BSP:一文探討Rollup擴容方案的演進思路和設計緣由

原文作者：ORFEO

L2 項目再次成為萬眾焦點。

作為 L2 中 Rollup 擴容路線的代表，前腳 Arbitrum 空投完，后腳 zkSync Era 就上線了。層出不窮的新設計、路線圖背后，Rollup 到底有一條什么主線，演進的思路是怎樣的，今天就來理一理。

本文要點：

寫給三年級看的 L1 的擴容思路

從零設計一個 Rollup 方案

如何用零知識證明讓 Rollup 再進化

對比特幣、以太坊而言，自誕生起，來自普通用戶的最大詬病有二：

慢：本來就車道窄，車稍微一多就堵得水泄不通。

貴：平峰過路費就不便宜，要遇到高峰期想快點過，更是要使用「鈔能力」，加錢讓礦工開直升機來撈你。

這倆詬病之處，分別源于區塊鏈設計上的 2 個因素：

區塊容量：類比車道，區塊容量越大，能容納的車就越多，就越不容易堵。

激勵機制：再大的車道，都有堵的可能，這種時候讓誰先過呢，看誰有急事，但不能光聽人嘴上說，得看掏錢意愿，比如叫救護車一趟就要好幾百。

要是區塊鏈真可以類似車道，那么治本之策自然是奔著拓寬車道去，同時配合價格手段來在出門時間上進行疏導，不急的就先別出門了。

然而，拓寬車道，提升區塊容量，雖然是個誘人的通行效率解決方案，但在區塊鏈設計上，卻是舍本逐末了。因為區塊容量越大，對礦工的硬件要求就越高，能達到要求的礦工就越少；按這種思路，要想做到像 Visa 那樣每秒處理成千上萬條交易，最終只會做出另一個中心化的 Visa，與區塊鏈去信任的核心目的南轅北轍。

那還有其他解法嗎？有的，除了在時間上疏導，我們在空間上也可以優化，包括但不限于：

開辟不同車道，大貨車走一條，小轎車走一條，公交車走一條，互不干擾?—?— 基于這個思路，我們可以來些各有所長的主鏈、側鏈或 Plasma。

優化路線設計，適當分流，別進城干點啥都要走這條主干道，都要過這里的檢查站了?—?— 基于這個思路，我們可以分片（Sharding）。

干嘛一定要出門呢？遠程開會，達成一致了，線下簽協議再出門也不遲?—?— 基于這個思路，我們可以有狀態通道（State Channel）。

比特幣全網未確認交易數量為5139筆:金色財經報道，據BTC.com數據顯示，目前比特幣全網未確認交易數量為5139筆，全網算力為317.66 EH/s，24小時交易速率為3.59交易/s，目前全網難度為39.16 T，預測下次難度上調7.94%至42.27 T，距離調整還剩6天。[2023/2/19 12:15:20]

大家出門不一定都得自己開車，也可以拼車，或乘坐公共交通工具?—?— 基于這個思路，我們就有了本文的主角，Rollup。

作為區塊鏈上的公交車，Rollup 的關鍵其實就是省空間和省汽油（Gas，pun intended）：

省空間，從而不容易堵，而且每人分攤的過路費相比自己開車，也要少很多；

省汽油，從而票價親民，大家都坐得起。

這樣一來，「慢」和「貴」這兩個槽點就被 Rollup 解決了。

下面我們回到區塊鏈上，看看 Rollup 的具體方案。

與其偷看看標準答案（何況沒有），不如來點懸念，想象自己接到為以太坊設計 Rollup 的任務，會怎么做。

我們不妨從減少計算成本（省汽油）和減少存儲成本（省空間） 2 個角度出發，先提一個比較激進的方案，叫 Rollup 1.0 。

Rollup 1.0 包含 3 個要點：

有一個服務商（Operator），專門收集大家的「拼車」交易（Transaction），拼滿了，或者沒滿但約定時間到了就「派單」，兼顧價格和時效；

大家提交的交易中涉及的所有計算都由這個服務商在鏈下進行，因為鏈下計算比鏈上快，而且計算往往是鏈上成本中的大頭，這樣可以省不少錢；

計算完后，得到更新后的狀態（比如大家賬戶里的最新余額），上鏈存儲，這樣一來存儲成本低了很多。

簡單來說，就是定時定量收集大家的交易請求，鏈下計算后，只把計算結果固化到鏈上。

這個方案完美地解決了「慢」和「貴」這 2 大痛點，但又似乎衍生了新的問題：

動機問題（Incentive）：誰來提供「拼車」服務，有什么好處。

審查問題（Censorship）：服務商故意不處理我的單（或者掛了、不干了），我該怎么辦；

加密貨幣交易所在2022年以兩年來的最低交易量結束:金色財經報道，根據The Block的數據，加密貨幣交易所的交易量在 2022 年結束時處于兩年來的最低水平。?加密貨幣交易量的 7 天移動平均值達到 3.526 億美元，與2022年11月相比下降了 47.6%。自 2020 年 12 月比特幣交易價格約為 20,000 美元以來，加密交易量從未如此低。?加密貨幣價格在 2022 年大幅下跌，比特幣在 12 月的交易價格約為 16,000 美元，而 2022 年 1 月為 47,000 美元。?[2023/1/1 22:18:54]

欺詐問題（Fraud）：如果服務商使詐，篡改計算結果，導致我給別人轉賬，錢被他私吞了該怎么辦。

針對這 3 個新問題，我們可以迭代一版方案。

動機問題最好解決，能用錢解決的問題都不是問題。服務商可以平攤「拼車」成本，再額外收一點「小費」，即便如此和「拼車」人之間仍然是雙贏。

審查問題稍微麻煩點，但解法在區塊鏈領域很常見，那就是去中心化。一群人都是服務商，比只有一個服務商好；任何人都能當服務商，又比固定一群人當服務商好。在后面這種玩法下，如果所有服務商都不乖，你也能自己當服務商，或者直接去 L1 發起仲裁。

欺詐問題就有點難度了。它可以拆分成兩個問題?—?— 一個是如何識別欺詐，另一個是如何防范欺詐。

首先，要識別欺詐，我們需要知道大家的交易（Transaction）數據，交易前的狀態（State），從而計算交易后的新狀態（State’），拿來和服務商鏈上存儲的新狀態對比，如果一樣說明服務商誠實，否則說明他撒了謊。然而，我們并不知道交易數據，因為它們沒有上鏈。這就導致我們只能將信將疑，無法判斷服務商是否誠實。

接著，防范欺詐，最好的方式就是讓欺詐不可能出現，這個比較難，除非鏈上每次都檢查一遍服務商的計算對不對，但這樣一來就沒有「拼車」的優勢了。所以我們只能退一步，讓欺詐的成本很高，讓服務商有所顧忌（have skin in the game），比如交個押金（Stake），如果發現欺詐就將其沒收。（這種方式叫社會共識，屬于基于博弈的安全性，在《周報 #3 》中亦有提及。）

Rollup 2.0 還不錯，但識別欺詐的問題沒解決。

數據：Azuki 當日交易量達 879.76 ETH，創近 3 個月新高:10月18日消息，據 Dune Analytics 數據，NFT 項目 Azuki 交易量在 10月 17 日達到 879.76 ETH，創近 3 個月以來新高。

今日早些時候，Azuki 發布開源的代幣標準 Physical Backed Token (PBT)，支持將現實物品綁定到以太坊區塊鏈上，Azuki 稱此模式為 Scan to Own。[2022/10/18 17:30:51]

根據之前的推論，要識別欺詐，我們必須要知道交易數據，所以這部分數據，必須和狀態數據一樣上鏈。

那由誰來發現他們欺詐呢？很顯然，這個不大能是普通用戶，因為大家不可能 7 x 24 小時監督服務商的一舉一動，所以只能是專業的「賞金獵人」（Validator）。如果服務商「派單」后的 7 天內，有「賞金獵人」舉報欺詐，并且驗證屬實，那么交易就會回滾，服務商就會受到懲罰。當然，如出一轍，「賞金獵人」也需要有激勵，比如發現欺詐后，服務商的押金將分一部分給「賞金獵人」（只會是一部分，避免服務商和賞金獵人共謀）。

到 Rollup 3.0 階段，整個方案已經能夠跑通了，但又引入了新的成本。到目前為止，成本包括：

給服務商的費用（包含成本和「小費」）；

交易、狀態數據的鏈上存儲成本；

「賞金獵人」認為服務商欺詐時，鏈上驗證其所言非虛的計算成本。

下面我們來看看，有哪些成本是可以優化的。

通過特定的方式，多條交易聚合在一起，所占的空間是可以比每條交易所占空間的總和要小的。

以最簡單的 ETH 轉賬交易為例，我們拆解下每條交易的內容構成，可以看到，簽名的空間占比最大。我們可以將所有交易的簽名，合成一個（Key Aggregation)，這樣就省了很大一筆存儲的開銷（類比比特幣中的 Schnorr）。此外其他部分我們也可以優化，比如把 Nonce 甩掉，以及「拼車」的時候盡可能選擇「肥瘦相間」、嚴絲合縫的「拼車人」，最大限度地利用「車內」空間。

Axie Infinity開啟Origin階段二，首個Alpha賽季將為前1萬名玩家預留49157枚AXS獎勵:6月30日消息，Axie Infinity宣布正式開啟Origin第二階段，所有玩家的游戲進度都已重置。第一個Alpha賽季已經上線，為前1萬名玩家預留了49157枚AXS獎勵，Alpha賽季將持續到2022年7月28日。SLP賺取將從第3階段開始。[2022/6/30 1:42:16]

來源：https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

就這么三兩下，每條 ETH 轉賬交易的大小就由 112 字節，縮減為 12 字節，接近以前的十分之一；當然，還有其他手段，可以進一步壓縮交易數據。

在實際操作中，我們可以在鏈上部署的合約里，安插這么一個方法：

function storeTxData(bytes calldata data) external { // 啥事兒不干}

然后每次「拼車」成功后，把合并壓縮后的交易數據，作為 calldata 傳入這個方法。calldata 不需要永久保存，社會共識的公示挑戰期（Challenge Period）過后，被剪枝（Prune）也不會有所謂；本身價格很低，而且之后隨著 Danksharding、Data Blob 等 EIP 落地，會更便宜，這種將 L1 應用于數據存儲分發（Data Availability）的形式也會更正式。

狀態數據

既然交易數據已經上鏈，那任何人都可以通過交易數據來計算更新后的狀態了，狀態數據就沒那么大必要了。我們可以只保留狀態數據的 Merkel Root，用于在服務商不配合時，讓普通用戶（「拼車人」）可以直接向 L1 申請提款，靠 Merkel Proof 證明自己賬上有錢。

欺詐仲裁成本

當「賞金獵人」舉報服務商說有欺詐時，鏈上合約計算（Replay）一次，對比狀態結果，這理論上固然可行。但是，這樣做一是成本不低（雖然已經不錯了），二是 Rollup 「拼車單」包含的交易的 Gas 總和可能超過了以太坊的 Gas 上限，致使無法驗證。

所以仲裁需要減負，減負的方式自然也是把不必要的計算操作放到鏈下進行。其中一種解法叫交互式證明（Interactive Proving），大致過程如下：

多鏈NFT市場my NFT完成700萬美元A輪融資:5月30日消息，多鏈NFT市場my NFT完成700萬美元A輪融資，Scytale Ventures領投，參投方包括Seven X Ventures、Future Perfect Ventures、Signum GrowthCapital等，個人投資者包括RMRK創始人Bruno Skvorc、KR1聯合創始人George McDonaugh等。MyNFT將于2022年6月推出其第一個版本。（Cointelegraph）[2022/5/30 3:50:58]

「賞金獵人」交押金，然后舉報，并將整個計算過程按順序拆分成 n 段，指出服務商在第 k 段（1 ≤k≤n）有欺詐；

服務商將第 k 段再下鉆、拆解為 k 段，并指出「賞金獵人」在哪一段算得不對；

如此往復，知道計算操作再也不可下鉆、拆解，比如拆到「賞金獵人」認為 1+ 1 = 2 ，服務商認為 1+ 1 = 3 ；

這時，鏈上合約介入，計算 1+ 1 ，得出 2 ，從而判定服務商欺詐，沒收其押金，并將一部分獎勵給「賞金獵人」。

（整個過程中，若某一方超時未回復，則這一方失敗。）

這樣一來，整個鏈上仲裁成本就非常非常低了。

說到這里，我們便完整地構建了一個 Rollup 方案。因為這種方案默認假定服務商是誠實的，除非有「賞金獵人」舉報，所以這一派別叫做樂觀主義者的 Rollup，所謂 Optimistic Rollup。

那么，我們的 Rollup 4.0 ，就是最優的方案了嗎？

經過我們的多輪迭代，Rollup 4.0 依然有些不完美的地方：

欺詐需要有「賞金獵人」來發現，但如果長時間沒有欺詐，「賞金獵人」可能因為無利可圖就都歇業了，于是缺口就有了（盡管不大可能，因為 Rollup 鏈的應用商等相關利益方大概率會作為「賞金獵人」）；

要確信沒有欺詐，基于社會共識，需要等待好幾天，影響提款等操作；

上鏈的數據挺多的，成本還是有；

目前靠一層 Rollup 擴容，吞吐量可能也就提升 10 倍，有沒有可能更高些呢？

有沒有一種方案，能讓欺詐根本無從實施，讓最終性（Finality）更快，讓需要上鏈的數據更少，讓擴容更上一個量級呢？想要的簡直不要太多，但還真有這樣一類幾乎能滿足一切想象的方案?—?— Zero Knowledge Rollup（簡稱 ZK-Rollup）。

ZK-Rollup 是一種采用零知識證明（ZKP）的 Rollup 思路。所謂 ZKP，指的是在不透露任何敏感信息的前提下，讓對方確信你知曉這一信息的技術。解釋 ZKP，我最喜歡的比方有 2 個：

想象在中世紀的歐洲城鎮，我有一份藏寶圖，上面標記了一處寶藏。為了向你證明我有藏寶圖，但是又不讓你知道寶藏的確切位置，我給你戴上眼罩，把你拽上馬車，才城鎮里彎彎繞繞半小時，確保你喪失方向感，最后到達目的地，下車給你看一眼寶藏，再把你彎彎繞繞帶回去。這便是 ZKP 的一種樸素形式。

另一個比方比較常見。假設有一個數獨難題，我知道答案而你不知，但你不相信我知道；我想向你證明我知道，但我又不想讓你知道答案。怎么辦？我可以把數獨在桌上用卡片擺出來，然后把公開的數字朝上，需要填寫的數字朝下，讓你選擇按行還是按列來檢查我的答案。如果按行，我就將每一行的數字歸在一起，打散，給你看每一行都是 1 到 9 。重復幾次，都沒問題，這樣你就能相信我極大概率是真知道答案的。這是 ZKP 的其中一種交互式證明方式（區塊鏈因為很難做到即時的鏈上交互，所以一般采用非交互式證明，靠 Hash 函數來產生隨機挑戰）。

用不夠嚴謹的話來講，ZKP 的核心思路是證明方（Prover）先把秘密知識藏好，「買定離手」（Commit），然后由驗證方（Verifier）發起隨機挑戰（Challenge），如果證明方能成功通過挑戰，那么大概率他有相應的秘密知識。

ZKP 要滿足 3 個要求：

如果證明方說謊就極大概率不能通過挑戰（Soundness）；

如果證明方有知識就一定能通過挑戰（Completeness）；

雙方的交互過程中，證明方不會泄露任何有用信息（Zero-knowledgeness）。

為了滿足這 3 個要求，ZKP 利用了多種多樣的 NP 難題，包括最簡單的質數分解，以及離散對數（如 Schnorr 就是）等。

ZKP 并不是為區塊鏈而生的技術，但是恰好可以用于 L2 擴容，這主要是因為一個好的 ZKP 有以下有用的特性：

證明者（服務商）能很快地給出一個證明，從而保證鏈下計算效率很高，不會成為瓶頸；

證明的大小很小，或者至少和要證明的計算量成正比，受數據量的影響盡可能小，從而鏈上存儲成本低；

驗證者（L1 合約）能很快地驗證證明是否有效，從而鏈上計算成本低。

利用這些特性，我們的 Rollup 方案可以：

不再需要「賞金獵人」，L1 合約自己就能當場發現是否有欺詐；

只要 ZKP 驗證有效，馬上就能提款，最終性從天級縮短到分鐘級；

只需要狀態之間的 diff 上鏈，空間很小，存儲成本很低（一個額外的 bonus?—?— 隱私性也提升了）；

通過對證明和驗證過程進行定制的軟硬件優化，擴容能力可以再提升一個量級。

當然，任何安全機制都會有潛在的前提條件，ZKP 也不是區塊鏈的萬能藥。ZKP 目前還有不少局限性，需要逐步去克服，比如：

拿區塊鏈上應用最普遍的 zk-SNARK 來說，不少方案需要在一開始引入盡可能多的有聲望的人或公司，做一個 Trusted Setup，來生成一個真正的隨機數，并保證生成過程可驗證但不完全公開（比如在 Power of Tau 儀式中，只要有一方可信就行，但仍然算是瑕疵）。當然，一些新的 zk-SNARK 方案，以及后面改進的 zk-STARK 可以解決這個問題，但有時又會引入新的問題。

很多問題很難歸納為 ZKP 問題來表述，這也導致以前很長時間，可編程性都沒有得到很好的解決，要在以太坊上實現完全兼容 EVM 的 ZKP 很難，或者即便能實現，但在其他方面（比如驗證效率）又會受到影響。

來源：https://medium.com/minaprotocol/meet-pickles-snark-enabling-smart-contract-on-coda-protocol-7 ede 3 b 54 c 250 

這也是為什么，在 ZK-Rollup 這一面向未來的擴容領域中，每次進步，都難能可貴，可喜可賀。

來源：https://blog.matter-labs.io/zkporter-a-breakthrough-in-l2-scaling-e d5 e 48842 fbf

就擴容的未來而言，筆者認為，與 L1 的原生擴容相比，包括 Rollup 在內的分層設計是更為可靠的思路。模塊化，每層解決每層的關切，比在已是「鐵板一塊」（monolithic）的 L1 上不斷堆疊，風險更小；而且，底層 L1 因擴容而損失的去中心化，理論上不大可能在上層找補回來。況且這種分層設計的思路，在區塊鏈以外的領域，也有看似成功的應用。觀點不一定對，但這是筆者目前的認知。

本文嘗試以一種無關特定項目（project-agnostic）的口吻，梳理了 Rollup 擴容方案中的思考脈絡和設計緣由。由于水平有限，有些地方還是略顯生硬，可能不僅未解釋到位，反而徒增了理解難度；作為日新月異的一個垂直領域，很多新的發展筆者可能也未能及時知曉和考慮進來。真誠歡迎朋友們指正，交流。

TheSeeDAO

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