ROL:歐易OKEx研究院：全面解析以太坊二層擴容方案 Rollup 發展歷史與原理機制

原文標題：《歐易OKEx研究院：以太坊中場戰事---Rollup的實與虛》

撰文：歐易OKEx研究院

自以太坊誕生以來，其低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且Gas費用高漲，嚴重地限制了以太坊生態的發展。為此，以太坊擴容問題一直被市場所關注，在DeFi大爆發的背景下，側鏈、狀態通道、Plasma等Layer2擴容方案都無法滿足市場的要求，Rollup成為了時代的寵兒。

當然，Rollup并不是一種純粹的Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2的混合體：數據在鏈下進行計算并打包壓縮，隨后鏈上進行存儲。此外，為了解決數據的真實性和有效性，保障資產安全，Rollup推出了使用「有效性證明」的ZK-Rollup，以及沿用Plasma「欺詐證明」的OptimisticRollup。

綜合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup各有優劣，ZK-Rollup適用于支付、交易等非合約領域，成本低且速度快；而OptimisticRollup因為OVM的存在，目前適用于智能合約應用領域；但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM，未來ZK-Rollup可能會取代OptimisticRollup。

但是，Rollup的擴容上限取決于區塊Gas消耗量的上限，因此只能成為以太坊在未來短中期的擴容方案，以解決DeFi生態的燃眉之急，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰仗以太坊2.0分片技術的順利實現。

不過值得注意的是，Rollup協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。可以預見的是，Rollup項目發行的代幣將具有巨大的投資潛力。

經過近兩年的蟄伏，以太坊的Rollup擴容方案終于走到了要開花結果的黎明前夕：今年2月，Optimism宣布完成了A輪融資，并將于三月上線主網；來自MatterLabs的ZkSync，其主網也于去年上線，并將在今年推出支持圖靈完備的智能合約；此外，另一個受行業矚目的Rollup方案---Arbitrum，也將于今年上線主網。

《富爸爸窮爸爸》作者：加息將使股市和美元崩盤:金色財經報道，《富爸爸窮爸爸》作者Robert Kiyosaki對全球經濟狀況發出警告，稱美國聯邦儲備委員會的決定是即將到來的市場崩盤的催化劑。

Kiyosaki批評美聯儲加息的舉動，稱這將導致股票、債券、房地產和美元的下跌，同時警告下一次金融危機將源于衍生品市場。在這方面，清崎堅持認為美元可能會崩潰并失去其作為世界儲備貨幣的地位。他建議比特幣以及黃金和白銀等貴金屬是抵御不斷上升的通脹壓力的寶貴資產。[2023/3/27 13:27:55]

表1.Rollup方案進展情況，資料來源：歐易OKEx研究院

在Rollup夜盡天明之時，市場也對其充滿了期待與追捧。但從實際情況看，很多投資者和以太坊用戶對Rollup的認知并不清晰，不過在總體上達成了共識：Rollup很重要，是以太坊的未來。

這句話的前半部分是對的，Rollup對當前的以太坊而言，確實是重要的；但后半部分卻是不準確的，Rollup并不是以太坊的未來。更切確地說，Rollup只代表了以太坊的中短期擴容方案，是以太坊解決網絡擁堵問題的中場戰事，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰仗以太坊2.0分片技術的順利實現。

想要正確地理解、預測Rollup的未來，把握其中的財富機會，我們還需要從Rollup的歷史脈絡、原理機制方面進行剖析。

以太坊的擴容戰爭和Rollup的崛起

自以太坊誕生以來，其低效的性能就不斷受到市場的病垢：以太坊網絡的TPS約為15筆/秒，而Visa網絡則是2000筆/秒，雙十一期間支付寶更是達到50萬筆/秒。低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且Gas費用高漲，尤其是在2017年的大牛市，以及自2020年興起的DeFi浪潮期間這一現象尤為突出，嚴重地限制了以太坊生態的進一步發展。

圖1.以太坊網絡日均交易筆數和Gas消耗量變化，資料來源：Etherscan，歐易OKEx研究院

Bybit將從12月15日起更新并強制執行KYC驗證:12月9日，據官方公告，從12月15日起，加密貨幣交易所 Bybit 將要求一鍵購買加密貨幣、法幣存款和 P2P 交易；NFT 購買；NFT 市場充值（12月30日）需要進行 KYC 驗證，12月20日起無 KYC 用戶的每日提幣額度也從 2BTC 改成小于 20K USDT。[2022/12/9 21:34:20]

解決區塊鏈網絡的擁堵，提升公鏈的可擴展性，逐漸成為行業關注的重點。各種區塊鏈的擴容方案也紛至沓來，主要包括兩大類：

鏈上擴容方案，也叫Layer1方案，主要通過提高區塊鏈本身的交易容量來實現擴容。常見的Layer1方案有增大區塊容量，隔離見證，分片技術。

鏈下擴容方案，也叫Layer2方案，主要通過第二層協議在鏈下執行大部分交易，以降低成本提高效率。目前主流的Layer2方案包括狀態通道、側鏈、Plasma。

圖2.區塊鏈擴容主要方案，資料來源：歐易OKEx研究院

在以太坊發展早期，人們普遍認為側鏈技術是解決區塊鏈擴容問題的最佳方案。所謂側鏈，即平行于主鏈的另一條獨立的區塊鏈，通過將部分交易以托管的方式轉移到側鏈，以此實現主鏈擴容，但這帶來兩個嚴重問題：首先，側鏈上的資金安全得不到保障，一旦黑客控制住了某條側鏈，就可以將側鏈上的資金盜走；其次，側鏈不能保證數據的可得性，只要黑客控制了側鏈，就可以拒絕分享底層交易數據，對主鏈安全性造成重大打擊。

圖3.側鏈技術方案原理，資料來源：歐易OKEx研究院

為了解決側鏈存在的問題，并實現以太坊擴容，以太坊創始人Vitalik在2017年推出了名為「Plasma」的Layer2擴容方案。Plasma的特別之處在于設計了一套欺詐證明機制：Plasma將特定的底層數據發送給用戶自己進行保管，解決了數據可得性問題；此外，Plasma有一個「退出期」設計，即便黑客取得側鏈的控制權并嘗試取款時，任何用戶都可以在「退出期」內提交證據來進行挑戰，如果挑戰成功，任何人都不能提取這筆資產，并且運營方也將被罰款，由此保證了數據的真實、有效和準確性，解決了資金安全性問題，。

跨鏈協議Multichain集成NEAR協議，初始流動性超過3000萬美元:12月1日消息，跨鏈互操作性協議Multichain宣布已集成NEAR協議，NEAR端和EVM鏈端之間的合并初始流動性目前超過3000萬美元，其中約有2100萬美元USDC、950萬美元USDT和20萬美元wBTC。USDC和USDT現在可以在NEAR和EVM鏈之間輕松橋接。[2022/12/1 21:15:58]

然而，Plasma解決了側鏈的問題，卻產生了新的問題：首先，用戶必須每兩周上線一次，以實現對Plasma鏈的監控，否則錯過了「退出期」，黑客就可以取出資產；其次，用戶必須自己保存底層交易數據，以保證數據的可獲得性，但卻給用戶帶來巨大的存儲成本。因此，Plasma對用戶并不友好，體驗極差。在2018年的大熊市背景下，曾經被以太坊社區基于厚望的Plasma方案也逐漸被拋棄。

事實上，即便沒有2018年的大牛市，Plasma也難以適應以太坊生態的發展---從2019年開始，DeFi逐漸興起，以Uniswap為代表的AMM更是成為其中的佼佼者。對于Uniwap上的流動性提供者而言，其存放在交易池中的資產，很容易發生改變，不可能滿足Plasma方案中對LP每次交易時都進行挑戰驗證的要求。事實上，大量的DeFi協議都可以在不經用戶同意下改變賬戶狀態，因此Plasma在DeFi時代是注定沒落的。

圖4.Layer2擴容方案的演化發展，資料來源：歐易OKEx研究院

同樣地，狀態通道也存在側鏈和Plasma面臨的問題：狀態通道不能代表那些邏輯上沒有明確所有者的對象(如Uniswap)，需要對象都是明確的資產所有者。

因此，在DeFi對于以太坊生態越來越重要的今天，無論是狀態通道、側鏈，還是Plasma，都無法滿足以太坊的現實需求。與其說是V神對Rollup起到了決定性的推動作用，不如說是時代選擇了Rollup。那么Rollup的特殊之處在哪呢？

Maverick AMM已上線測試網，允許LP選擇價格方向以避免無常損失:9月17日消息，Maverick AMM宣布于近期上線測試網。據悉，Maverick AMM首創Directional LPing的新型AMM概念，允許LP選擇方向并在選擇正確的情況下獲得超額回報，避免無常損失。[2022/9/17 7:03:02]

Rollup原理解析

在解析Rollup之前，我們不妨了解Plasma的擴容方式：在鏈下，由Plasma運營者將等待批量處理的交易匯總起來，生成一個梅克爾樹，樹中每個葉子可以代表一筆交易資產的信息，如果沒有交易，則葉子值為0。隨后，Plasma將梅克爾樹的樹根發送給主鏈上鏈，同時將梅克爾樹的分支發送給用戶保管。

因此，主鏈實際上只保存了梅克爾樹根的哈希值，而通過梅克爾樹根的引索，可以找到分支葉子中的具體交易信息，但這些具體的交易信息，而是由用戶在鏈下存儲，因此節省了鏈上區塊大量的空間，實現了主鏈的擴容。

圖5.Plasma擴容原理，資料來源：Plasma白皮書，歐易OKEx研究院

但正如前面所言，由用戶在鏈下保存具體的交易信息，在數據可用性上打了折扣，也不適用于DeFi應用。為此，以太坊社區提出了一種新方案：將交易數據壓縮并放在鏈上，這就是Rollup方案。

具體而言，Rollup將交易數據進行壓縮編制成梅克爾樹，并存儲在鏈上；同時在智能合約中保存梅克爾樹的樹根。Rollup的運營方可以將發布一批匯總交易，該交易即壓縮過的交易集合，而且包含之前的狀態根和新狀態根(處理交易之后的新梅克爾樹根)。智能合約會對狀態根進行檢查并更新，由此實現資產的轉移。

當然，從上我們可以看出，Rollup并不是一種純粹的Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2的混合體：數據在鏈下進行計算打包，但在鏈上進行存儲。因此將Rollup稱為半鏈下擴容或semi-layer2方案更為合適。

Celsius第三次破產聽證會沒有解決任何問題:金色財經報道，周四加密貨幣貸方Celsius Networks的破產聽證會召開，三小時的聽證會的大部分內容都集中在托管賬戶持有人是否應該能夠取回他們的資金，以及哪些類型的托管賬戶持有人符合條件。

Celsius客戶認為，任何托管賬戶持有人，即任何將資金存入托管賬戶但保留資產所有權的客戶，而不是期望某種收益或收益的賺取和借入客戶都應該收到他們的資金。Celsius堅持認為，只有“純”托管賬戶持有人才有資格，而不是最初將資金存入Earn產品并隨后轉換為托管的客戶。

根據美國法律，在Celsius申請破產前 90 天轉移的資金可能會受到追回。目前紐約南區破產法院的馬丁·格倫法官沒有對此事作出裁決。[2022/9/2 13:03:59]

圖6.Rollup擴容原理，資料來源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，歐易OKEx研究院

用一個形象的比喻，現在我們要保存很多電影，Plasma類似于我們將電影存儲在電腦上，然后只在U盤上保存一個目錄文件，根據這個目錄文件的指引，我們可以方便地找到任何一部電影在電腦中的位置；而Rollup的方法則是先將電影進行壓縮，隨后再全部保存到U盤中。這樣一來，我們就可以在U盤中存儲更多的電影。

那么Rollup是如何實現壓縮的呢？---主要是對交易的參數進行壓縮，主要包括Nonce，Gasprice，Gas，To，Value，Signature，如下表所示：

表2.Rollup壓縮方式，資料來源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，歐易OKEx研究院

在過去，一筆交易需要占用112字節的存儲空間，現在只需要12字節的空間，一個字節大約花費16Gas；而在以太坊上，Gas上限是1250萬，我們假設Rollup需要花費50萬Gas，那么在Rollup上，其交易處理能力是：

/每字節的Gas消耗量/一筆交易字節數/出塊時間=/16/12/14=4464筆/秒

目前在以太坊上進行一次轉賬需要消耗約21,000Gas，這意味著如果全部用來轉賬，那么以太坊的最大交易處理能力為：區塊Gas消耗量上限/單筆轉賬Gas消耗量/出塊時間=12,500,000/21,000/13=45筆/秒

這意味著Rollup在轉賬場景下降以太坊的TPS提升了100倍。同樣地，根據Vitalik的計算，在ERC20轉賬、Uniswap運用場景，可實現同條件下以太坊TPS擴展100-400倍。

前面的分析一直很順利，但我們忽略了一個與側鏈技術類似的重要問題：如何防止Rollup運營方偽造數據進行盜取資產呢？以太坊社區提出了兩個方案：使用「有效性證明」的ZK-Rollup，以及沿用Plasma「欺詐證明」的OptimisticRollup。

ZK-RollupVSOptimisticRollup

首先我們看實現有效性證明ZK-Rollup方案。ZK-Rollup即采用ZK-SNARK來保證交易的安全性。

"零知識證明"是由S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff在20世紀80年代初提出，指證明者能在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。

一個經典的例子：有一個缺口的環形長廊，出口和入口距離非常近，但走廊中間某處有一道只能用鑰匙打開的門，Alice要向Bob證明自己擁有該門的鑰匙。采用零知識證明，則Bob看著Alice從入口進入走廊，然后又從出口走出走廊，這時Bob沒有得到任何關于這個鑰匙的信息，但是完全可以證明Alice擁有鑰匙。

圖7.零知識證明案例，資料來源：歐易OKEx研究院

從上我們可以看出，ZKP具有計算的不對稱性。在ZK-Rollup的方案中，由Rollup運營方投入大量資源以執行ZK-SNARK計算并放在匯總交易中，而智能合約可快速低成本低證明交易安全性。因此ZK-Rollup有諸多好處：能在保護隱私的同時簡潔快速地驗證數據的真實有效性；但其缺點是計算量大，技術難度高且難以支持虛擬機。

在前面的Plasma方案中，我們已經介紹過其設計的「欺詐證明」機制，可實現交易數據的真實、有效和準確性，保證了資產的安全。OptimisticRollups正是沿用了該機制：這類Rollup會追蹤所有歷史狀態根以及每個batch的哈希值。如果任何人發現某個batch的后狀態根不正確，都可以向區塊鏈發布一個證明，證明該batch計算錯誤。智能合約會對證明進行驗證，并且對該batch及其之后的batches進行回滾。

Optimistic選擇了Plasma的欺詐證明機制，即意味著有像Plasma一樣漫長的「退出期」，這極大地降低了資金的利用效率，但好消息是，隨著DeFi生態的成熟，可以有大量的流動性提供者為用戶在「退出期」內提供資金，可有效解決資金利用抵消的問題。此外最重要的是，OptimisticRollup也繼承了Plasma的OVM，這意味著可在OptimisticRollup網絡部署兼容以太坊EVM的智能合約，這一點對DeFi尤為重要。

表3.ZK-Rollup和OptimisticRollup性能對比，資料來源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，歐易OKEx研究院

綜合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup各有優劣，ZK-Rollup適用于支付、交易等非合約領域，成本低且速度快；而OptimisticRollup因為OVM的存在，目前適用于智能合約應用領域；但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM，未來ZK-Rollup可能會取代OptimisticRollup。

Rollup的未來與財富機遇

從上面我們可以看出，相較于其他Layer2方案，Rollup能更好地保證數據的安全性和數據的可得性，然而Rollup真的是以太坊的未來嗎？

并不是，從Rollup的擴容方案可以看出：區塊Gas消耗量的上限即是Rollup方案的上限。這類似于早高峰時乘坐地鐵，為了使地鐵車廂能裝更多的人，我們可是再擠更多的人進車廂。然而，再怎么壓縮，也是有上限的。在未來隨著區塊鏈應用的不斷發展，我們僅僅會為了最多擴容100倍而滿足嗎？所以從長期看，以太坊擴容的未來還是取決于以太坊2.0分片技術的順利實現。

然而，根據以太坊官方的規劃，以太坊2.0分片的實現可能要等到2030年了。但即便在目前，由于DeFi的大熱，以太坊早已擁擠不堪，Gas費高企。幾年前的狀態通道、Plasma等Layer2方案無法滿足DeFi的要求，分片技術又是一個遙遠的目標。正是「往者不可諫，來者也不可追」，Rollup自然而然成為了在短中期應對以太坊擴容方案的最佳方案，成為邁向以太坊2.0的中場接力手。

當然，Vitalik主推Rollup的另一個原因在于：Rollup協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。

先談經濟價值，Rollup可以緩解以太坊的擁堵，降低Gas費。節約出來的成本，其中的部分就可以轉化為Rollup協議的收入，并具有經濟上的可持續性。

那么Rollup為什么可以捕獲價值呢？這與Rollup的特殊性有關：數據放在主鏈上，僅僅是在鏈下進行數據計算。這種介于Layer1和Layer2的混合方案，使得Rollup成為主鏈上一個特殊Dapp應用，因此Rollup項目是可以在主鏈上發行基于該Rollup協議的代幣，能通過代幣來捕獲協議的價值。

可以預見的是，在未來幾個月Rollup大爆發后，將會有眾多Rollup發行項目代幣，那些愿意將協議經濟價值附著在代幣上的項目，其代幣將具有很大的投資潛力。

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