ROLL:Vitalik：以太坊上的 Rollups 如何使用鏈上合約進行 Layer-2 擴容

Rollups在以太坊社區風靡一時，在可預見的未來，它將成為以太坊解決擁堵問題的最關鍵方案。但是Rollups使用鏈上合約與默克爾樹擴容，可以帶來交易處理性能的提升，同時也存在諸多挑戰。

原文標題：《Vitalik：一份不完整的以太坊Rollups完整擴容指南》撰文：VitalikButerin翻譯：TokenInsightResearch

背景：什么是Layer-1和Layer-2擴容？

在區塊鏈生態系統中，一般存在兩種擴容方式。

Layer-1：使區塊鏈本身擁有更高的交易能力-把區塊變得更大。但這種方案的挑戰是：更大的區塊更難驗證，而且可能會加劇中心化程度。為了避免這種風險，開發人員可以提高客戶端軟件的效率，或者使用分片等技術，允許將驗證交易的工作「分割」后分配給不同的節點；這就是ETH2.0正在做的事情。Layer-2：改變用戶與區塊鏈的交互方式。用戶不是直接將所有交易活動放在區塊鏈進行，而是在「Layer-2」協議中執行大部分活動。鏈上存在一個智能合約，執行兩個關鍵任務：處理資產的流入和流出合約，以及驗證鏈下發生的一切交易活動都符合提前設定的規則。驗證鏈下交易的方式有很多，但它們都有一個共同的特性：鏈下驗證相較于鏈上驗證要「便宜」很多。狀態通道vsPlasmavsRollups

實現Layer-2擴容的方式主要有三種：StateChannles，Plasma以及Rollups。它們屬于三種不同的范式，分別具有不同的優勢和劣勢，目前來看，所有的Layer-2擴容方案基本都能夠歸到這三個類別。

StateChannels的工作原理

試想一種情況：Alice向Bob提供網絡帶寬服務，而Bob則需要以$0.001/MB的價格給Alice付錢。每一次數據服務若Alice和Bob都結算一次，則可以理解為Layer-1的方式，若兩者采用Layer-2的方式結算，則如下：

首先，Bob將1美元存入智能合約。為了向Alice支付第一筆款項，Bob可以簽署一張「票」，上面寫著「0.001美元」，并將其發送給Alice。當出現第二筆交易時，Bob可以在另一張寫著「0.002美元」的票上簽名，并把它發送給Alice。以此類推，根據Bob實際使用的服務簽署相應金額的「票」，并發送給Alice。當Alice和Bob完成交易后，Alice可以選擇在金額最高的那張「票」上簽上自己的名字，然后發送給鏈上智能合約。智能合約驗證Alice和Bob的簽名，向Alice支付Bob票上的金額，并將其余部分返還給Bob。如果Alice不愿意關閉這個狀態通道，Bob可以發起一個提款期；如果Alice在這段時間內沒有提供任何「票」，那么Bob可以收回他所有的錢。

Vitalik聯合發表《區塊鏈隱私和監管合規：邁向實際平衡》論文:9月6日消息，以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 同 Chainalysis、巴塞爾大學等機構研究人員聯合發表名為《Blockchain Privacy and Regulatory Compliance: Towards a Practical Equilibrium（區塊鏈隱私和監管合規：邁向實際平衡）》的論文。論文研究了隱私池（Privacy Pools），一種基于智能合約的增強隱私協議。

論文討論了該協議的優缺點，并展示了它如何被應用來創建一個誠實用戶和不誠實用戶之間的分離均衡。論文的核心思想是允許用戶發布零知識證明，證明他們的資金（不）來源于已知（不）合法來源，而無需公開揭示他們整個交易圖譜。通過證明滿足某些屬性要求的自定義關聯集合中的成員身份，從而達到此目標，這些屬性要求由監管或社會共識所規定。這篇論文可能是朝著未來人們可以在無需披露整個交易歷史情況下證明符合監管要求方面邁出的第一步。[2023/9/7 13:22:27]

這個技術方案的強大之處在于：它可以處理雙向支付、智能合約關系和延展。但這種方案的能力也有一定局限性：

沒有參與通道的人無法參與這些交互；缺乏明確清晰所有權邏輯的情況無法使用狀態通道；此外，在處理復雜的情況時，狀態通道一般需要參與者提前鎖定大量資產。Plasma的工作原理

另見：原Plasma白皮書和PlasmaCash。

Plasma也是一種鏈下的Layer-2擴容方案，任何人都可以創建自己獨有的Plasma子鏈來支持自己的業務需求。子鏈是多種多樣的，可以是去中心化交易所，也可以是中心化的社交網絡或者私人的區塊鏈。每條子鏈通過定期與主鏈互動實現鏈下交易提交至鏈上。具體過程如下：

首先，在以太坊上，用戶將資產發送到管理Plasma子鏈的智能合約，以太坊將這些資產鎖定，轉移至Plasma子鏈上，完成存款。存入后，Plasma子鏈會為該資產創建一個獨有ID「X」，不同的Plasma子鏈都有一個操作員。每隔一段時間，操作員都會生成一個交易集合「batch」，這個batch包含了Plasma在鏈下收集到的所有交易。然后他們會生成一個「默克爾樹」MerkleTree，在默克爾樹中的每一片寫有用戶ID「X」的「葉子」，都對應一筆ID為「X」的資產交易，否則該葉的值為0。然后，操作員們會將默克爾根發布到以太坊上。同時，他們也會給相應資產持有者發送每個ID為「X」的默克爾枝干。如果用戶想要提取資產，也就是將Plasma子鏈的資產提至以太坊上，需要先向以太坊主鏈發布一個Merklebranch取款請求，然后子鏈智能合約會開始一個「爭議期」，在此期間，任何其他節點都可以使用其他branch來阻止該用戶提取資產，只需證明

Vitalik Buterin：以太坊目前最緊迫需解決的問題是實現更高水平的可擴展性:金色財經報道，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin表示，節點的中心化是以太坊網絡面臨的最大問題之一，應該通過使節點的運行更便宜、更容易來解決。目前，5,901個活躍的以太坊節點中的大多數都通過Amazon Web Services (AWS) 等中心化網絡提供商運行，許多專家聲稱這使得以太坊區塊鏈面臨中心化故障點。

Vitalik Buterin表示，減少以太坊中心化的下一個最重要舉措包括，使文檔變得更容易，降低分布式質押的障礙，確保質押更安全、更廣泛；總體而言，抵押以太幣（ETH）變得更加方便。但最終，Buterin得出的結論是，對于整個以太坊來說，最緊迫的問題是實現更高水平的可擴展性。[2023/9/5 13:18:55]

發送者在發送資產時不擁有資產，或；他們在稍后的某個時間點將資產發送給其他人。如果在該期間內，沒有人證明出該筆提款是不良或欺詐作惡行為，用戶即可完成提款，資產成功回到主鏈。

Plasma的特點是，其比狀態通道更為靈活：用戶可以將資產發送給系統外的參與者，并且對投資成本要求要低得多。但也也不是沒有缺點，狀態通道在「正常操作」期間不需要任何數據上鏈，而Plasma要求每個鏈定期發布一個哈希值。此外，Plasma資產轉移缺乏即時性：用戶必須等待生成batch的間隔結束，或者區塊產出后，才能完成資產轉移。

Plasma和狀態通道有一個共同的關鍵弱點：支撐其安全性的博弈論理論依賴于同一個邏輯，就是這兩個系統的所掌管的資產背后需要有它們名義上的「擁有者」，如果這些擁有者并不關心他們的資產，就可能導致很多「無用功」的結果。這雖然在很多應用中無關緊要，但對于如Uniswap這樣的去中心化交易平臺，這樣的反邏輯或者非理性的存在就可能破壞整套體系。甚至一些不需要所有者同意就可以改變資產情況的系統也不能很好的和Plasma兼容。這就意味著，想要實現Plasma或者狀態通道的部署，需要大量的「特定應用場景推理」，針對不同場景設計不同方案，因此根本不可能做出一個Plasma或者狀態通道完全模擬以太坊環境的虛擬機。為解決這些問題，我們將目光投向......Rollups。

Rollups

另見：Ethereumonoptimisticrollups和ZKrollups。

Plasma和狀態通道是完全的Layer-2擴容方案，因為它們將數據和計算都放在鏈下進行。然而，圍繞數據可用性的基本博弈論問題意味著，讓所有應用都安全地使用這兩種方案是不可能的。Plasma和狀態通道非常依賴于對明確的資產和所有者的對應關系。這一點限制了其得到更廣泛的應用。相比之下，Rollups則是一種「混合」的Layer-2方案。

ETC：ETC不再遵循Vitalik的愿景:以太坊經典官方發推表示：以太坊經典將不再遵循Vitalik的愿景及路線圖，不再以吸收以太坊1.0為目標。現在是ETC做出有意義的創新的時候了。[2020/11/24 21:55:32]

Rollups將計算放在鏈下，但在鏈上保留了每筆交易的部分數據。為了提高效率，Rollups使用了一系列「花哨的壓縮技巧」，盡可能用計算代替數據。這樣做的結果是，區塊鏈系統底層的可擴展性仍然受到帶寬的限制，但已經有了明顯的提升：以太坊ERC20資產轉賬成本約為45,000gas，而利用Rollups進行的ERC20資產轉賬則僅僅占用了16字節的鏈上空間，消耗的gas低于300。

這里的關鍵是存在鏈上的數據。將數據放在鏈上并對這一事實達成共識，允許任何人對數據進行操作，允許用戶檢測欺詐、發起提款等操作。對缺乏數據可用性問題的解決，意味著惡意或離線操作員能造成的損失減少，為有權打包交易發起確認的人提供了更多的設計空間以及更容易推演的設計邏輯。更重要的是，數據可用性問題緩解意味著，之前介紹的兩種方案所極度依賴的資產到擁有者之間的明確映射關系變得不再需要。這Rollups讓以太坊社區更加興奮的關鍵原因：Rollups完全通用，連EVM都可以在其中運行，允許現有的以太坊應用程序遷移到Rollups，并且幾乎不需要編寫任何新代碼。

Rollup具體如何工作？

Rollup設計中，鏈上存在一個智能合約，作用是維護一個狀態根：Rollup狀態的默克爾根。

Rollup鏈上合約與默克爾樹，來源：vitalik.ca

任何人都可以通過高度壓縮的形式，將新打包一批交易的狀態根和之前的狀態根結合，形成一個batch，然后向鏈上發布。維護狀態根的智能合約將通過檢查舊的狀態根和新的狀態根是否符合計算邏輯；如果符合，智能合約則將舊的狀態根替換為新的狀態根。

新打包的交易集合與舊的狀態根「融合」生產新的狀態根，通過智能合約維護，來源：vitalik.ca

為了支持存款和提款，還需要為這個壓縮狀態增加與狀態根之外的交互能力，即增加「輸入」和「輸出」。如果打包的新交易中有來自外部轉入的資產，則這些資產也需要轉入Rollup智能合約中；同理如果一個打包的新交易中有轉移至外部的資產，那么在處理時，智能合約會啟動這些提款。

就是這樣！除了一個細節：如何知道包含打包新交易后的狀態根是正確的？如果沒有辦法驗證，則用戶可以提交任意交易，甚至可以將Rollup里面的所有資產都轉移到自己的地址中。這個問題十分關鍵，并且目前有兩類非常不同的解決方案，這兩類解決方案也指向兩種不同類型的Rollups方式。

動態 | OKB上線新加坡幣星交易所及去中心化交易所ViteX:本周，OKB先后上線新加坡幣星交易所及去中心化交易所ViteX，并借助他們在新加坡、俄羅斯、東南亞及歐美地區的影響，拓寬海外用戶。本月以來，隨著價格的增長，OKB市場活躍度明顯提高。此前韓國2家交易所，Bitribe和BW也已支持OKB幣幣交易。

截至目前，OKB開啟美元、歐元、韓元、越南盾、印尼盧比等法幣通道，并已上線50余個交易所，覆蓋了全球141個國家和地區的百萬用戶。[2020/2/26]

OptimisticRollups和ZKRollups

兩者的區別在于：

OptimisticRollups，使用欺詐證明：Rollup合約追蹤狀態根的所有歷史和每批打包交易的哈希摘要。如果任何人發現了某一批打包的交易中存在問題，并且導致了錯誤的狀態根，那么用戶就可以通過向鏈上提交證明的方式將其揭露出來。Rollup合約將驗證證明，如果確定則會回滾該批次的交易以及該批次之后的所有交易。ZKRollups，使用有效性證明：每個批處理的交易都包含一個稱為ZK-SNARK的加密證明，用于證明狀態根是執行新打包交易的正確結果。無論計算量有多大，這種方式都可以非常快速地在鏈上驗證。在兩種風格的Rollups之間有復雜的權衡：

總的來說，我自己的觀點認為，短期內OptimisticRollups可能會在通用EVM計算中勝出，ZKRollups則更適合于簡單的支付、交易和其他特定應用中。但在中長期內，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKRollups可能會全面勝出。

對欺詐證明的剖析

Optimistic的安全性依賴于這樣一種想法：即如果有人將包含無效交易的打包交易發布到Rollup中，任何保持鏈上數據最新狀態的用戶，都可以檢測到這樣的欺詐并且可以提交欺詐證明---向Rollup合約證明該批次的交易無效，應該撤銷。

發現欺詐行為，提供綠色塊中的正確數據重新計算狀態根，來源：vitalik.ca

如上圖所示，證明一個批次中的交易存在無效交易的證明應該包含圖中綠色的數據：該筆交易。圖中黃色部分可以通過綠色的數據計算得到，因而不需要提供。通過提供圖中綠色的數據，便可以計算得到一個新的狀態根。如果計算出來的狀態根和原來提供的狀態根不一致，則說明該批次中打包的交易存在欺詐行為。

通過這樣的方式可以保證，如果某一個批次的交易打包存在問題，并且所有在此之前的打包交易都是正確的，那么構建并且提供一個欺詐證明來驗證該批交易存在問題是可行的。但是需要注意的是，如果出現超過一個批次的交易打包出現問題，那么最好的解決方案是找到最早的一批交易。此外，這也同樣意味著：如果每一個批次交易的打包都正確，那么構建這樣一個欺詐的證明也當然是不可能的。

以太坊創始人Vitalik公布以太坊2.0路線圖:以太坊創始人Vitalik公布以太坊2.0路線圖，分片機制作為協議提升的核心。在以太坊2.0中，二進制Merkle樹，更快的以太坊虛擬機（EVM），更好的可平行性以及無國界的客戶端都是計劃內的更改。開發將會分為兩層，第一層將會引入安全和保守的更新，而第二層將會實現迅速開發，也就是當分片系統通過驗證處理者合約被引入時。關于分片的一些初步工作已經可以在GitHub上查看，同時Vitalik的完整講話也能夠在YouTube上進行觀看。[2017/11/29]

Rollups中交易數據是如何得到壓縮的？

部分功勞歸于更高級的代碼編譯：對于每個值的長度上，以太坊的遞歸長度前綴編碼（RecursiveLengthPrefix,RLP)僅會使用1字節/值。但同樣也有些更為精巧的壓縮技巧：

Nonce：設置此參數的目的是防止交易重復進行。如果帳戶的當前Nonce為5，則該帳戶的下一個交易必須也是Nonce為5，并且一旦該交易被結算，帳戶中的Nonce將增加到6，因此不能再次進行該交易。在Rollup中，我們可以忽略Nonce，因為他只是我們從預狀態中得來的；如果有人想用更早的Nonce重新進行某交易，簽名將無法通過驗證，因為簽名中會根據更新更高的Nonce驗證交易。GasPrice：用戶可以支付固定范圍的Gas費用。或者，我們可以在每個批次中收取一個固定的Gas費用，甚至可以將Gas費的支付完全移出Rollup協議，讓交易者使用通道向batch創建者支付相應費用。Gas：同樣可以將總Gas設定為2的多次冪形式。或者，我們也將Gas限制在batch的水平。To：可以用代號來替換占據20字節的地址」來存儲index和地址本身的映射關系信息）。Value：我們可以用科學記數法儲存值。在大多數情況下，一筆交易只需要1-3個有效數字即可。Signiture：我們可以使用BLS聚合簽名，將許多簽名聚合成一個約為32-96字節的簽名集合。該集合可以一次性地檢查整批消息和發件人組。表中的「~0.5」說明一個簽名集合中可以包含地簽名個數是有限制的，因為這個簽名集合需要能在一個欺詐證明中進行驗證。ZKRollups特有的一個重要壓縮技巧是，如果交易的一部分信息僅用于驗證，并且與計算狀態的更新無關，那么該部分信息可以移至鏈下。這種技巧并不能在OptimisticRollup中完成，因為該數據仍然需要保留在鏈上，以防以后需要在欺詐證明中檢查的不時之需。而在ZKRollup中，SNARK對batch的正確性證實，已經證明了驗證所需的所有數據都已經提供齊全。Rollups中的隱私保護功能是一個很顯著的例子：在OptimisticRollup中，每筆交易中用于隱私的ZK-SNARK加密證明需要鏈上，這需要占據大約500字節；而在ZKRollup中，覆蓋整個batch的ZK-SNARK已經毫無疑問地表明「內部」ZK-SNARK是有效的，不需要浪費額外的500字節在鏈上。這些壓縮技巧是Rollups可拓展性的關鍵。沒有它們，Rollups可能只會比基礎鏈的可拓展性提高大約10倍，而使用這些壓縮技巧后，幾乎所有應用的可拓展性能都可以比之前實現超過100倍的提升。

誰可以打包交易并提交？

業界對于OptimisticRollups和ZKRollups中交易的打包權有多種看法。一般來說，任何想要打包交易并且提交的用戶，必須要鎖定大量資產。如果用戶提交了包含欺詐/無效交易的交易批次，那么該用戶變會受到懲罰：提前鎖定的部分資產將被沒收，并且作為獎勵轉移至發現問題并提出的用戶。但是除此之外，我們也可以考慮其他可能性：

完全「無政府狀態」：任何人都可以在任何時候打包并提交交易。這是最簡單的方式。缺點是多個參與者同時嘗試打包交易但最終只有一個人能夠成功，這意味著其他用戶的打包交易和提交的過程消耗的Gas都被浪費。中心化節點進行：中心化節點處理交易，打包并提交。這是「最高效」的方式，但是嚴重依賴于一個中心化的角色。。拍賣：通過定期舉行拍賣的形式來確定誰有權成為第二周期的處理節點。這種技術的優點是它可以籌集資金，這些資金可以通過例如由匯總控制的DAO來分配PoS隨機選擇：任何人都可以將ETH存入Rollup合約，然后通過隨機抽簽的形式確定每一個交易批次的打包權利。DPoS投票：通過拍賣確定擁有權利的人，其他人后補。如果有權利的節點出現問題則選擇一個新的節點替代。打包交易和狀態根處理分離

目前正在開發的一些Rollup項目使用分離處理的方式，即將交易分批次打包，和打包任意批次交易獲得的狀態根提交到主鏈的過程分離。這么做的優勢在于：

允許多個交易打包節點同時進行，用于提高去中心化程度和抗審查能力。并且減少部分打包的交易集合由于其他交易集合受到記錄后無效的情況；如果一個狀態根中出現欺詐/無效的交易，此時不需要回滾一整個批次，只需要修改鏈上的狀態根，然后等待用戶提供相同交易批次的新的狀態根即可。這意味著對用戶的交易受到確認來說也是更好的用戶體驗。總之，不同的方案在效率、簡單、抗審查、中心化程度以及其他方面都有著權衡。現在來判斷什么樣的方案在未來能夠成功還是太早。就讓時間來證明一切吧！

Rollups能夠帶來多少交易處理性能的提升？

在現有的以太坊鏈上，Gass的限制是1,250萬，交易中的每字節數據花費16Gas。這意味著，如果一個塊只包含一個批次，則該批次可以具有=750,000字節的數據。如上面的表所示，Rollup來發送ETH交易只需要12個字節，這意味著批處理最多可以包含62,500筆交易。在區塊間隔時間為13秒的情況下，這相當于約4,807的TPS。

下面是其他一些示例用例的圖表:

最大性能提升的計算方式為：/*1,200萬/1,250萬。

需要注意的是，上面的計算得出的結果有些過分樂觀。主要原因包含：

最重要的原因，一個區塊一般情況下不太可能只包含一個批次的交易集合。即使是那樣；存款和提款持續存在；短期內的應用不夠廣泛，因而固定的Gas成本還是占據大頭。但是即使是將這些因素都考慮進去，Rollups也至少能夠提升100倍的性能。

如果我們想要超越1,000-4,000的TPS該怎么辦？這時候就需要ETH2.0的分片表現了。分片的方案每隔12秒開放一個能夠存儲至多16M任何數據的空間，并且系統能夠對這些數據的可用性達成共識。這些數據空間都將可以被Rollups方案使用，這意味著每秒能夠處理大約1398kB的數據，這對于現在以太坊每秒處理大約60kB的數據來說是約23倍的提升。此外，長期來看，數據容量有望進一步得到增長。因而Rollups方案使用ETH2分片數據最多能夠實現大約十萬的TPS，不排除未來更大的可能性。

在Rollups中有哪些尚未完全解決的挑戰？

在Rollup的基本概念已經理解的差不多之后，我們很確信的是，Rollup從根本上是可行的并且是安全的。同時，已經有多條Rollups被部署到主網上了。但目前，Rollup設計的很多方面還沒有被完全的挖掘。在以太坊生態系統大面積引入Rollup，以增強可拓展性的諸多方面，我們仍面臨著諸多挑戰，其中一些關鍵的挑戰包括：

用戶和生態系統的使用度-沒有多少應用使用Rollup，Rollup對用戶來說是陌生的，很少有錢包已經開始融合Rollup。商家和慈善機構還不支持使用Rollup付款。Cross-Rollup交易-有效地將資產和數據從一個Rollup移動到另一個Rollup，而不會產生由于跨越基礎層的成本。審計激勵-如何最大限度地提高至少一個誠實節點完全驗證OptimisticRollup的機率，以便在出現問題時發布欺詐證明？對于小規模的Rollup，這不是最重要的問題，用戶可以簡單地依賴利他主義實現，但對于大規模的Rollup，更為明晰的機制設計就變得至關重要。探索Plasma和Rollup間的設計空間-是否有技術能將部分而不是全部，與狀態更新相關的數據放在鏈上？最大限度地提高確認前的安全性-許多Rollup為更快的UX提供了「預確認」的概念，在這種情況下，序列發生器立即承諾交易將打包于下一批次中，如果序列發生器違背諾言，其存款將被銷毀。但是這個方案的安全性是受限的，因為有可能出現一個Sequencer同時向許多參與者做出許多承諾的情況。這個機制是否可以改善呢？提高對掉線的Sequencer的響應速度-如果Rollup的Sequencer突然掉線，那么從這種情況中快速、低成本地恢復上線將會變得十分有價值。要么迅速且低成本地大規模轉移到其他Rollup，要么更換新的Sequencer。高效的ZK虛擬機-生成ZK-SNARK證明通用EVM代碼已經可以正確地執行并具有一定成果。結論

Rollups是一個強大的新型的Layer-2擴容方案，并有望在短期和中期成為以太坊擴容的基石。另社區尤為興奮的一點原因在于，Rollups與之前出現的Layer-2擴容方案不同，Rollups能夠支持通用的EVM代碼，允許現有DApp輕松遷移。而這一點的實現通過一個關鍵的妥協來實現：不把所有的數據計算都放到鏈下進行，而是把每筆交易的一小部分關鍵數據保留在鏈上。關于Rollups的方案有很多，而且這些方案也都可以選擇、權衡不同的特點。OptimisticRollup使用欺詐證明，ZKRollup使用有效性證明。將打包的交易批次放入Rollup內隨后發布到鏈上的階段選擇也可以多樣化：中心化節點、完全去中心化的節點，或者采用折中的方案。總的來說Rollups還屬于早期但發展迅速的技術，很多采用這個方案的項目已經運行幾個月。很期待未來幾年能夠在Rollup領域看到更多令人興奮的突破。

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