以太坊重要擴容方案: Optimistic Rollup現狀報告(中)

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完整的 EVM: Layer 2虛擬機

為了使 Layer 2 智能合約計算保持無需信任，必須有一個備用方案，即以某種形式在 Layer 1執行這種計算。由此可見，ORU 支持完整的 EVM，Layer 2 需要自己的虛擬機，該虛擬機可在 EVM 基本層中執行，為此高性能的創建實現并非易事。簡而言之，EVM 的設計初衷并非旨在自身運行。您可以從 EIP 中了解到其中的一些挑戰，它也討論了修改 EVM 以直接合并此功能的可能性，以及 Kelvin Fitcher 在 Plamsa 中對這一問題的概述。

因此，所有五個完整的 EVM 項目都為 Layer 2 執行創建了自己的 EVM 修正版本。為了確保欺詐證明的可靠性和可預測性，VMs 的執行必須是確定性的；即，在證明時必須能夠準確再現最初發現欺詐的情況。 因此，非確定性操作必須完全修改或刪除，例如，檢查區塊高度，難度和時間戳。同樣，用于合約創建或銷毀的操作碼也需要刪除，因為這種邏輯是特殊的。因此，在部署到 ORU 鏈之前，ORU 上 Layer 1 的合約可能需要對 Solidity 代碼進行一些小的修改。

欺詐證明  

所有完整的 EVM ORUs 在如何促進欺詐證明方面都具有一些基本的共性：定期排序并提交 ORU 鏈的狀態，計算操作的哈希值也是如此，包括執行狀態轉換。（在所有實踐中，生成和驗證state-root的提交責任都落在了運營商身上，而不是用戶身上）。欺詐證明在某種程度上使用了這些數據來表明，所提交的步驟實際上并未正確地將初始狀態轉換為最終狀態。 

V神發布新版以太坊發展路線圖:11月5日消息，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin在社交媒體發布新版以太坊發展路線圖，其中主要變化包括：1、合并已經完成，不僅僅是關于“verkle trees”，也關于“驗證”，結論是“完全SNARK”的以太坊；2、新增“The Scourge”，確保可以和公平可信的中立交易、解決MEV問題；3、作為第2階段合并程碑的單時隙確定性（single-slot finality）。[2022/11/5 12:19:55]

完整的 EVM 實踐中主要區別在于它們處理這些欺詐證明的交互程度。 ORU 本質上必須包含足夠的呼叫數據，這樣可以立刻發現欺詐行為，并最終得到主鏈的共識。但是，執行此欺詐證明的過程因構造而異。

在單輪（有時，會被令人困惑地稱之為“非交互式”）欺詐證明方案中，欺詐總是可以在單筆交易中證明，也可以在單方的多筆交易中證明。這樣做的好處是可以立即“解決爭議”，沒有麻煩的載體，因此不需要欺詐證明人的保證金，而且操作簡單。在多輪欺詐證明中，欺詐是顯而易見的，但是欺詐證明者和區塊生產者之間需要幾個交互步驟。這樣做的好處是 Gas 成本更低（在某些情況下更低），鏈上數據成本也可能更低。

◎ 單輪欺詐證明

Nutberry，Optimism 和 Celer 的 ORU 都支持單輪欺詐證明。這就要求每筆交易都必須提交到序列化的后狀態根（post-state root）。在 Optimism 的模型中，Celer 也直接受到影響，如果檢測到欺詐，欺詐證明者會發布交易的初始狀態和最終狀態的時間（slot），并讓主鏈完全執行交易。（此流程與用于驗證以太坊區塊的無狀態客戶 stateless client 模型非常相似）。理想情況下，交易只需要最少的狀態時間（slot）即可證明欺詐。但是原則上，交易可能需要讀取大量狀態數據。如果欺詐證明需要大量數據和/或計算，很難將其放在主鏈區塊上，那么 Optimism 可將證明拆分為多個交易（請注意，這些交易仍由欺詐證明者提交。因此，從某種意義上來說，此額外步驟不符合“交互”的條件。）

以太坊信標鏈網絡驗證者總數量突破42萬:9月4日消息，據Ethereum官方網站最新數據顯示，以太坊信標鏈（TheBeacon Chain）驗證者總數量已突破42萬，截止目前為421,212個。此外，以太坊信標鏈網絡總質押量達到14,236,992枚ETH。按照當前ETH價格計算，信標鏈質押ETH總價值已超過221億美元。[2022/9/4 13:07:48]

Nutberry 的方法與此類似，但使用“門控計算（gated computing）”模型執行合約。智能合約被修補以包含檢查點（checkpoint）。 在此模型中，交易會提交多個更細化的中間狀態根，可能需要更多數據，但在較小的數據塊中執行欺詐證明。

◎ 多輪欺詐證明  

證明者需要與欺詐證明者之間進行多個步驟的交互才能決定多輪欺詐證明是否屬實。按照 ORU 的定義，關鍵是要發布足夠的數據，讓任何一個誠實的參與者或觀察者都可以從一開始就確定哪一方在說真話，從而預測了質疑期的結果。

在 Interstate One 的例子中，交易包含狀態根，且發布時提交 Merkle 根至對應執行的步驟，而不是提交至步驟本身。 從某種意義上說，這種提交是一種二級“optimistic”的假設。 只有驗證者提出問題時，操作員才會將 EVM 消息棧（stack）張貼在呼叫數據中，驗證者可以使用該信息簡要證明欺詐。 在最壞的情況下，此過程總共進行3輪，并且要求呼叫數據與所涉及的交易中的步驟數量成線性關系（與單輪欺詐證明相比，在所有情況下都需要線性數據）。

以太坊未確認交易為188,631筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易188,631筆，當前全網算力為707.15TH/s，全網難度為9.59P，當前持幣地址為65,450,110個，同比增加128,565個，24h鏈上交易量為1,861,338ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/10/20 20:41:25]

在互動性增強方面最先進的是 Offchain Labs 的 Arbitrum Rollup，可以最大程度地減少鏈上的足跡。 使用 Arbitrum，只有區塊，而非交易，需要提交狀態根。 與 Interstate 一樣，這些也包括了提交哈希值的計算。 如果雙方提出了相互矛盾的主張，則他們將進入爭端；在該爭端中，他們會交互式地找出無效執行的單個計算步驟（如果欺詐，原則上必須至少存在一個無效步驟）。

他們通過在棧（stack）中進行有效的二進制搜索直到欺詐已隔離：即，欺詐證明者通過棧（stack），在中途的一個點請求狀態哈希，然后將棧（stack）二等分并重復已知無效的一半。 此過程將不斷重復，直到只剩下一個無效的操作，然后在鏈上執行該操作。 因此，在最壞的情況下，此過程需要（n）個日志步驟（其中n是操作數），并且需要最少的 Layer 1 計算。

這種方法的一個令人驚訝的特性是，盡管爭議正在進行，但無需暫停系統的其余部分。用戶和區塊生產者可以繼續照常進行交易。可以將“爭議”視為可能性樹中的分枝。誠實的用戶可以驗證且確定哪一方是誠實的，并在此基礎上繼續發展，了解爭端最終將以何種方式解決。因此，爭議的持續時間不會讓系統的其余部分延遲。有關更多信息，請參見 How Arbitrum Rollup Works。

以太坊2.0客戶端Teku發布v21.10.0以及v21.10.1:官方消息，以太坊2.0客戶端Teku發布v21.10.0以及v21.10.1。v21.10.0主要更新包括升級Netty依賴以防止兩次潛在的 DOS 攻擊；支持對TCP和UDP使用不同的端口。v21.10.1用以修復v21.10.0中引入的Windows不兼容的問題。所有用戶都應確保他們至少運行v21.10.0，其中包括重要的安全修復程序。 v21.10.1是已經運行v21.10.0的用戶的可選更新。[2021/10/18 20:37:38]

應用特定的 Rollups

ORU 項目支持更受限制的功能，同時尋求圍繞更特定的案例進行優化：通證支付、去中心化交易、私人支付和大規模遷移。這四個協議都各不相同，也將分別進行探討。

◎ Fuel （“區塊鏈上的比特幣”）

Fuel 正在實施以支付為中心的、基于UTXO的ORU側鏈，其數據模型類似于比特幣。 這種設計需要平衡智能合約的一些功能，以利于實現簡便性以及更便宜的驗證和欺詐證明。 實際上，關于 Fuel 與完整 EVM ORU 的權衡，許多想法與比特幣與和以太坊的權衡相似。

與比特幣一樣，Fuel 鏈的狀態被隱式定義為所有未花費的交易輸出的集合；不需要狀態根序列化。 支持簡潔欺詐證明的模型與Greg Maxwell在2014年Greg Maxwell in 2014 最初為比特幣提出的模型相似（并在2019年由John Adler單獨再次發現and independently rediscovered by John Adler in 2019）; 交易與比特幣交易非常相似，但是包含一個額外的數據區，用于指定每個輸入的處理位置。 有了這個數據區，就可以在一個回合中用一個或兩個包含證明（inclusion proofs）來證明所有欺詐案件（雙重支付攻擊，虛假投入等）。 除了低成本的欺詐證明之外，UTXO模型還有望實現更高性能的驗證-更好的狀態訪問模式和并行空間（與同步完成的驗證EVM執行相比）。

動態 | 以太坊君士坦丁堡升級討論：分叉已經被推遲，但不會被取消:以太坊君士坦丁堡升級討論會正在直播中，與會者表示：分叉已經被推遲，它不會被取消，很可能只是不包含EIP。[2019/1/19]

Fuel 將使用一種模型來支持 ERC20 和 ERC721 傳輸，該模型可以反映比特幣彩色硬幣提案（colored coins proposal for Bitcoin）。 它還支持某些特殊的交易類型，包括 HTLCs 的原子互換。 該計劃最終支持一種更強大的無狀態謂語腳本語言，其功能類似于比特幣腳本。 （有關更多信息，請參見此處）。

◎ ANON 的 ZK-Optimistic-Rollup（“區塊鏈上的 ZCash”）

另一個獨特的 ORU 項目是 ANON 的 ZK-Optistic-Rollup，它支持E RC-20 和 ERC-721 支付交易，并具有與 ZCash 隱私地址相同的隱私保證。該設計與 ZCash 本身有很多共同點（有關ZCash primer，請參見此處）；資金索賠采用 UTXO 式的“簽發”形式；支付產生的新簽發和創建的“廢止通知（nullifier）”，記錄該簽發是用于防止未來重復支出。交易也包括 ZK-SNARK，可證明其滿足所有有效性條件，且沒有向觀察者實際透露任何細節。

為了維護簡潔的欺詐證明，ZK-ORU 擁有 ZCash 中沒有的功能：廢止通知存儲在 Sparse Merkle 樹中，并隨每個新的 ORU 塊進行更新。這樣可以輕松證明成員資格（已提交的）和非成員資格（未提交的）。與所有其他 ORU 一樣，計算被樂觀地延遲了，包括 SNARKS 本身的驗證。所有的欺詐情況，包括無效的 SNARK，只需一步就能證明。

注意，生成 SNARK 的重任落在用戶身上；ANON 預計一個客戶會花費10-30秒生成 SNARK。

（還要注意，盡管名稱和組成部分相似，但 ZK-Optimistic-Rollup 實際上與 ZK-Rollup 有所不同，后者不一定提供隱私保護，不使用欺詐證明，并且使用運營商生成的 SNARK 證明其有效性。歡迎使用加密貨幣。）

◎ WCL 的 ORU Hub

該 ORU 操作旨在成為 rollup 鏈之間的批交易標準，是讓用戶自愿將其資金遷移到升級合約的一種手段。

該操作本身是一條簡單的，僅基于帳戶支付的鏈，與 Fuel 一樣，它提供廉價的欺詐證明和數據驗證。這種構造的主要目的是建立一種標準架構，以便能夠直接在不同鏈之間進行轉移，即，不必從一條鏈中取出款后再重新存到到另一條鏈上。這可以通過支持批量存款和建立單向鏈間的交叉連接實現。 只要目的鏈上的驗證者發現出發鏈上的欺詐行為，就可以將付款視為最終付款，而不會產生任何額外的延遲。這與圍繞 ETH 2.0 交叉分片通信的研究 ETH 2.0 cross shard communication 邏輯相類似。

雖然主要的計劃用例是可升級性，但此機制潛在的其他用例是在單獨的、不同的、實時 rollup 鏈之間遷移，我們需要對此進行更多研究。關于 rollup 鏈間遷移的精確協議，以及需要確認的規范鏈，更多詳細信息尚未公開，日后會在此處附上鏈接。

◎ IDEX 2.0

IDEX 的獨特之處在于，他們將 ORU 作為已經投入生產的項目的最佳擴容版本，IDEX 合約當前已在主網運行，IDEX 合約使用的狀態模塊（state）比任何以太坊其他應用程序都要多。

IDEX 2.0 的 rollup 鏈支持登記訂單式去中心化交易功能，并且圍繞此特定用例構建而成。 該鏈負責執行訂單，維護用戶余額，允許設置發生其他功能，例如更高級的訂單類型，自動交易引擎等。

IDEX 的 ORU 中的驗證者必須有 IDEX 通證。驗證者提交收據證明已發布的區塊，并根據他們在有效區塊上的簽名和有效欺詐證明的簽發而受到獎勵和/或懲罰（如果他們選擇接受全部的“風險”驗證）。獎勵是使用一部分的交易費用和自己的通證支付的（加密經濟學模型的分析不在本文范圍內；有關更多信息，請參閱 IDEX 2.0白皮書 DEX 2.0 whitepaper）。

在協議中，區塊生產者僅上傳區塊的 Merkle 根作為初始投入，僅在質疑時將區塊內容發布到呼叫數據中。由于無法在鏈上保證 rollup 區塊數據的可用性，因此，這并不完全符合上述 “Optimistic Rollup” 的定義； 實際上，他們將其稱為 “優化的 Optimizied Rollup Optimized Optimistic Rollup”。 一旦發布呼叫數據后，就可以通過一兩個附加步驟來證明欺詐行為。下面將討論此方法對信任/安全的影響。

以上是本報告的第二部分，第三部分內容將于近日推出！

作者：Daniel Goldman（丹尼爾·戈德曼）自由軟件工程師、技術顧問、作家

譯者：Emma、Snow Lu

校對：Samuel

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