詳解互操作協議LayerZero技術原理與特性

前言

短短 1 年的時間，全鏈互操作性協議 LayerZero 他再次以 30 億美元的估值籌集了 1.2 億美元，是上次估值的三倍，投資者包括 a16z,ChristiesInc 和紅杉資本等。

全文研報一萬字，將全面梳理跨鏈賽道的主流模式、layerZero 的技術原理、詳解跨鏈生命周期、綜合分析其協議優缺。

本文系上篇，重在講述 LayerZero 的技術方案以及評價其優缺點。

1、LayerZero 技術原理 

1.1、概述

LayerZero 是一個提供無需信任的跨鏈通訊協議。它的本質是利用了輕節點的技術原理，設計了超輕節點的機制，通過中繼者和預言機將中間的置信環節一分為二，從而以更低的費用換取更好的安全性

注意，LayerZero 主打的不是資產跨鏈，而是更上層的消息跨鏈，作為底層協議與資產跨鏈的應用層是個包含關係，更具體的資產跨鏈是同樣由 Layerzero Labs 開發的 Stargate。

1.2、什麼是輕節點？

跨鏈之間的通訊環節主要是通過外部驗證或鏈上輕節點來完成。首先輕節點是一種節點運作模式，同樣的還有全節點（Full Node）歸檔節點（Archive Node）。同一個鏈的不同節點則是該鏈資訊的刪減版，輕節點只保存歷史所有區塊頭，並不儲存區塊內的具體交易資訊。

有了區塊頭的多個 Merkle Root 就可以藉助默克爾樹驗證來確定一筆交易是否真實存在於這個區塊。

通過輕節點上鏈運行驗證的收益是，完全剔除了公證人的外部角色干擾，依據鏈本身的安全性實現高度的去中心化從而更安全。

但這樣一來跨鏈成本將會高的無以復加，最終都將分散到跨鏈需求的用戶上。筆者曾經在 NFT 儲存元數據估算按 KB 為單位的成本。

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1.2、什麼是超輕節點？

超輕節點 Ultra-Light Node (ULN) 其實很簡單，對比輕節點而言，超輕節點會執行與鏈上輕節點相同的驗證，但不是按順序保留所有塊頭，它們由分散的預言機按需流式傳輸。

其收益便是，不依賴輕節點從頭開始的區塊頭數據流。

其代價則是，缺乏歷史順序數據流，那一旦預言機和中繼者同時作惡即可通過驗證，讓導致惡意的資訊被執行。

一定程度安全性的損失對應極大程度成本的降低，孰是孰非就看大家基於自身場景如何權衡了，參考 lens 這樣社交協議的設計，社交關注的資訊的價值不會太大，那麼在做好應用層隔離的情況下樂觀的做元交易，樂觀的先執行後追溯也十分可取。

2、LayerZero 的跨鏈核心角色

在下圖的 LayerZero 官方白皮書中，綠色的部分便是承擔兩條鏈之間資訊傳遞的關鍵角色，分別是 Oracle 和 Relayer。

2.1、Oracle 和 Relayer 的定位

簡單來說，Oracle（預言機）的主要作用是讓目標鏈上的合約知道什麼時候驗證和驗證的答案是什麼。而 Relayer（中繼器）則負責提供驗證交易所需的證明過程以及跨鏈資訊的具體內容。

筆者在上篇 4337 的研報中也有提及，目前 4337 合約還需要接入鏈下的預言機價格服務，才能真正實現多幣種支付交易手續費的功能：拓展閱讀 以太坊賬號抽象 ERC4337 的過審方案解讀

總之，Oracle 就是 LayerZero 跨鏈中的公證人角色，可能是出於這樣的作惡動機評估，預言機的安全性幾乎等同於鏈上 Defi 的價值，太多的借貸產品依賴預言機提供價格，如果他願意作惡，那麼有更高殖利率的事情可以做。

2.2、Oracle 和 Relayer 的分工

預言機的作用是：將源頭鏈上跨鏈請求所在的 Blockhash 和 Block Receiptsroot 傳遞到目標鏈上。

Blockhash 區塊哈希，告知目標鏈上的合約哪個區塊里有用戶的跨鏈請求。

Block Receiptsroot 是為了用來驗證交易中繼器傳遞的消息。

中繼器的作用是：將跨鏈消息所在的 Receipt 和 Merkle Proof 所需的路徑資訊傳遞到目標鏈上的合約用以驗證。

其中 Receipt 收據是指交易回執資訊，其中主要包含着交易執行結果、交易哈希和交易事件日誌。

交易執行結果：源鏈上交易本身是否成功。

交易哈希：每一筆交易的全局唯一哈希。

交易事件日誌：理解成跨鏈資訊的具體內容。



這裡的路徑資訊就是下圖的紅色箭頭，比如將中繼者依次將 L2 -> Hash 0-0 -> Hash 1 資訊告訴鏈上節點後。比對預言機給出的 TopHash，以及基於中繼者給出的資訊合約進行二次計算後一致則說明中繼者是正確的。

整體流程概述如下：

一個交易從用戶應用程序（UA）啟動一個交易（即在鏈上執行某些操作）開始。然後，通過預言機和中繼器在 LayerZero 端點的協助下，將這個交易分解成多個部分（證明和區塊頭）。一旦預言機和中繼器在目標鏈上發送各自的資訊（簽署交易上鏈），並且 LayerZero Endpoint（合約）驗證了資訊的正確性，消息就會被轉化並在目標鏈上執行。

展開詳細步驟如下（對照上圖看）：

步驟 1：用戶應用程序 UA（如 Stargate 橋）LayerZero 的通信器（Communicator）發送請求，包括交易標識符 t、從 A 到 B 轉移的數據（payload 有效負載）、或指向 Chain B 上用戶應用程序智能合約的標識符或者中繼器 (relayer_args) 等交易資訊。

步驟 2：通信器將這些數據以 LayerZero 數據包（packet）的形式發送給驗證器（Validator）

步驟 3：驗證器將交易標識符和鏈 B 上智能合約的標識符等發送給網路層（NetWork）。網路層的工作也被觸發，有待傳遞的資訊需要通過 oracle 將源鏈 A 的區塊頭髮送到目標鏈 B。

步驟 4：驗證器將此資訊（packet）轉發給中繼器。中繼器被通知後則取交易證明（第 7 步的 Proof）鏈下儲存，並將其發送到 Chain B（第 11 步），chainB 的端點亦可發起申請要求獲取指定塊哈希的結果 (第 10 步)。

步驟 5：網路層將 Chain B 上智能合約的標識符和交易塊的塊 ID 一起發送給預言機。當預言機被通知則獲取 Chain A 上當前塊的塊頭（第 6 步）並將其發送到 Chain B（第 8 步）。

可以看到這時候其實 6、7、8、10、11 的部分都內嵌在中繼器和預言機的環節執行了。

步驟 9：網路層將獲取到的區塊哈希發送到驗證器（觸發超輕節點的驗證）。

步驟 12：驗證器通過查看網路層儲存的交易證明和塊頭來確保交易有效且已提交。如果塊頭和交易證明匹配，則將交易資訊（Packet）發送到通信器。

步驟 13：通信器將資訊（Packet）轉發送到 Chain B 上的用戶應用程序中，執行任意功能。

整體跨鏈是在源鏈上執行首筆交易的時候收取的 Gas 手續費，到了目標鏈上則是對應 3 筆，構成是中繼器+預言機+Layer Zero: Executor（某個 EOA 賬號）。 

3、如何評價 LayerZero 協議的優缺點 

 3.1、依賴預言機就很危險嗎？

如果只有一個 relayer 或者一個預言機那可能確實有危險（已經不是協議本身的管理範疇了），但是目前 layerZero 實現的是任何應用均可自定義自己的 relayer 乃至於選擇不同的預言機來支持自己的系統。

哪怕部分 relayer 宕機或者處於某種目的不工作、錯誤工作，在逐步的市場競爭中，會形成多對多的選擇格局，在各自的博弈間會雷同礦工機制一樣形成去中心化的互相監督。

即使預言機 1 和中繼器 A 惡意勾結，這也是一個孤立的風險，因為只有同時使用了預言機 1 作為預言機和中繼器 A 作為資訊的應用程序將受到影響。

並且 LayerZero 只是最底層的傳遞資訊的機制，至於資訊傳遞後，上層應用如何使用則是可以單獨定義和做安全加固的。對於協議本身而言他並不儲存資金，也不儲存數據，這會降低他本身受到攻擊的可能性。

因此，由於資金是分散，讓駭客攻擊成本變得更高回報更小。

目前，LayerZero 已經經過 30 多個版本的正式審核，包括 Quantstamp、Zokyo、Zellic 和 Trail of Bits 等等。此外，他當前通過 ImmuneFi 主持 1500 萬美元的漏洞賞金，這是整個行業最大的實時漏洞賞金計劃！，迄今為止 LayerZero 已向已進行披露的白帽子獎勵近 100 萬美元。

3.1、對比協議層跨鏈產品的優勢

同前文的結論一致，極低的跨鏈安全性驗證成本是一大亮點，同樣損失的則是高度信賴預言機的安全性，在拋除安全性因素之外（畢竟可以在應用層加固），通用性以及對於開發者極低的協議接入成本是筆者看到的一大隱形優勢。

更強的通用拓展性

在如今在協議層跨鏈的，還有 Cosmos 生態的 IBC 協議以及波卡生態的 XCMP 跨鏈協議，之所以說他們在拓展性上有侷限是指，對於以太坊驗證其他公鏈的交易，則必須在以太坊上部署對應的輕節點。這樣高昂的 Gas 成本導致眾多 EVM 兼容鏈 (ETH/BSC/Polygon/L2 等等）很難對 IBC 協議進行支持，大大限制了 IBC 協議的通用性，因此目前其依然只能在相對小眾的 Cosmos 生態鏈之間運行。

更低的開發者接入複雜度

從一開始底層協議的工作量就是放在極簡的合約接入設計上，而消息跨鏈的需求場景上限極高，比如跨鏈借貸、收益聚合和交易只是開始。因為便捷好開發，所以協議目前已經在 30 多個鏈上 Dapp（包括去中心化交易所 PancakeSwap、SushiSwap、TraderJoe 和 Uniswap 等）傳遞了超過數百萬條消息，並且其上的應用橋等已經鎖定了超過 70 億美元的總價值（發文近期 TVL 為 4 億美金）。

解除多鏈碎片化的兼容性

前面提及的鎖定鑄造模式中，生成的包裝代幣，便是一種對多鏈資金的碎片化現象，而 LayerZero 使用非封裝資產方式、可以支持 EVM 和非 EVM、統一的流動性層，以及在資產跨鏈時能夠將原鏈兌換、橋接、目標鏈兌換、質押等複雜的交易捆綁起來。

3.3、總結

跨鏈是多鏈格局下的重要投資賽道之一，未來確定性高，商業模式清晰，在市場仍未成熟的階段已有高額營收，作為通信協議內嵌到各類 Dapp 的基礎代碼內，協議本身也就成為樂高積木中最下盤之一。

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