以太坊:以太坊二層 OP 與 ZK 如何選擇？

$ARB即將上線，L2也得到了更多重視，最近關于OP和ZK兩種解決方案孰優孰劣的爭論越來越多，有人說OP是正統，有人說ZK更安全，本文將深入探討兩種流行的二層擴容方案，以及最近備受矚目的Arbitrum。這是一篇技術導向性的文章，我將重點闡述它們的工作原理和特點，并用通俗易懂的語言進行講解，以幫助大家更好地理解和評估這些擴容方案。

擴容方案概述

隨著區塊鏈技術的快速發展，可擴展性問題成為了阻礙區塊鏈廣泛應用的主要障礙之一。為了提高網絡的吞吐量和降低交易費用，擴容就是一件必須要解決的事情。擴容方案通常分為兩大類：一類是鏈下擴容，通過在底層區塊鏈之上構建新的協議層來實現擴容；另一類是鏈上擴容，通過優化底層區塊鏈協議本身來提高吞吐量。

鏈上擴容方案可以分為分片、選擇更高效的共識算法和協議優化等。其中分片是將區塊鏈網絡分割成多個相互獨立的子鏈，每個子鏈可以并行處理交易。這樣，整個網絡的吞吐量會隨著子鏈數量的增加而線性增長，分片也是以太坊2.0路線圖中關鍵的一步，分片之后TPS和Gas才能得到真正的優化。最近這幾年共識算法的創新很少見了，像之前提出的POS、DPOS、DAG等都是相對于POW的創新，相比于POW，它們可以減少網絡資源消耗，提高交易處理速度，同樣，以太坊也選擇了這條路。第三個方案是對底層區塊鏈協議進行優化，例如調整區塊大小、區塊產生時間等，可以在一定程度上提高網絡的吞吐量，比如比特幣的隔離見證升級。

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鏈下擴容方案可以分為狀態通道、Plasma和Rollups。狀態通道允許用戶在鏈下進行交易，僅在通道開啟和關閉時與主鏈進行交互，這極大地減少了鏈上交易數量，從而提高了吞吐量，像RaidenNetwork和LightningNetwork就是分別針對以太坊和比特幣的狀態通道擴容產品。Plasma是一種子鏈方案，允許用戶將資產從主鏈遷移到子鏈，并在子鏈上進行交易，子鏈周期性地將其狀態更新提交給主鏈，以確保安全性，比如OMGNetwork。Rollups是將多筆交易打包成單個證明，并提交到主鏈。這樣，主鏈僅需驗證證明而無需處理每筆交易，從而提高了吞吐量。典例是zkSync和Optimism，Arbitrum同樣也是基于OP的產品。

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OptimisticRollups和zk-Rollups

2.1zk-Rollups

zk-Rollups是一種基于零知識證明的二層擴容方案。首先由RollupOperator組件將多個鏈下交易聚合成一個批次，之后使用零知識證明生成一個簡潔的證明文件，這個證明可以驗證整個批次的交易的有效性，而不需要逐一檢查每筆交易；然后將證明及與該批次相關的數據提交到主鏈，主鏈通過驗證證明的正確性，確保交易是有效的；主鏈驗證通過后，鏈上合約會根據證明中的數據更新鏈上的狀態。這意味著，盡管交易是在鏈下進行的，但鏈上狀態仍然得到了更新，確保了數據的一致性。

數據：近24小時以太坊2.0合約質押新增4832 ETH:據歐科云鏈鏈上大師數據顯示，截至上午10時，以太坊2.0存款合約地址已收到629.37萬 ETH，占當前以太坊供應量的5.4%，近24小時新增4832 ETH。[2021/7/16 0:56:42]

注：零知識證明是一種密碼學概念，它允許一個證明者向驗證者證明某個陳述為真，而無需透露任何關于該陳述的其他信息。簡而言之，零知識證明可以讓一個人證明他擁有某種信息，而不需要透露這個信息本身。

OptimisticRollups

OptimisticRollups是一種基于樂觀性驗證的二層擴容方案，即默認提交的區塊是正確的，除非有人提出質疑。它同樣需要RollupOperator將許多鏈下交易聚合成一個批次，之后計算批次交易產生的新狀態并生成一份鏈下狀態更新；然后將鏈下狀態更新、相關數據提交到主鏈，這個狀態默認是正確的，不需要額外驗證；但是在狀態更新提交后，會有一個固定的挑戰期，在此期間，任何人都可以通過提供欺詐證明來質疑提交的狀態更新的有效性，與被質疑狀態的相關的整個交易將通過EVM運行檢驗，如果證明狀態更新是錯誤的，提交者會被懲罰，同時鏈上狀態會回滾到正確的狀態；如果在挑戰期內沒有人質疑狀態更新，或者質疑被證明是錯誤的，那么鏈上狀態會根據提交的狀態更新進行更新。

以太坊未確認交易為167,207筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易167,207筆，當前全網算力為427.76TH/s，全網難度為5.69P，當前持幣地址為56,566,831個，同比增加187,278個，24h鏈上交易量為1,872,305.6ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/3/21 19:04:09]

ZK與OP比較

ZK和OP各有各的特點，我從下面5個不同角度對他們進行了分析，以供各位根據自己的傾向去評判：

1.交易驗證方式：

OP：通過欺詐證明驗證交易。OP假設交易默認是有效的，除非有人提交證據證明某筆交易無效。這需要鏈下用戶和節點持續監測，以確保RollupOperator沒有作惡。

ZK：通過零知識證明驗證交易。ZK生成一個簡潔的證明來確保批次中的交易有效性，無需逐一檢查每筆交易。

安全性：

動態 | MetaMask正在研究以太坊交易費用的解決方案:以太坊錢包MetaMask正在努力開發以太坊交易費的解決方案。理想情況下，該解決方案將允許DApp代表用戶支付這些費用，這將增強用戶體驗。MetaMask最近完成Generalized MetaTransaction競賽，旨在找到這個解決方案。目前，以太坊用戶通過DApp或其他服務付費發送ETH，減少網絡中的垃圾郵件交易需要這筆費用。在很多情況下，第三方可能愿意支付用戶的交易費。這種第三方交易費支付模式稱為Meta-Transaction。MetaMask的理想解決方案應該代表用戶使用Meta-Transaction來支付這些成本，這將提供更實惠的用戶體驗。（FXStreet）[2020/1/31]

OP：由于默認假設交易有效，可能存在一定的安全風險，需要鏈下用戶和節點積極監測交易以確保安全性。

ZK：基于零知識證明的驗證方式為ZK提供了較高的安全性，因為它需要生成一個證明來確保交易的有效性。

吞吐量與性能：

OP：與ZK相比，OP通常具有較快的鏈下交易處理速度，但鏈上驗證可能需要更長時間，因為需要等待欺詐證明的挑戰周期。

ZK：雖然生成零知識證明需要一定的計算資源，但ZK的鏈上驗證速度較快，因為一旦證明生成，主鏈就可以快速驗證。

通用性：

OP：OP完全兼容EVM，眾多DAPP可以直接遷移，方案整體的計算復雜度低，更適用于通用的智能合約執行和復雜計算。

ZK：雖然零知識證明技術在發展中，但目前它在通用智能合約和復雜計算方面的應用受到一定限制。

成本：

OP：通常具有較低的鏈下交易成本。

ZK：生成零知識證明需要一定的計算資源，可能導致較高的鏈下交易成本。

總的來說，OptimisticRollups和zk-Rollups分別具有各自的優缺點，OptimisticRollups更適合處理復雜的智能合約場景，具有較好的以太坊兼容性；而zk-Rollups在安全性和隱私保護方面具有優勢。

Arbitrum

Arbitrum是一種基于OptimisticRollups的二層擴容解決方案，它結合了OptimisticRollups的優勢，并對仲裁過程進行了創新和優化，在處理質疑和仲裁時采用了二分查找技術，降低了仲裁過程的復雜性和成本。

在上文提到在樂觀性驗證系統中，當有人對某個提交的區塊提出質疑時，就要啟動仲裁過程。質疑者需要指出區塊中存在的一個具體錯誤，例如交易執行的結果不正確、狀態更新錯誤等。

為了高效地找到錯誤的位置，二分查找將錯誤可能出現的范圍分為兩半，質疑者需要選擇錯誤出現在哪一半，并繼續向下查找。例如，如果質疑者認為錯誤出現在區塊的前半部分，那么他們需要提供該部分的狀態更新證明；在每次迭代中，質疑者和驗證者將錯誤可能出現的范圍繼續分為兩半，質疑者需要在每次迭代中指出錯誤出現在哪一半，并提供相應的證明，驗證者則需要提供相應的反駁證據；通過不斷的二分查找迭代，質疑者和驗證者將錯誤可能出現的范圍逐漸縮小；

最終，當范圍縮小到一個具體的交易或狀態更新時，質疑者需要提供詳細的證據來證明錯誤的存在，驗證者則需要提供相應的反駁證據；經過一系列的二分查找迭代和證據交換，如果質疑者能夠成功證明區塊中存在錯誤，那么區塊將被認定為無效，如果驗證者能夠成功反駁質疑者的證據，那么區塊將被認定為有效。在這個過程中，錯誤的一方將損失押金，而勝利的一方可能會獲得獎勵。

綜上所述，二分查找仲裁可以縮小錯誤范圍，這個過程在鏈下執行，而鏈上只需要驗證最后的爭議部分，從而減少了鏈上的交易處理成本，但是這個過程也延長了處理時間，所以在發生仲裁的情況下Arbitrum比Optimistic更便宜，但也更慢。

公眾號：進擊的史迪仔

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