以太坊Layer2扩容方案Validium工作原理详解
Validium，作为以太坊Layer2扩容方案家族中的一员，凭借其独特的数据可用性策略，在保障安全性的同时，实现了交易吞吐量的显著提升。与ZK Rollup相似，Validium也利用零知识证明技术来验证链下交易的有效性，但两者最核心的区别在于数据存储的位置。Validium并不将交易数据直接发布到以太坊主链，而是将其存储在链下的数据可用性委员会 (Data Availability Committee, DAC) 或其他类型的链下数据存储解决方案中。
Validium的核心机制
Validium的运作机制围绕以下几个关键要素展开：
链下计算： Validium将交易处理和计算过程移至链下执行，显著提升了交易吞吐量和处理速度。所有交易数据和状态转换在链下进行计算，减轻了主链的负担。
数据可用性保证： 虽然计算在链下发生，但Validium通过特定的机制确保交易数据和状态根的可用性。数据通常由一组被信任的实体（数据可用性委员会，DAC）持有，它们负责存储和提供交易数据，以供验证和恢复。
有效性证明： 为了确保链下计算的正确性，Validium采用有效性证明（Validity Proofs），例如ZK-SNARKs或ZK-STARKs。这些证明以密码学方式证明链下计算已经按照协议规则正确执行。 主链只需验证这些简短的证明，而无需重新执行整个计算过程。
状态承诺： Validium定期将链下状态的承诺（例如状态根的哈希值）提交到主链。这个承诺充当了链下状态的锚点，允许用户验证链下状态的完整性，并确保链下状态与主链状态保持同步。
欺诈预防机制： 为了应对数据可用性委员会（DAC）作恶的情况，Validium通常会设计欺诈预防机制。 例如，如果DAC拒绝提供交易数据，用户可以通过主链上的机制强制DAC提供数据，或者回滚到之前的有效状态。这些机制保障了用户资金的安全性。
权限控制： 与ZK-Rollups不同，Validium通常依赖于一组被信任的实体（数据可用性委员会）。 这些实体负责维护数据可用性，也可能参与交易验证或其他关键操作。 因此，Validium在权限控制方面需要仔细设计，以确保系统的安全性和可靠性。
1. 链下交易执行： 用户通过特定的Validium客户端进行交易。这些交易会被批量处理，并由Validium运营者（Operator）执行。类似于ZK Rollup，Operator负责将大量的交易数据打包成一个批次。 2. 零知识证明生成： Operator随后会生成一个简洁的零知识证明 (通常是SNARK或STARK)，该证明能够验证这一批次链下交易的状态转换是有效的，即证明所有交易都符合既定的规则和逻辑，没有发生欺诈行为。重要的是，证明的生成不需要透露任何关于单个交易的敏感信息。 3. 链上状态更新： 只有这个证明，以及对状态根的更新，才会被发布到以太坊主链上的Validium合约。状态根代表了Validium链的当前状态，包含了所有账户余额和智能合约状态的哈希值。通过验证这个零知识证明，以太坊主链可以确信链下状态转换的有效性，而无需重新执行所有交易。 4. 数据可用性保障： 这正是Validium与ZK Rollup最显著的区别所在。Validium的交易数据，并非像ZK Rollup那样直接发布到以太坊链上，而是存储在链下的数据可用性层。这个数据可用性层可以是：- 数据可用性委员会 (DAC): 一个由多个受信任的实体组成的委员会，每个实体都存储完整的交易数据副本。如果Operator试图作弊，任何一个DAC成员都可以通过提交数据到链上来揭露欺诈行为，从而保障用户的资产安全。
- Validity Proofs + Data Availability Oracle: 一些更高级的Validium方案可能会使用一种特殊的预言机来证明数据可用性。这个预言机可以通过多种方式来实现，例如提交数据的哈希值到链上，并承诺在需要时提供完整的数据。
Validium的优势
- 更高的交易吞吐量： Validium架构通过将交易数据存储在链下，极大地提高了交易处理能力。相比之下，ZK Rollup需要将压缩后的交易数据发布到以太坊主链，而Validium则避免了这一步骤，因此可以实现更高的交易吞吐量。 这种链下数据存储的方式也显著降低了Gas费用，使得用户能够以更低的成本进行交易，从而提升了用户体验。 具体来说，Validium通常会采用有效性证明（Validity Proofs）机制，例如SNARKs或STARKs，来确保链下状态转换的正确性，并将这些证明提交到链上进行验证。
- 更低的数据存储成本： 以太坊主链上的数据存储成本非常高昂，这对于大规模的应用来说是一个巨大的负担。Validium通过将交易数据存储在链下，例如使用去中心化存储网络或数据可用性委员会（Data Availability Committee, DAC），可以显著降低数据存储成本。 这种方式不仅降低了运营成本，也为需要处理大量数据的应用程序（例如游戏、社交媒体等）提供了更经济可行的解决方案。 链下数据存储通常需要配合适当的数据可用性保证机制，以确保在需要时可以检索到数据，例如通过激励机制鼓励数据存储者长期保存数据。
- 更好的隐私性： Validium技术栈可以集成更先进的隐私保护技术，例如零知识证明（Zero-Knowledge Proofs），来实现更高级别的交易隐私。 这些技术允许用户在不泄露任何敏感信息的情况下证明交易的有效性。 例如，用户可以使用零知识证明来隐藏交易金额、交易双方的身份等信息，从而保护用户的隐私。 Validium还可以结合其他隐私保护技术，例如同态加密、安全多方计算等，来进一步提升隐私保护能力。 隐私保护的增强对于金融应用、投票系统等对隐私有较高要求的场景尤为重要。
Validium 的挑战
- 数据可用性层面的信任依赖： Validium 方案的安全性核心在于数据可用性层 (Data Availability Committee, DAC) 的可靠性。用户必须信任 DAC 或其他数据可用性预言机能够忠实地存储交易数据，并按需提供。这意味着用户需要依赖 DAC 成员的诚实性和技术基础设施的稳定性。如果 DAC 成员串通进行恶意行为，例如拒绝提供数据，或者数据可用性预言机出现故障或遭受攻击，用户将可能无法访问或转移自己的资产，从而面临潜在的资金损失风险。数据可用性问题是 Validium 安全模型的关键薄弱环节。
- 技术实现的复杂性： 相较于其他 Layer 2 扩展方案，例如 Optimistic Rollups 或 ZK-Rollups，Validium 的实现通常更为复杂。它需要更加精巧的密码学技术和更高级的工程技术来实现链下数据的安全存储和验证。这种复杂性不仅提高了开发成本，也增加了潜在的漏洞风险。复杂的系统通常更难以审计和维护，这可能会对 Validium 网络的长期安全性和稳定性构成挑战。
- 数据恢复过程的延迟： 在发生数据不可用事件，例如 DAC 发生故障或遭受攻击，需要进行数据恢复时，用户可能需要等待一段时间才能成功取回属于自己的资产。这个等待时间取决于数据恢复机制的设计和执行效率。较长的恢复时间可能会对用户体验产生负面影响，尤其是在市场波动剧烈或用户急需资金的情况下。快速且可靠的数据恢复机制是 Validium 方案需要解决的关键问题。
- 潜在的中心化风险： 尽管 DAC 由多个实体共同组成，旨在分散风险，但如果 DAC 成员的数量相对较少，或者这些成员之间存在某种形式的集中化（例如，地理位置过于集中、隶属于同一家公司或存在共谋关系），那么 Validium 网络仍然会面临一定的中心化风险。少数几个 DAC 成员的恶意行为或技术故障可能会导致整个网络的数据不可用，从而影响用户的资产安全。因此，确保 DAC 的去中心化程度对于 Validium 的安全至关重要。
- 监管环境的不确定性： 由于 Validium 将交易数据存储在链下，这种模式可能面临监管方面的挑战。监管机构可能会对链下数据的存储、访问和审计提出要求。由于不同司法辖区的监管政策存在差异，Validium 方案可能需要适应不同的监管环境。对于 Validium 项目来说，理解和遵守相关监管规定是至关重要的，这有助于确保项目的合规性和可持续发展。
Validium的应用场景
Validium凭借其独特的架构优势，在多个领域展现出强大的应用潜力，尤其适合对交易速度、成本效益以及数据隐私有较高要求的场景。
- 去中心化交易所 (DEX)： Validium能够显著提升DEX的性能，降低交易手续费。 通过将交易验证移至链下，DEX可以处理更高的交易吞吐量，同时利用链上数据可用性保证资产安全。 这对于高频交易和需要快速确认的交易对尤为重要，促进更流畅的交易体验。
- 区块链游戏： 区块链游戏通常需要处理大量的链上交易，如游戏内物品交易、角色属性更新等。 Validium 的高吞吐量和低延迟特性使其非常适合支持这类游戏，能够保证游戏的流畅性和响应速度。 通过 Validium，开发者可以构建更复杂、更具沉浸感的游戏体验，而无需担心区块链的性能瓶颈。 Validium还允许在链下处理部分游戏逻辑，进一步降低链上拥堵。
- 支付系统： Validium可以构建快速且经济高效的支付系统，尤其适用于小额支付和跨境支付。 低廉的交易成本使得微支付成为可能，并能有效降低跨境支付的手续费。 相较于传统的支付系统，Validium支付系统拥有更高的透明度和安全性，同时减少了中间环节，从而提升了支付效率。
- 企业级区块链应用： 企业级应用通常涉及敏感数据和复杂的业务逻辑。 Validium 提供了数据隐私保护机制，允许企业在链下处理敏感数据，并将结果以简洁的证明形式提交到链上。 这种方式既保证了数据的隐私性，又利用了区块链的不可篡改性和透明性。 Validium 非常适合供应链管理、身份验证和数据共享等企业级应用，助力企业构建安全、高效的区块链解决方案。
举例说明
假设Alice希望在一个基于Validium的去中心化交易所 (DEX) 上进行加密货币交易。 Validium 提供了一种链下扩展解决方案，能够显著提高交易吞吐量并降低交易成本，同时保持与以太坊主网的安全性。
- Alice 使用交易所提供的 Validium 客户端发起一笔交易请求。该客户端负责将交易信息进行格式化，并将其发送给 Validium 网络的 Operator。
- 交易所的 Operator 接收到 Alice 的交易请求后，会将其与来自其他用户的多笔交易打包成一个批次。 Operator 负责维护链下状态，执行交易，并生成相应的零知识证明。
- Operator 利用计算资源生成一个简洁的零知识证明，该证明以密码学的方式证明了该批次交易的状态转换是有效且正确的，而无需披露具体的交易细节。 这个证明是 Validium 安全性的核心。
- Operator 将生成的零知识证明以及更新后的状态根 (state root) 发布到以太坊主链上的 Validium 合约。状态根是链下状态的密码学承诺，用于验证链下状态的完整性。
- Alice 的具体交易数据，以及其他用户的交易数据，会被存储在一个链下数据可用性委员会 (DAC) 中。DAC 负责确保交易数据的长期可用性，并防止数据丢失或篡改。
- Alice 可以通过 Validium 浏览器或客户端，在 Validium 链上查看自己的交易记录。由于状态根已经发布到以太坊主网，因此 Alice 可以确信她的交易已经被正确处理。
- 如果 Operator 试图作弊，例如发布无效的状态转换，任何一个 DAC 成员都可以通过提交存储在 DAC 中的原始交易数据到以太坊主链上的 Validium 合约来揭露欺诈行为。这种机制允许社区对 Operator 的行为进行监督，从而保障 Alice 的资产安全，并确保 Validium 网络的诚实运行。 Validium 合约会自动回滚到之前的有效状态，惩罚作弊的 Operator。
