L1 燃气限制提高多少的问题。最近，L1 燃气限制从 3000 万提高到 3600 万，容量增加了 20%。许多人支持在不久的将来进行更大幅度的增加。这些增加得益于最近和即将到来的技术改进：以太坊客户端的效率提升，由于 EIP-4444 减少存储旧历史的需求（见路线图），以及后来的无状态客户端。

然而，在我们走上这条道路之前，重要的是要问一个问题：在以 rollup 为中心的路线图的背景下，提高 L1 燃气限制在长期内是否是正确的做法？燃气限制容易增加，但难以减少——即使你后来减少了它们，对中心化的影响可能是永久性的。我们不想在重度 L1 使用的中心化风险中陷入困境，而实际上并不确定我们会从这种使用中受益。

本文将论证，即使在大多数使用和应用都在 L2 的世界中，显著扩展 L1 仍然具有价值，因为它能够实现更简单和更安全的应用开发模式。本文将不试图论证更多的应用是否应该在 L1 上，即使在长期内。相反，目标是论证例如 L1 上的 ~10 倍扩展在长期内具有价值，无论该辩论的结果如何。

审查抵抗

抱歉，我无法处理该请求。

区块链的核心价值主张之一是抗审查性：如果一笔交易是有效的，并且你有资金支付市场费率的费用，你应该能够可靠地快速将该交易包含在链上。

在某些情况下，抗审查性甚至在短时间内也是必要的：如果你在一个去中心化金融协议中持有头寸，并且价格变化非常快，那么即使是5分钟的交易延迟也可能足以导致你被清算。

L1的质押者集合是高度去中心化的，这使得审查一笔交易超过几个区块变得非常困难。有提案进一步改善以太坊的这一特性，确保在例如区块构建高度集中和外包的情况下仍然能够抵御审查。另一方面，L2依赖于更集中化的区块生产者集合或一个集中化的排序器，这可以轻易选择审查用户。一些L2（例如，参见Optimism，Arbitrum文档）确实有一个强制包含机制，允许用户直接通过L1提交交易。因此，抗审查保证的实际价值取决于（i）L1费用足够低，以及（ii）L1有足够的空间，以便用户可以发送旁路交易，即使L2大规模审查大量用户。

基本数学假设

我们可以做一些数学计算，来计算实际使用强制包含机制的成本有多高。首先，让我们陈述一些假设，这些假设我们将在其他部分中重用：

当前L1 → L2的存款交易大约需要120,000 L1 gas。这里是来自Optimism的一个例子。
一个超最小的L1操作，例如更改特定存储槽的值，成本为7500 L1 gas（冷SSTORE加上地址的calldata成本，再加上一点计算费用）
ETH价格为$2500
燃气价格为15 gwei，这是一个合理的长期平均值
需求弹性接近1（即，燃气限制翻倍将使价格减半）。这一点在早期的数据分析中得到了弱支持，尽管在实践中我们应该注意，实际的弹性可能会在任一方向上有很大不同
我们希望响应攻击的成本低于$1。“正常”操作每笔交易的成本不应超过$0.05。那些特殊程度介于两者之间的交易（例如，关键更改）应成本低于$0.25。这无疑只是一个直观的价值判断

根据这些假设，今天绕过审查的成本为120000 * 15 * 10**-9 * 2500 = $4.5。为了将其压低到我们的目标，我们需要将L1的规模提高4.5倍（尽管请注意，这只是一个非常粗略的估计，因为弹性很难估计，甚至绝对使用水平也很难估计）。

需要在L2之间移动资产

用户通常需要在一个L2和另一个L2之间移动资产。对于常见的高交易量资产，最实用的方法是使用意图协议，例如ERC-7683。只有少数市场制造商需要实际从一个L2直接移动到另一个L2；其他人只需与市场制造商交易。

对于低交易量的资产或NFT，这种情况并不可行，因此要将这些资产从一个L2移动到另一个L2，个人用户需要通过L1发送交易。

今天，提款的成本为约250,000 L1 gas，存款则需要120,000 L1 gas。理论上，这个流程可以优化得相当多。要将一个NFT从Ink转移到Arbitrum，NFT的基础所有权必须从Ink桥转移到L1上的Arbitrum桥。这是一个存储操作，仅需约5000 gas。其他所有操作“只是”调用和证明，使用正确的逻辑可以使其变得便宜；我们假设总成本为7500 gas。

让我们计算两种情况下的成本。

今天：370000 * 15 * 10**-9 * 2500 = $13.87

理想设计下：7500 * 15 * 10**-9 * 2500 = $0.28

我们的理想目标是$0.05，这意味着需要扩展5.5倍。

另外，我们可以更直接地基于容量进行分析。假设每个用户平均每月需要进行一次NFT（或稀有ERC20）的跨L2转移。以太坊一个月的总gas容量为18000000 * (86400 * 30 / 12) = 3.88万亿，足够进行5.18亿次这样的转移。因此，如果以太坊想要服务整个世界（例如，考虑Facebook的用户数量为31亿），它需要将容量扩展约6倍，而这仅仅是如果L1的唯一用途。

L2大规模退出

L2具有的一个重要特性，而“替代L1”没有，就是在L2崩溃时能够退出到L1。如果所有用户在一周内无法退出怎么办？在乐观汇总中，这实际上可能没问题：一个诚实的参与者可以无限期地阻止坏的状态根被确认。然而，在Plasma系统中，如果数据变得不可用，通常需要在一周内退出。即使在乐观汇总中，敌对的治理升级也给用户提供了30天的时间框架（见：阶段2定义）来提取他们的资产。

这意味着什么？假设一个Plasma链崩溃，退出成本为120000 gas。在一周内有多少用户能够退出？我们可以计算：86400 * 7 / 12 * 18000000 / 120000 = 756万用户。如果是一个乐观汇总，且有敌对的30天延迟治理升级，这个数字增加到3240万用户。可以设想，你可以创建一个大规模退出协议，允许许多用户同时退出。假设我们将效率推向极限，每个用户只需进行一次单独的SSTORE和一点额外操作（即7500 gas）。那么，这两个数字分别增加到1.21亿和5.18亿。

索尼在以太坊上有一个L2今天。索尼的Playstation大约有1.16亿月活跃用户。如果所有这些用户都成为Soneium用户，那么今天的以太坊将不足以支持大规模退出事件。然而，如果我们实施更聪明的大规模退出协议，它勉强能够做到。

如果我们想避免技术上复杂的哈希提交协议，我们可能希望为每个资产留出7500 gas的空间。我目前在Arbitrum的主钱包中有9个具有重要价值的资产；如果你将其作为估算，那么L1可能需要扩展约9倍。

用户的另一个担忧是，即使他们能够安全扩展，他们也会因非常高的gas成本而损失大量资金。

让我们分析一下退出的gas成本，使用当前和“理想”成本：

120000 * 15 * 10**-9 * 2500 = $4.5

7500 * 15 * 10**-9 * 2500 = $0.28

然而，这些估算的问题在于，在大规模退出的情况下，每个人都会同时尝试退出，因此gas成本会显著提高。我们已经看到过整个日子，L1的平均每日gas成本超过100 gwei。如果我们将100 gwei作为基准，那么我们得到的提款成本为$1.88，这意味着L1需要扩展1.9倍，以便以可承受的价格处理退出（低于$1）。还要注意，如果你希望用户能够一次性退出所有资产，而不需要技术上复杂的哈希提交协议，那么这可能意味着每个资产需要7500 gas，那么提款成本将增加到$2.5或$16.8，具体取决于你的参数，这对L1需要扩展以保持提款可承受的影响也是相应的。

在L1上发行ERC20

今天，许多代币在L2上推出。这有一个被低估的安全隐患：如果一个L2经历了敌对的治理升级，那么在该L2上发行的ERC20可能会开始无限制地发行新代币，而没有办法阻止这些代币泄漏到生态系统的其他部分。如果代币是在L1上发行的，那么一个L2出错的后果主要局限于该L2。

到目前为止，已经在L1上推出了超过200,000个ERC20代币。支持甚至100倍的数量是可行的。然而，要使在L1上发行ERC20成为一个受欢迎的选择，成本需要便宜。以Railgun代币（一个主要的隐私协议）为例。这里是它的部署交易。它的成本为164.7万gas，根据我们的假设，这相当于$61.76。对于一家公司来说，这个成本是可以接受的。从原则上讲，这可以优化得很多，特别是对于那些使用相同逻辑推出大量代币的项目。然而，即使我们将成本降低到120000 gas，仍然是$4.5。

如果我们设定目标，例如将Polymarket引入L1（至少资产发行；交易仍然可以在L2上进行），并且我们希望有许多微型市场发生，那么根据我们上述的目标$0.25，我们需要将L1扩展约18倍。

Keystore钱包操作

Keystore钱包是一种具有可修改验证逻辑的钱包（用于更改密钥、签名算法等），该逻辑会自动传播到所有L2。验证逻辑位于L1上，L2使用同步读取（例如，L1SLOAD，REMOTESTATICCALL）来读取该逻辑。Keystore钱包可以在L2上实现验证逻辑，但这会增加很多复杂性。

假设每个用户每年需要进行一次密钥更改或账户升级操作，而我们有31亿用户。如果每个操作成本为50,000 gas，那么我们得到每个插槽的gas消耗为50000 * 3100000000 / (31556926 / 12) ~= 5900万，大约是当前目标的3.3倍。

我们可以进行非常严格的优化，但使密钥更改操作在L2上发起，而在L1上存储（感谢Scroll团队提供这个想法）。

这将减少gas消耗，可能只需进行一次存储写入和稍微多一点（我们再说一次7500 gas），这将使得keystore更新可以在以太坊当前gas容量的一半内完成。

我们还可以估算一次keystore操作的成本：

7500 * 15 * 10**-9 * 2500 = $0.28

从这个角度来看，1.1倍的增加就足以使keystore钱包变得足够可负担。

L2证明提交

为了使跨L2的互操作性既快速又通用且无信任，我们需要L2频繁地向L1提交，以便它们能够直接了解彼此的状态。为了获得最佳的低延迟，L2需要在每个时隙提交到L1。

根据今天的技术（ZK-SNARKs），每个L2的成本约为500,000，因此以太坊只能支持36个L2（比较：L2beat 跟踪约150个，包括validiums和optimiums）。但更重要的是，这在经济上是不可行的：以大约15 gwei的长期平均gas价格和ETH价格为$2500，提交的年度成本为500000 * 15 * 10**-9 * (31556926 / 12) * 2500 = 每年4900万美元。如果我们使用聚合协议，成本可能再次下降，极限情况下每次提交约为10,000 gas，因为聚合机制比仅更新单个存储槽要复杂一些。这将使每个L2的提交成本约为每年100万美元。

理想情况下，我们希望每个时隙向L1提交是一个不费脑筋的决定。做到这一点将再次需要显著增加L1的容量。每年10万美元对一个L2团队来说是一个相对较小的成本，而每年100万美元则不是。

结论

我们可以将上述用例放入如下表格：

| 用例 | 现有技术下的L1 gas需求 | 更理想技术下的L1 gas需求 | 可承受的L1 gas需求 | |------------------------|---------------------|---------------------|------------------| | 审查抵抗 | 0.01x | 0.01x | ~4.5x | | 跨L2资产转移 | 278x | 5.5x | ~6x | | L2大规模退出 | 3 - 117x | 1 - 9x | ~1 - 16.8x | | 发行ERC20 | 0.01x | 0.01x | ~1 - 18x | | Keystore钱包操作 | 3.3x | 0.5x | ~1.1x | | L2证明提交 | 4x | 0.08x | ~10x |

请记住，第一列和第二列是可叠加的，例如，如果keystore钱包操作占用了当前gas消耗的一半，那么需要有足够的空间来在此基础上运行L2大规模退出。

此外，请再次记住，基于成本的估算是极其近似的。需求弹性（gas成本对gas限制变化的响应程度，尤其是在长期内）很难估算，此外，即使在固定的使用水平下，费用市场如何演变也存在很多不确定性。

总的来说，这项分析表明，即使在L2主导的世界中，L1 gas的~10倍扩展也具有显著价值。这反过来意味着，在接下来的1-2年内可以进行的短期L1扩展是有价值的，无论长期的情况最终看起来如何。

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