从opBNB和以太坊Layer2的性能差异来理解Rollup的瓶颈与优化方式

导语：如果用一个关键词来概括2023年的Web3，大多数人或许会本能想到“Layer2之夏”。虽然应用层创新此起彼伏，但能像L2一样经久不衰的长期热点却难得一见。随着Celestia成功推广模块化区块链概念，Layer2和模块化几乎成为了基础设施的代名词，单片链的往日辉煌似乎难以重现。在Coinbase、Bybit和Metamask相继推出专属的二层网络后，Layer2大战如火如荼，像极了当初新公链间炮火连天的场面。在这场由交易所引领的二层网络大战中，BNB Chain必然不肯甘居人下。早在去年他们就曾上线zkBNB测试网，但因为zkEVM在性能上还无法满足大规模应用，采用Optimistic Rollup方案的opBNB成为了实现通用Layer2的更优方案。本文旨在对opBNB的工作原理与其商业意义进行简要概括，为大家梳理BSC公链在模块化区块链时代迈出的重要一步。

BNB Chain的大区块之路

与Solana、Heco等由交易所扶持的公链类似，BNB Chain的公链BNB Smart Chain (BSC)链对高性能的追求由来已久。从2020年上线初，BSC链就把每个区块的gas容量上限设定在3000万，出块间隔稳定在3秒。

在这样的参数设置下，BSC实现了100+的TPS上限（各种交易杂糅在一起的TPS）。2021年6月，BSC的区块gas上限提升到了6000万，但在当年7月一款名为CryptoBlades的链游在BSC上爆火，引发的日交易笔数一度超过800万，导致手续费飙升。事实证明，此时的BSC效率瓶颈还是比较明显。

（数据来源：BscScan）

为了解决网络性能问题，BSC再次将每个区块的gas上限上调，此后长时间稳定在8000万~8500万附近。2022年9月，BSC Chain单个区块的gas上限提高到了1.2亿，年底时提高到了1.4亿，达到2020年时的近5倍。此前BSC曾计划把区块gas容量上限提升到3亿，或许是考虑到Validator节点的负担太重，上述超大区块的提议一直没有实施。

（数据来源：YCHARTS）

后来的BNB Chain似乎将重心放在了模块化/Layer2赛道，而没有再执着于Layer1的扩容。从去年下半年上线的zkBNB到今年年初时的GreenField，这一意图表现的愈加明显。出于对模块化区块链/Layer2的浓厚兴趣，本文作者将以opBNB为调研对象，从opBNB与以太坊Layer2表现出的不同，来为读者简单揭示Rollup的性能瓶颈所在。

BSC的高吞吐量对opBNB的DA层加成

众所周知，Celestia按照模块化区块链的工作流程，归纳出了4个关键组件：

执行层Execution：执行合约代码、完成状态转换的执行环境；

结算层Settlement：处理欺诈证明/有效性证明，同时处理L2与L1之间的桥接问题。

共识层Consensus：对交易的排序达成一致共识。

数据可用性层Data availability (DA)：发布区块链账本相关数据，使得验证者可以下载到这些数据。

其中，DA层与共识层往往被耦合在一起。比如，乐观Rollup的DA数据包含了一批L2区块中的交易序列，当L2全节点获取到DA数据时，其实就知道了这批交易中每笔Tx的先后次序。（正因如此，以太坊社区对Rollup分层时，认为DA层和共识层是关联的）

但对于以太坊Layer2而言，DA层（以太坊）的数据吞吐量成为了制约Rollup性能的最大瓶颈，因为目前以太坊的数据吞吐量太低，Rollup不得不尽量压制自己的TPS，防止以太坊主网无法承载L2产生的数据。同时，低下的数据吞吐量使得Ethereum网络内大量交易指令处于待处理状态，这使得gas费被拉到了极高水准，进一步抬高了Layer2的数据发布成本。最后，很多二层网络不得不采用Celestia等以太坊之外的DA层，“近水楼台先得月”的opBNB则直接选用高吞吐量的BSC实现DA，以解决数据发布上的瓶颈问题。为了方便理解，此处需要介绍一下Rollup的DA数据发布方式。以Arbitrum为例，Layer2排序器控制的以太坊链上EOA地址，会定期往指定的合约发出Transaction，在这个指令的输入参数calldata中，写入打包好的交易数据，并触发相应的链上事件，在合约日志中留下永久记录。

这样一来，Layer2的交易数据被长期保存在了以太坊区块中，有能力运行L2节点的人可以下载相应的记录，解析出对应数据，但以太坊自己的节点并不执行这些L2交易。不难看出，L2只是把交易数据存放到以太坊区块中，产生了存储成本，而执行交易的计算成本被L2自己的节点承担了。上面讲到的就是Arbitrum的DA实现方式，而Optimism则是由排序器控制的EOA地址，向另一个指定的EOA地址进行Transfer，在附加的数据中携带Layer2的新一批交易数据。至于采用了OP Stack的opBNB，和Optimism的DA数据发布方式基本一致。

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显而易见，DA层的吞吐量会对单位时间内Rollup可发布的数据尺寸大小产生限制，进而限制TPS。考虑到EIP1559后，每个ETH区块的gas容量稳在3000万，merge后出块时间约为12秒，则以太坊每秒处理的gas总量最多仅250万。绝大多数时候，容纳L2交易数据的calldata，每个字节消耗的gas = 16，则以太坊每秒能处理的calldata尺寸最多只有150 KB。而BSC平均每秒可处理的calldata尺寸最大约2910 KB，达到了以太坊的18.6倍。两者作为DA层的差距是显而易见的。可以概括一下，以太坊每秒最多可承载150 KB左右的L2交易数据。即便在EIP 4844上线后，这个数字也不会有多大改变，只不过降低了DA手续费。那么每秒150KB，大概能包含多少笔交易的数据？这里需要解释下Rollup的数据压缩率。Vitalik在2021年曾过分乐观的估计，乐观Rollup可以把交易数据尺寸，压缩至原先的11%。比如，一笔最基础的ETH转账，原本占用calldata大小是112字节，可以被乐观Rollup压缩到12字节，ERC-20转账可以压缩到16字节，Uniswap上的Swap交易压缩到14字节。按照他的说法，以太坊每秒最多能记录1万笔左右的L2交易数据（各类型掺杂在一起）。但按照Optimism官方在2022年披露的数据，实践中的数据压缩率，最高只能达到约37%，与Vitalik的估算差了3.5倍。

（Vitalik对Rollup扩容效应的估算，很大程度偏离了实际情况）

（Optimism官方公布的各种压缩算法实际取得的压缩率）所以我们不妨给出一个合理的数字，就是目前以太坊即便达到自己的吞吐量极限，所有乐观Rollup加起来的TPS最大值，也只有2000多。换句话说，如果以太坊区块全部空间都用来承载乐观Rollup发布的数据，比如被Arbitrum、Optimism、Base、Boba等瓜分，这些乐观Rollup的TPS加起来根本不够3000，这还是在压缩算法效率最高的情况下。此外，我们还要考虑到EIP1559后，每个区块平均承载的gas量仅为最大值的50%，所以上面的数字还应该砍掉一半。EIP4844上线后，尽管会把发布数据的手续费大幅降低，但以太坊的区块最大尺寸不会有多大变化（变化太多会影响ETH主链的安全性），所以上面估算的数值不会有多少进步。

根据Arbiscan和Etherscan的数据，Arbitrum某个交易批次包含了1115笔交易，在以太坊上消耗了181万的gas。如此推算，如果把DA层每个区块都装满，Arbitrum理论上的TPS极限约为1500，当然考虑到L1区块重组问题，Arbitrum不可能在每个以太坊区块上都发布交易批次，所以上面的数字目前只是纸面上的。同时，在EIP 4337相关的智能钱包被大规模采用后，DA问题会愈加严重。因为支持EIP 4337后，用户验证身份的方式可以自定义，比如上传指纹或虹膜的二进制数据，这会进一步加大常规交易占用的数据尺寸。所以，以太坊低下的数据吞吐量是限制Rollup效率的最大瓶颈，这个问题今后很长时间可能都无法妥善解决。而在BNB chain的公链BSC身上，平均每秒可处理的calldata尺寸最大约2910 KB，达到了以太坊的18.6倍。换言之，只要执行层速度跟的上，BNB Chain体系内的Layer2，理论TPS上限可以达到ARB或OP的18倍左右。这个数字是以当前BNB chain每个区块gas容量最大1.4亿，出块时间为3秒，计算得来的。

也就是说，目前BNB Chain体系下的公链，所有Rollup加总TPS极限，是以太坊的18.6倍（就算考虑进ZKRollup，也是如此）。从这一点也可以理解，为什么那么多Layer2项目用以太坊链下的DA层来发布数据，因为差异是显而易见的。但是，问题没有这么简单。除了数据吞吐量问题外，Layer1本身的稳定性也会对Layer2造成影响。比如大多数Rollup往往要间隔几分钟才往以太坊上发布一次交易批次，这是考虑到Layer1区块有重组的可能性。如果L1区块重组，会波及到L2的区块链账本。所以，排序器每发布一个L2交易批次后，会再等多个L1新区块发布完，区块回滚概率大幅下降后，才发布下一个L2交易批次。这其实会推迟L2区块被最终确认的时间，降低大宗交易的确认速度（大额交易要结果不可逆转，才能保障安全）。简要概括，L2发生的交易只有发布到DA层区块内，且DA层又新产生了一定量的区块后，才具备不可逆转性，这是限制Rollup性能的一个重要原因。但以太坊出块速度慢，12秒才出一个块，假设Rollup每隔15个区块发布一个L2批次，不同批次间会有3分钟的间隔，而且每个批次发布后，还要等待多个L1区块产生，才会不可逆转（前提是不会被挑战）。显然以太坊L2上的交易从发起到不可逆转，等待时间很长，结算速度慢；而BNB Chain只需3秒就可以出一个块，区块不可逆转只需要45秒（产生15个新区块的时间）。根据目前的参数，在L2交易数量相同且考虑到L1区块不可逆转性的前提下，单位时间内opBNB发布交易数据的次数，最多可以达到Arbitrum的8.53倍（前者45s发一次，后者6.4min发一次），显然opBNB上大额交易的结算速度，要比以太坊L2快很多。同时，opBNB每次发布的最大数据量，可以达到以太坊L2的4.66倍（前者L1区块的gas上限1.4亿，后者是3000万）。8.53*4.66=39.74，这就是opBNB目前实践中，与Arbitrum在TPS极限上的差距（目前ARB为了安全，貌似主动压低了TPS，但理论上如果要调高TPS，还是和opBNB很多倍）

（Arbitrum的排序器每隔6~7分钟发布一次交易批次）

（opBNB的排序器每隔1~2分钟就会发布一次交易批次，最快只需要45秒）当然还有更重要的问题需要考虑，就是DA层的gas费。L2每发布一个交易批次，都有与calldata尺寸无关的固定成本——21000的gas，这也是一笔开销。如果DA层/L1手续费很高，使得L2每次发布交易批次的固定成本居高不下，排序器就会降低发布交易批次的频率。同时，在考虑L2手续费成分时，执行层的成本很低，大多数时候可以把它忽略，只考虑DA成本对手续费的影响。总结下来，在以太坊和BNB Chain上发布同样尺寸的calldata数据，虽然消耗的gas相同，但以太坊收取的gas price约是BNB chain的10—几十倍，传导到L2手续费上，目前以太坊Layer2的用户手续费大概也是opBNB的10—几十倍左右。综合下来，opBNB与以太坊上的乐观Rollup，差别还是很明显的。

（Optimism上一笔消耗15万gas的交易，手续费0.21美元）

（opBNB上一笔消耗13万gas的交易，手续费0.004美元）但是，扩大DA层的数据吞吐量，虽然可以提升整个Layer2体系的吞吐量，但对单个Rollup的性能提升还是有限，因为执行层处理交易的速度往往不够快，即便DA层的限制可以忽略掉，执行层也会成为影响Rollup性能的下一个瓶颈。如果Layer2执行层的速度很慢，溢出的交易需求就会蔓延到其他Layer2上，最终造成流动性的割裂。所以，提升执行层的性能也很重要，是DA层之上的又一道门槛。

opBNB在执行层的加成：缓存优化当大多数人谈到区块链执行层的性能瓶颈时，必然会提到：EVM的单线程串行执行方式无法充分利用CPU、以太坊采用的Merkle Patricia Trie查找数据效率太低，这是两个重要的执行层瓶颈所在。说白了，对执行层的扩容思路，无非是更充分的利用CPU资源，再就是让CPU尽可能快的获取到数据。针对EVM串行执行和Merkle Patricia Tree的优化方案往往比较复杂，并不是很好实现，而投入性价比更高的工作常聚集在对缓存的优化上。其实缓存优化问题，回到了传统Web2乃至教科书中经常讨论到的点。通常情况下，CPU从内存读取数据的速度，是从磁盘读取数据速度的上百倍，比如一段数据，CPU从内存中读取只需要0.1秒，从磁盘中读取则需要10秒。所以，降低在磁盘读写上产生的开销，也即缓存优化，成为了区块链执行层优化中必需的一环。在以太坊乃至绝大多数公链中，记录链上地址状态的数据库被完整存储在磁盘当中，而所谓的世界状态World State trie只是这个数据库的索引，或者说查找数据时用到的目录。EVM每次执行合约都需要获取相关的地址状态，如果数据都要从存放在磁盘里的数据库中一条条拿过来，显然会严重降低执行交易的速度。所以在数据库/磁盘之外设置缓存，是必要的提速手段。opBNB直接采用了BNB Chain用到的缓存优化方案。按照opBNB的合作方NodeReal披露的信息，最早的BSC链在EVM与存放状态的LevelDB数据库之间设置了3道缓存，设计思路类似于传统的三级缓存，把访问频率更高的数据放到缓存中，这样CPU就可以先去缓存中寻找需要的数据。如果缓存的命中率足够高，CPU就不需要过分依赖磁盘来获取数据，整个执行过程的速度就可以实现大幅提升。

后来NodeReal在此之上增设了一个功能，调动EVM没占用的空闲CPU核心，把EVM未来要处理的数据，提前从数据库中读出来，放入缓存中，让EVM未来能从缓存直接获得需要的数据，这个功能被称为“状态预读”。

状态预读的道理其实很简单：区块链节点的CPU是多核心的，而EVM是单线程的串行执行模式，只用到1个CPU核心，这样其他的CPU核心就没有被充分利用。对此，可以让EVM没用到的CPU核心帮忙做点事，它们可以从EVM未处理的交易序列中，获知未来EVM会用到的数据都有哪些。然后，这些EVM之外的CPU核心，会从数据库中读取EVM未来会用到的数据，帮EVM解决数据获取上的开销，提升执行速度。在对缓存进行了充分优化后，搭配上性能足够的硬件配置，opBNB其实已经把节点执行层的性能逼近到了EVM的极限：每秒最多能处理1亿gas。1亿gas基本就是无改动的EVM的性能天花板（来自于某明星公链的实验测试数据）。具体概括的话，opBNB每秒最多可处理4761笔最简单的转账，处理1500~3000笔ERC20转账，处理约500~1000笔SWAP操作（这些数据根据区块浏览器上的交易数据获知）。以目前的参数对比看的话，opBNB的TPS极限，是以太坊的40倍，BNB Chain的2倍多，Optimism的6倍多。当然，以太坊Layer2因为DA层本身的严重限制，执行层根本施展不开，如果把此前曾提到的DA层出块时间、稳定性等因素都考虑进去，以太坊Layer2的实际性能要在执行层性能基础上大打折扣。而对于BNB Chain这样的高吞吐量DA层而言，扩容效应达到2倍多的opBNB是很有价值的，更何况这样的扩容项目BNB Chain可以搭载多个。可以预见的是，BNB Chain已经把opBNB为首的Layer2方案列入自己的布局计划中，未来还会不断收纳更多的模块化区块链项目，包括在opBNB里引入ZK proof，并搭配GreenField等配套基础设施来提供高可用的DA层，尝试与以太坊Layer2体系竞争亦或合作。在这个分层扩容已成为大势所趋的时代背景下，其他公链是否也会争相模仿BNB Chain扶持自己的Layer2项目，一切都有待时间去验证，但毫无疑问的是，以模块化区块链为大方向得到基础设施范式革命正在且已经发生了。

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