ROLL:一文了解以太坊擴容方案Rollup

原文標題：《引介|Rollup不完全指南》

撰文：Fulvia

翻譯&校對：Shengchao&阿劍

譯者注：

原文中Rollup同時以單復數形式出現多次，在譯文中統一確定為首字母大寫的Rollup。

Rollup在當前的以太坊社區已經十分著名。在可預見的未來，Rollup是以太坊實現擴容的關鍵解決方案。但Rollup到底是什么？你能從這項技術身上得到什么，又該如何使用它？這篇文章將嘗試回答一些關鍵問題。

背景知識：什么是一層擴容，什么是二層擴容？

實現區塊鏈生態系統擴容有兩種方式。第一種擴容的方式是讓區塊鏈本身擁有更高的事務處理容量。比如讓區塊變得“更大”，但“大區塊”會讓區塊鏈的驗證過程變得更為困難，而且可能會使節點更加中心化。為了避免這樣的風險，開發者可以提高客戶端軟件的效率。更加具有可持續性的擴容方式是，使用分片等技術，讓構建和驗證區塊鏈的工作分攤到許多不同的節點上——“eth2”就在嘗試使用這種方式升級以太坊。

第二種擴容的方式是改變使用區塊鏈的方法。用戶不需要直接把所有的活動都直接放在區塊鏈主鏈上，而是在主鏈外的“二層”協議中執行大部分活動，并生成一個證明，證明鏈外發生的這一切活動都遵循規則。主鏈上部署一個智能合約，它只有兩個任務：處理存取款，以及對上述證明進行驗證。有多種方法實現證明和驗證，但它們都有一個共同的特性，那就是在鏈上驗證證明比在鏈下做原始計算的開銷要小得多。

狀態通道vsplasmavsrollup

二層擴容主要有三種方案：狀態通道，Plasma和rollup。三種方案代表了三種不同的范式，每種方案有自己的優缺點。所有的二層擴容大致都屬于這三類。

狀態通道如何工作？

另請參閱https://www.jeffcoleman.ca/state-channels，statechannels.org

想象一下，Alice向Bob提供了網絡連接服務。作為交換，Bob為上網產生的流量支付0.001美元/MB的費用給Alice。Bob不需要在一層主鏈支付每筆費用，雙方使用如下二層方案。

首先，Bob將1美元存入一個智能合約中。為了向Alice支付第一筆款項，Bob簽署了一張"票據"，“票據”上寫著“0.001美元”，并將其發送給Alice。為了支付第二筆款項，Bob簽署另一張寫著“$0.002”的票據，并將其發送給Alice。以此類推，每次付款都重復這個過程。當Alice和Bob完成交易后，Alice可以將價值最高的票據包裹上自己的簽名后，發布到主鏈上。智能合約會驗證Alice和Bob的簽名，驗證通過后，將Bob的票據上標注的金額支付給Alice，剩下的金額返還給Bob。如果Alice不愿意關閉通道，Bob可以發起一個提現挑戰期——如果Alice在這段時間內無法提供Bob支付的票據，那么Bob就可以拿回之前存在智能合約里的所有錢。

Coinbase：恢復了以太坊質押收益的支付:金色財經報道，加密貨幣交易所Coinbase：恢復了以太坊質押收益的支付。[2023/5/18 15:10:17]

狀態通道技術很強大：廣義的狀態通道可以支持雙向支付、實現智能合約，并具有可組合性。但是通道的作用是有限制的：不能向還沒有加入通道的用戶在鏈下發送資金；不能用于沒有明確邏輯所有者的對象。此外，如果使用通道處理的事務比小額支付場景更復雜，需要鎖定大量的資金在通道中。

Plasma如何工作

另請參閱Plasma原始白皮書，PlasmaCash

要將資產從主鏈存入Plasma鏈，用戶需要在主鏈將資產發送至管理Plasma鏈的智能合約。Plasma鏈會給該資產分配一個新的唯一ID。每條Plasma鏈都有一個操作者。每隔一段時間，操作者就會生成一個“批處理”，包含這段時間內所收到的所有Plasma鏈的交易。操作者生成一棵Merkle樹，在索引為X的葉子節點處，如果資產ID為X的資產在這一批次中發生了交易，則葉子節點上存有對應交易，否則該葉子節點為零。操作者將這棵樹的Merkle根發布到主鏈上。操作者還需要將每個索引X的Merkle分支發送給該資產的當前所有者。如果需要將資產從Plasma鏈提取至主鏈上，用戶需要給主鏈的智能合約發送該資產最近一次交易對應的Merkle分支。智能合約隨即開始了一個挑戰期，在此期間，任何人都可以嘗試使用其他Merkle分支來證明：用戶在提取資產時并不擁有該資產，或者用戶在某個時間點將資產發送給了其他人，從而使退出申請無效。如果在7天內沒有人證明退出是欺詐性的，用戶便可以成功取回資產。

Plasma提供了比狀態通道更強的功能：你可以將資產發送給從未加入二層的用戶，鎖定的資金也低得多。但這是有代價的：狀態通道在“正常運行”時不需要將任何數據存入主鏈，但Plasma要求每條鏈每隔一段時間在主鏈發布一次哈希值。此外，Plasma鏈中的交易沒有即時性，即必須等待一批交易的證據發到主鏈上。

此外，Plasma和狀態通道都有一個重要缺陷：其安全模型所對應的博弈論依賴于這樣的想法：兩個系統所控制的資產在邏輯層面都要有"所有者"。只要資產所有者在乎自己的資產，那么當涉及該資產的狀態變更“無效”時，資產所有者就會想辦法出示變更“無效”的證明。這對一些應用來說無關緊要，但對不少其他應用來說這是個問題。即使系統中一個對象的狀態可以在未經系統所有者同意的情況下被改變，也不能很好地與Plasma兼容。這意味著，在現實中部署plasma或狀態通道時，都需要推演“特定應用”的潛在邏輯設計定制化方案，不太可能做出一個能完整模擬以太坊運行環境的plasma或狀態通道系統。接下來讓我們看看rollup是如何解決這個問題的。

過去24小時ETH鏈上手續費收入突破800萬美元:金色財經報道，Cryptofees.info數據顯示，過去24小時，以太坊鏈上手續費收入為8214906.2美元，Bitcoin鏈上手續費收入為1236261.83美元、Uniswap鏈上手續費收入為784294.12美元，BSC鏈上手續費收入為534274.56美元、SushiSwap鏈上手續費收入為272692.68美元、AAVE鏈上手續費收入為235770.65美元。[2023/5/1 14:36:55]

Rollup

另請參閱：EthHub關于optimisticrollup的介紹，EthHub關于ZKrollup的介紹

Plasma和狀態通道方案都是“完全的”layer2方案，因為它們將數據和計算都轉移到鏈下。然而，數據可得性的基本博弈論原理意味著這樣的系統不可能安全地實現所有應用。Plasma和狀態通道通過明確資產對象和所有者之間的關系來解決這個問題，但這使它們無法完全通用。Rollup則與前兩者不同，是一種具有“混合性質”的二層方案。Rollup將計算轉移到鏈下，但在鏈上保存了每筆交易的部分數據信息。為了提高效率，Rollup使用了一系列花哨的壓縮技巧，并盡可能地用計算替代數據。其結果是，這個系統的可擴展性仍然受限于底層區塊鏈的數據帶寬，但在此基礎上實現的擴容倍數非常可觀：在以太坊主鏈執行一筆ERC-20代幣的轉賬大約消耗45000gas，但在Rollup中，每筆交易僅需要在主鏈上存儲16字節數據，消耗的gas小于300。

數據存儲在主鏈是Rollup的關鍵因素。將數據存儲在主鏈并進行共識，使得任何人可以在本地處理Rollup中的所有操作，包括欺詐檢測，發起提款，生成批處理等。因為不存在數據可得性問題，所以運營者如果作惡或者離線所造成的損失相對更少，也在誰有權發布批處理這個問題上提供了更多的可能性，同時也使Rollup更易于理解。更為重要的是，不存在數據可得性問題意味著，資產無需和所有者有明確的邏輯映射關系。相比其他二層擴容方案，這是以太坊社區對Rollup感到更加激動的重要因素：Rollup是具有通用性的，比如可以在Rollup中運行EVM，從而使現有的以太坊應用可以在不寫新代碼的情況下遷移至Rollup。

Rollup究竟如何工作？

在主鏈上有一個智能合約，存有一個狀態根——表征Rollup狀態的Merkle根。

任何人都可以在主鏈上對該智能合約發起一個批處理事務，這個批處理是對一批Rollup內部事務的高度壓縮，還包括舊的狀態根和新的狀態根。主鏈合約會檢驗舊的狀態根與新的狀態根是否匹配。如果檢驗通過，主鏈上的舊狀態根會更新為新狀態根。

Gitcoin將與聯合國兒童基金會合作啟動Grants Protocol二次方融資試點:11月22日消息，Gitcoin宣布與聯合國兒童基金會（UNICEF）創新辦公室建立合作關系，將于12月9日至12月16日在Gitcoin新贈款協議Grants Protocol中推出二次方融資（QF round）試點，為來自世界各地（包括尼泊爾、肯尼亞、阿根廷、巴西和菲律賓）的12個創新項目提供二次方資助。

Gitcoin表示，此次捐贈輪標志著Gitcoin過渡到去中心化協議的開端，Grants Protocol將允許任何社區協調自己的贈款資金。[2022/11/22 7:56:51]

為了支持存款和取款，批處理中的事務的輸入或輸出可以是Rollup“外部”的狀態。如果批處理中有交易的輸入來自Rollup之外，那么這個批處理操作會將主鏈其他地方的資產轉移至Rollup合約中。如果批處理中有交易的輸出來自Rollup之外，那么這個批處理會觸發智能合約中的取款操作，將資產從Rollup取回主鏈。

整個過程就這么簡單！不過還有一個細節。如何知道批處理執行完成之后的狀態根是正確的？如果有人可以提交一個偽造的狀態根，而不產生任何后果，他們就可以把所有的資產轉移給自己。這個問題很關鍵，因為這個問題有兩種截然不同的解決辦法，從而形成了兩種類型的Rollup。

OptimisticrollupsvsZKrollups

Rollup的兩種類型包括：

OptimisticRollup，使用欺詐證明解決上述問題：主鏈的Rollup合約記錄了該Rollup內部狀態根變更的完整記錄，以及每個批處理的哈希值。如果有人發現某個批處理對應的新狀態根是錯誤的，他們可以在主鏈上發布一個證明，證明該批處理生成的新狀態根是錯誤的。合約校驗該證明，如果校驗通過則對該批處理之后的所有批處理交易全部回滾。

ZKRollup,使用有效性證明解決上述問題:每個批處理中包含一個稱為ZK-SNARK的密碼學證明。無論批處理的計算量多大，都可以在主鏈上高效對證明進行驗證。

這兩種Rollup之間的設計權衡比較復雜

性質OptimisticRollupZKRollup每個批處理在主鏈上的固定gas開銷約40,000約500,000提現周期約1周非常快技術復雜度低高實現通用性的難度相對更容易相對更難等工作正在努力簡化該過程）Rollup中每筆事務的成本相對更高相對更低鏈下計算的開銷相對更低相對更高

總的來說我自己的觀點是，短期內OptimisitcRollup很可能在實現具有通用性的EVM中勝出，ZKRollup很可能在簡單的支付、轉賬和其他特定應用中勝出。但從中長期來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKRollup將在所有應用場景中勝出。

日本金融監管機構已與當地數字資產交易所核實FTX破產是否對其業務產生影響:金色財經報道，一位官員表示，日本金融監管機構已與當地數字資產交易所核實FTX破產是否對其業務產生影響。 這位官員表示，金融廳正在研究日本工業對上周申請破產的FTX的風險敞口程度，目前監管機構認為國內加密貨幣交易所受到的影響微乎其微。[2022/11/16 13:13:14]

剖析欺詐證明

OptimisticRollup的安全性取決于這樣的想法：如果有人將一個無效的批處理發布到Rollup中，任何同步了該鏈的人只要發現欺詐行為便可以向主鏈上的合約發布欺詐證明，證明該批處理是無效的，應該被回滾”到底是指主鏈，還是指Rollup，雖然都是對的）。

一個斷言某個批處理無效的欺詐證明需要包括上圖中以綠色標識的數據：該批處理本身以及證明該批處理讀取或修改了特定賬戶的默克爾樹路徑。黃色的節點可以通過綠色的節點重建，所以無需包含在證明中。這些數據足以執行批處理并計算新的狀態根。如果計算出的新狀態根和批處理中提供的新狀態根不一樣，那么就證明了該批處理是欺詐的。

可以確保的是，如果一個批處理中存在錯誤，而在此之前的所有批處理都是正確的，那么就可以創建一個欺詐證明，證明該批處理的構造是錯誤的。注意如果在Rollup中有多個無效的批處理，那么最好盡量證明最早的那個批處理無效。當然可以確保的是，如果一個批處理是正確的，那么永遠不可能創建一個欺詐證明，證明該批處理是無效的。

壓縮是如何實現的？

一筆最簡單的以太坊轉賬大約需要110字節，但是在Rollup中實現ETH轉賬只需要大約12字節：

參數以太坊主鏈Rollup合約Nonce~30Gasprice~80-0.5Gas30-0.5To214Value~9~3Signature~68~0.5From0（從簽名中還原)4總計~112~12

這其中的部分原因是Rollup可以采用更簡單的高級編碼技巧，而目前以太坊的RLP在每個值的長度上浪費了1個字節。同時Rollup還運用了一些非常聰明的壓縮技巧。

Nonce：這個參數的目的是為了防止重放。如果一個賬戶狀態當前的nonce是5，那么該賬戶的下一筆交易的nonce參數必須是5，但是一旦交易被處理，賬戶狀態中的nonce就會被遞增為6，這樣nonce為5的交易就不會再被打包。在Rollup中，我們可以完全省略nonce，因為我們只需要從更新前狀態中恢復nonce；如果有人試圖用較早的nonce重放交易，簽名將無法通過驗證，因為簽名校驗將使用nonce更大的數據。

GasPrice：我們可以允許用戶使用固定范圍的Gas價格進行支付，例如范圍是0-2的16次冪。另外，我們也可以只為每個批處理收取固定的費用，甚至可以將gas支付完全移到Rollup之外，讓交易者通過特定渠道向批處理創建者支付費用。

Ledger為企業推出NFT市場Ledger Market和Web3服務平臺:6月22日消息，加密硬件和安全公司Ledger正在為企業推出NFT市場Ledger Market和Web3服務平臺Ledger Enterprise Create，還推出了一套專注于Web3教育和安全的其他產品Ledger Quest。Ledger Market優先考慮安全性和透明度，正在與LVMH旗下的Tag Heuer、NFT系列DeadFellaz和Brick/Babylon等品牌合作，在市場上出售其資產。（CoinDesk）[2022/6/22 1:24:57]

Gas：我們同樣可以只是將Gas總量范圍選擇為2的冪。另外，我們也可以只在批處理層面設置Gas限制。

To：我們可以用索引代替20字節的地址。

Value：我們可以用科學計數法來存儲Value。在大多數情況下，轉賬只需要1-3個有效位。

Signature：我們可以使用BLS聚合簽名，使許多簽名聚合成一個約32-96字節的簽名。然后，這個簽名可以一次性對整個消息集和發送者進行批處理的簽名校驗。表中的~0.5表示在一個主鏈區塊中可以驗證的聚合簽名數量是有限的，因此如果批處理中的交易較多，需要約每100筆交易生成一次聚合簽名。

ZKRollup有一個特殊的重要壓縮技巧：如果交易的一部分只用于驗證，與計算狀態更新無關，那么這部分數據可以不存儲在主鏈上。這在OptimisitcRollup中是做不到的，因為該數據仍然需要存儲在鏈上，以備后續欺詐證明校驗的不時之需，而在ZKRollup中，證明某批處理數據正確性的SNARK證明，已經證明了相關方提供了所有驗證所需的數據。一個重要的例子是實現具有隱私保護性質的Rollup：在OptimisitcRollup中實現隱私保護，每筆交易中用于保護隱私的約500字節的ZK-SNARK需要上鏈，而在ZKRollup中實現隱私保護，覆蓋整個批處理的ZK-SNARK已經可以證明"內部"的ZK-SNARK是有效的。

這些壓縮技巧是Rollup實現擴容的關鍵，如果沒有這些技巧，Rollup或許只能在主鏈的擴容基礎上實現大約10倍的擴容，但在使用了壓縮技巧之后，幾乎所有應用的擴容系數都可以超過100倍。

誰可以提交批處理？

對于哪些人可以在OptimisticRollup或ZKRollup中提交批處理這個問題，已經存在許多流派。一般來說，大家都認為提交批處理的用戶必須質押一大筆押金，如果某用戶曾經提交過一個具有欺詐性的批處理，那么這筆押金的一部分將被燃燒銷毀，另一部分獎勵給提交欺詐證明的用戶。但除此之外，還存在許多可能：

，該術語得名原因是該角色需要對批處理中的交易進行排序）

完全無許可的排序者：任何人都可以在任何時候提交批處理。這個方法最簡單，但有一些嚴重的缺點，比如存在這樣的問題：多個參與者同時生成并試圖提交批處理，而其中僅有一個批處理可以成功被收錄。這將導致在生成證明的計算開銷或提交證明時的Gas開銷有大量被浪費。

中心化的排序者：通過排序者這樣的角色提交批處理。這種方法“效率”最高，但需要依賴一個中心化的角色。

排序者拍賣：通過拍賣來決定誰有權利成為第二天的排序者。這種方案的優點是可以籌集資金，而這些資金可以通過Rollup的DAO來分配。

從PoS集合中隨機選擇：任何人都可以將ETH存入Rollup合約中，每一個批處理的排序者都會在這些存款人中隨機選取，被選中的概率與存款金額成正比。這種方案的主要缺點是需要鎖定大量資產。

DPoS投票：某些排序者通過拍賣選取后執行批處理，但如果他們表現不佳，那么代幣持有者可以投票將其踢出，并舉行新的拍賣來替代他們。

將批處理和狀態根提交分開

目前正在開發的一些Rollup采用的是“分割-批處理”模式，即提交一批二層交易批處理的行為和提交一個狀態根的行為是分開進行的。這其中有一些關鍵的優勢。

你可以允許許多排序者并行發布批次，以提高抗審查能力，減輕對于某些批處理會因為其他一些批處理提前打包而無效的擔心。

如果一個狀態根存在欺詐，無需回滾整個批處理，可以只回滾狀態根，并等待有人為同一批處理提供新的狀態根。這樣可以更好地確保交易發送者的交易不會被還回滾。

總的來說，這是一個相當復雜的技術組合，還在涉及效率，簡單性，抗審查性和其他目標的復雜權衡中找到平衡。現在說這哪種組合最有效還為時過早，時間會證明一切。

Rollup會帶來多大的擴容？

在現有的以太坊主鏈上，每個區塊的Gas上線是1250萬，而交易的每個字節存儲在鏈上花費16Gas。這意味著，如果一個區塊中只包含一個批處理，那么這個批處理可以包含1200萬/16=75萬字節的數據。而如上文所述，Rollup中的每一筆ETH轉賬只需要12字節的存儲空間，這意味著每個批處理中可以包含62500筆交易。目前以太坊主鏈的區塊間隔是13秒，也就是說實現的TPS約為4807。

下表中包含了其他一些應用場景的擴容效率。

應用場景Rollup內單筆對應操作需上鏈的字節數以太坊主鏈對應操作的Gas消耗最大擴容倍數ETH轉賬1221,000105xERC20轉賬16~50,000187xUniswap交易~14~100,000428x具有隱私保護性的提現操作296~380,00077x具有隱私保護性的提現操作40~380,000570x

最大擴容倍數計算方法：以太坊主鏈對應操作的Gas消耗/(Rollup中對應操作需上鏈的字節數*16)*1200萬/1250萬

需要說明的是，出于某些原因，這些數字其實是過于樂觀的。最重要的原因是，一個區塊中幾乎不可能只包含一個批處理，因為到時會有多個不同的Rollup系統。第二個原因是，存款和提現操作始終將會存在。第三個原因是，短期內Rollup的使用量可能較低，因此固定成本的收費模式會占據主導。不過即使考慮了這些因素，超過100倍的擴容應該不難實現。

那如果我們想要實現1000-4000TPS呢？這就需要eth2數據分片了。在這個提案中，每12秒開辟一個16MB的存儲空間，這個存儲空間可以被任何數據填滿，系統將確保對這些數據的可用性達成共識。這個數據空間可以被Rollup使用。這個約1398kB/秒的數據吞吐量比當前以太坊主鏈的約60kB/秒提高了23倍，從長遠來看，數據容量有望進一步增長。因此，使用eth2數據分片實現的Rollup的TPS可以高達10萬，在未來甚至會更大。

還有哪些尚未解決的挑戰？

雖然現在Rollup的基本概念已經被人們所熟知，我們也很確定Rollup從本質上說上是可行的、安全的，而且已經有多個Rollup在以太坊主網部署，但Rollup在設計層面仍有許多地方沒有被很好地探索，如果要將以太坊生態系統的大部分都完全引入Rollup從而利用其擴容性，這方面仍存在不少挑戰。一些關鍵的挑戰包括：

用戶和生態系統的入駐：目前使用Rollup的應用不多，用戶對Rollup不熟悉，很少有錢包開始整合Rollup。商家和慈善機構還不接受它們用于支付。

跨Rollup交易：有效地將資產和數據從一個Rollup轉移到另一個Rollup中，而不需要通過主鏈中轉并產生相應費用。

審計激勵：如何最大限度地提高至少有一個誠實節點會完全驗證OptimisticRollup的概率，從而確保在出現問題時有人發布欺詐證明？對于小規模的Rollup來說，這不是一個重要的問題，可以簡單地依靠利他主義實現，但對于更大規模的Rollup來說，需要把激勵問題研究清楚。

探索在Plasma和Rollup兩者之間設計的可能性：是否有技術可以把部分與狀態更新相關的數據放在鏈上，但不把全部數據放在鏈上？通過這種技術是否會誕生出新的有用的工具？

最大限度地提高預確認的安全性：很多Rollup為了讓用戶體驗更好，提供了一個“預確認”的概念，即在交易完成后，排序者即刻提供一個承諾：某筆交易將被包含在下一批處理中，如果排序者食言，他們的押金將被銷毀。但是這種方案在經濟層面的安全性是有限的，因為排序者可能同時向非常多的用戶做出很多承諾。這個機制是否可以改進？

提高對缺席排序器的響應速度：如果一個Rollup的排序者突然離線，那么如何最大限度地快速以及低成本地從這種情況中恢復，要么快速和低成本地大規模退出到另一個Rollup，要么更換排序者。快速響應這是非常有價值的。

高效的ZK-VM：生成一個ZK-SNARK證明，證明具有通用性的EVM代碼已經正確執行，并有一個確定的結果。

總結

Rollup是一種新的強大的二層擴容范式，預計將成為以太坊未來短期和中期實現擴容的基石。以太坊社區對于Rollup非常興奮，因為與之前的二層擴容嘗試不同，Rollup可以支持通用的EVM代碼，允許現有的應用程序輕松遷移過來。Rollup通過做出一個關鍵的妥協來實現這一目標：不試圖完全搬到鏈下，而是將每筆交易的少量數據保留在鏈上。

Rollup有很多種，設計上也有很多選擇：使用欺詐證明的OptimisitcRollup，使用有效性證明的ZKRollup。排序者可以是一個中心化的角色，也可以是一個去中心化的自由角色，或者是介于兩者之間的許多其他選擇。Rollup仍然是一項早期階段的技術，開發正在快速地繼續，但它們是有效的，一些已經運行了幾個月。期待在未來的幾年里，Rollup領域會有更多令人興奮的成果出現。

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