德林资本研究院：以太坊扩容Layer-2 Rollup扩容方案探讨

2020 年 5 月，以太坊网络出现了所谓的“黑色星期四”：以太坊变得过于拥挤，以至于 MakerDAO 无法按预期工作。 在这种情况下，不同的参与者可以竞标“抵押不足的资产”，这意味着一个参与者可以以 0 美元的价格竞标价值 450 万美元的 ETH。 MakerDAO 的崩溃向我们展示了可扩展性不足的后果。

正如“黑色星期四”所证明的那样，这种由以太坊拥堵造成的安全威胁在今天已经成为一个非常严重的问题。 ) 为了解决可扩展性问题，这些解决方案本质上是使用区块链作为信任锚。

Layer 2 扩展技术将交易迁移到链下（与 Layer 1 扩展技术相反以太坊地址是指，它增加了底层链的交易吞吐量）。 如果构建了 Layer2 扩展解决方案，则可以利用区块链的许多优势（安全性、不变性、去中心化等），并且需要更少的权衡和假设。

过去几年以太坊的两个主要扩容方案是侧链（又名 Plasma）和状态通道（一种更通用的支付通道版本，已在比特币网络上存在多年）。 近期，Rollup 方案备受关注，基于 Rollup 的 Layer 2 项目也取得了长足的进步。 上一期德林研究院给大家介绍过。 本期的主题是在理解Layer 2的基础上，谈谈目前以太坊社区流行的Rollup扩容方案。

首先，什么是Rollup？

Rollup 是一种类似于 Plasma 的 Layer 2 扩容方案，它借鉴了 Plasma 的很多概念。 Rollup 在某种意义上类似于 Plasma，通过将交易从链外迁移到受主网保护的 Layer 2 侧链（即 Layer 1）来扩展以太坊。 两种扩展方案都将智能合约部署到主网，其中包含存入侧链的所有资金和侧链当前状态的证明。 侧链用户和运营商维护侧链并确保将有效的状态转换提交给主网合约。

Rollup的概念最早可以追溯到2014年，被以太坊联合创始人Vitalik Buterin称为“Shadow Chain”，即影子链。 Plasma 和状态通道等解决方案的失败导致开发人员重新审视 Buterin 的影子链（现称为 Rollup）。 虽然 Plasma 和状态通道可以扩展到每秒数百万笔交易，但它们与那些 DeFi 相关应用程序中的智能合约不兼容。

Rollup 建立在“影子链”的思想之上，通过强制执行链下状态和仅使用以太坊区块链来实现数据可用性。 Rollup的区块发布或者状态更新只是通过tx CALLDATA向主链发布每笔交易的部分数据，提高了吞吐量，克服了侧链的数据扣留攻击问题。

Rollup 有两种类型：Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。 他们在确保侧链区块有效性的方法上有所不同。 对于 Optimistic Rollup，有效性通过欺诈证明和同步假设来保证，而对于 ZK Rollup，有效性通过零知识证明来保证。

什么是 Optimistic Rollup？

OptimisticRollup 的思想最早由 John Adler 于 2019 年 7 月在以太坊基金会研究论坛上提出，Optimistic Rollup 更接近影子链最初的思想轮廓。 致力于 Optimistic Rollup 的团队包括 Optimism（前身为 Plasma Group）、Fuel Labs、Arbitrum 等。

在 Optimistic Rollup 中，有两个主要参与者：Aggregators（收取网络费用）和 Validators（其激励类似于比特币的全节点）。 它可以提供近乎即时的交易和智能合约，并且不需要汽油费（不包括聚合器收取的费用）。 使用现有的 ECDSA 签名，Optimistic Rollups 启用的交易速度约为 100 tps。 如果将签名方式改为BLS，交易速度可以提升到500tps。

Optimistic Rollup 是指它使用了以太坊乐观虚拟机（OVM），从技术上讲，它是以太坊虚拟机（EVM）的集成，它基于 Layer 2 数据状态预测进行 Layer 1 的“乐观”状态。 我们可以这样理解：在Optimistic Rollup Layer2链上，用户有一台机器（OVM）来处理交易和智能合约，所有的日常操作都在Layer2机器上进行； 在以太坊 Layer1 链上，用户拥有一台 OVM 相同的 OVM 机器，但除非发生紧急情况，否则不会使用它。 如果有人认为Layer2 OVM操作是欺诈，他可以在Layer1 OVM计算机上重新运行操作来证明操作的真实性。 要成为 Optimistic Rollup Layer 2 节点，用户 (A) 必须将部分资金锁定在 Layer 1 智能合约中（成为“债券聚合器”），如果用户 (A) 表现不佳，其他用户 (B) 最终证明用户（A）的操作存在欺诈行为，用户（A）的押金将被扣减，用户（B）将获得与扣减金额相等的押金作为奖励。

Optimistic Rollup 可以支持简单的支付和复杂的智能合约，并且现有的大部分代码库都可以很容易地移植到 Optimistic Rollup 上，因此 Optimistic Rollup 被认为是一种直接的解决方案。 另一方面，将智能合约从以太坊主链无缝迁移到 ZK Rollup 相对难度更大。

什么是 ZKRollup？

简而言之，ZK Rollup 是一种 Layer2 扩容解决方案，其中所有资金由主链上的智能合约持有，同时进行链下计算和存储，并通过零知识证明验证其侧链的有效性。 确保。

ZK Rollup 最初由 Barry Whitehat 于 2018 年提出，其安全保障与底层 Layer1（即以太坊）相同，可在一分钟内出块，将吞吐量提升至 2000 tps。 ZK Rollup 实现的项目包括 Matter Labs 和 Starkware。

ZK Rollup 没有等待两周来完成影子链中的一个区块，而是用零知识证明取代了欺诈挑战。 账户和余额由单独的 Merkle 树表示。 这些 Merkle 根确保没有人可以伪造数据。 每棵 Merkle 树的根（一个用于账户，另一个用于余额）存储在以太坊上的智能合约中，该合约仅提供侧链状态的“简单表示”，所有其他数据都存储在链外。

ZK Rollup 就像你在与构建区块和状态更新的人（称为中继器）交谈。 状态变化经过哈希处理，是SNARK（一种零知识证明）的输入过程，包含了Rollup块中每笔交易的有效性证明。 交易被聚合，只有头部被签名并提交到主链。 因此，减少了存储在以太坊链上的数据量。 所有签名都被称为 ZK-SNARKs 的零知识证明所取代，它允许压缩聚合交易记录。

计算也得到了改进，因为每个签名的验证都被单个 SNARK 代替了。 只有一小部分信息（地址簿的两个 Merkle 根和 balance/nonce，都是 32 字节）被添加到主链上，它们只代表通过 CALLDATA 发布在链上的交易数据的一小部分。 提交块或状态更新后，用户可以验证零知识证明的有效性。 如果具有挑战性的交易告诉智能合约某些数据不正确，则该区块最终将无效。

这些挑战被 ZK Rollups 中的 ZK-SNARKs 取代，其中无效或不正确的状态是不可能提交的。 SNARK 证明这一系列交易被所有者正确签名，账户余额从旧 Merkle 根更新到新 Merkle 根是正确的。 因此，中继者不可能提交无效或被操纵的状态。

ZK Rollup 将 ZK SNARK 证明提交至主网 Rollup 合约。 然后主网智能合约将验证并接受任何有效证明。 这个过程几乎是瞬间发生的，而且是大规模的。 相比之下，Optimistic Rollup 总会牺牲一些可扩展性来适应 Layer 2 上的智能合约，其流程也会略有延迟，以便用户有时间挑战 Bond Aggregator 的无效区块。

因此以太坊地址是指，从长远来看，ZK Rollup 也被认为是一个更有前景的解决方案。 虽然这种扩容技术确实可以补充 Optimistic Rollup 以实现简单的支付，但已经有一些 Dapps 使用了这种技术（例如 LoopRing），并且在实现智能合约支持方面也取得了进展。

Rollups 对以太坊有很大的潜力，但仍有许多挑战需要克服。 Rollup 的挑战在于 DeFi 服务器的可组合性。 如果不同的 Rollup 链上有不同的 Dapp，那么不同 Rollup 链之间的信息交换会比以太坊主链上的信息交换更困难。 为了保持可组合性，DeFi 服务器必须协调并在特定 Rollup 链上创建临界质量。 虽然在以太坊应用程序中有采用 Rollup 的良好迹象，但区块链网络的“无许可”性质意味着并非每个用户或服务器都会采用这些第 2 层解决方案。

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