ROL:Rollup 的現在、阻礙、競賽和未來

這篇文章著眼于以太坊的Layer2Rollup宇宙(僅包括Securedrollup),會從簡單易懂的核心概念與機制設計出發,探討目前Rollup的好與壞,暢想它們未來在去中心化,進一步擴容,可組合性,以及隱私等附加功能上的潛在路線與方案各自的優劣.

一個SecuredRollup就是像Arbitrum或Optimism這樣模式,結算,共識,數據可用性均依賴以太坊等L1,自己僅負責執行的Rollup.

如果Rollup中結算,共識,數據可用性使用了除L1以外的方案,那么它就不是一個純粹的SecuredRollup,也就不是狹義的Rollup.

0.Rollup的本質與原理

a)Rollup的本質

給區塊鏈擴容有兩種方式:一種是優化區塊鏈本身,另一種是以更好的方式使用區塊鏈.

Rollup就是第二種,它真正的本質很簡單,是更快更便宜且“可信”地使用區塊鏈,來擴容區塊鏈(基本特指以太坊).

Rollup是:鏈上的智能合約+鏈下的聚合器.

就這么簡單.而這兩個特性結合起來就定義了Rollup也豐滿了它的概念.

鏈上智能合約,表示了它的信任模型就是以太坊上的一個智能合約,借用了以太坊的安全性,而不是像AltL1一樣需要建立新的信任共識.我們可以像信任Uniswap的協議(核心是智能合約)一樣信任Arbitrum的協議.

鏈下聚合器,表示它會鏈下執行并聚合交易,將大批量的交易壓縮,最終放上以太坊主網,達成更快更便宜的目的.

以太坊的原理是,每個節點都存儲且執行用戶提交給它的每筆交易,所以這么一個去中心化網絡非常昂貴.

后文是以Aribitrum和Optimism為代表的OptimisticRollup,與以zkSync和StarkNet為代表的zkRollup兩大Rollup的機制原理,可供讀者簡單理解.

b)OptimisticRollup的原理

OptimisticRollup顧名思義是樂觀的,采用的類似是無罪推定,大家會默認相信每個執行是正確的,通過每個批次狀態可被通過欺詐證明挑戰而保證安全性.

FTX債權人委員會：若FTX賬戶余額為正且未收到Kroll的唯一客戶代碼，需發送郵件咨詢:3月31日消息，FTX 債權人委員會表示，“如果您認為您在 FTX 交易所的賬戶余額為正凈額，但尚未從 FTX 的理賠代理人 Kroll 處收到唯一客戶代碼，請發送電子郵件至 FTXInfo@ra.kroll.com。請不要與任何第三方分享客戶代碼，并提防任何網絡釣魚計劃或與非 FTX 數據庫相關的其他潛在欺詐行為。”[2023/3/31 13:36:57]

用戶在Arbitrum提交交易,Arbitrum的sequencer對交易進行執行,分批次將狀態根與交易數據完整提交到以太坊主網上的智能合約中.

OptimisticRollup執行產生錯誤了怎么辦?

OptimisticRollup有一個爭議驗證周期,也就是說上了鏈之后的數據還要過比如一周的時間才會真正地被敲定Finalized,期間任何人都可以對它進行挑戰,證明批次不正確.

c)zkRollup的原理

zkRollup顧名思義是用了zk零知識證明技術(實際上是ValidityProof),采用的類似是有罪推定,大家會默認質疑每個執行都是錯誤的,通過每個批次所包含的證明保證安全性.

用戶在zkSync提交交易,zkSync的sequencer對交易進行執行和存儲,分批次將狀態證明和新狀態完整提交到以太坊主網上的智能合約中.

zk如何證明自己的執行不是錯誤的?

Prover(大多數情況下就是sequencer)會對交易的執行生成無法偽造的證明,證明這些新的狀態和執行是正確的.Sequencer會把證明等數據壓縮后提交到以太坊主網中的智能合約進行驗證.

它們如何壓縮數據,從而減少gasfee?

Rollup可以在每個交易的字節數上進行壓縮,包括Nonce和簽名等.對于zkRollup來說,它可以進一步壓縮,不用將與狀態更新無關的數據上鏈,因為zk證明已經可以證明狀態更新的正確性,而OptimisticRollup卻由于需要能夠被挑戰,因此沒法忽略這部分數據.

它們倆為什么都要完整狀態?

因為為了防止sequencer跑路,我們可以通過以太坊上的數據來重建整個Layer2.這就是數據可用性的概念.

WEMIX宣布將推出具有EVM等效性的ZK Rollup擴容網絡WEMIX Kanvas:金色財經報道，韓國游戲巨頭WeMade旗下區塊鏈游戲平臺WEMIX今日宣布將推出WEMIX Kanvas，這是一款具有EVM等效性的ZK Rollup Layer2。

根據計劃，從2023年第一季度開始，WEMIX Kanvas將分兩階段進行部署，先是從ZK Fault證明的Optimistic Rollup開始，隨后發展至EVM等效的ZK Rollup。[2023/2/17 12:13:50]

d)兩種Rollup的區別

如果實在還是理解不了,可以查看下面的圖解.

OptimisticRollup的設計更像是Arweave,通過經濟學和博弈來設計機制,性能好但其實無法保證100%的正確.

zkRollup的設計則更像是Filecoin,通過密碼學和數學來設計機制,可以保證100%的正確但永遠會有額外的計算和時間開銷.

它們的區別就是一個用了挑戰期來保證發生錯誤可以被糾正,一個用了密碼學來保證錯誤不可能發生.

我們在后文會通過兩者的終局表現來詳細對比它們.

1.Rollup很優秀

首先我們來盤點一下Rollup網絡整體的優秀之處:

生態:Arbitrum跑出了NFT和元宇宙生態;Optimism發了幣,有了治理和社區;StarkNet醞釀著各種GameFi的創新;zkSync有不少DeFi的新項目.每個Rollup單拿出來都自成一派.

擴容:TPS確實優異,雖然沒有理論峰值那么高,但是L2的快速確認提供了一個快速且便宜的Web3體驗.

體驗:對開發者和用戶來說,切換到Rollup上都是一件簡單的事,且體驗與以太坊幾乎無異.各種跨鏈橋,錢包,Uniswap等基礎設施也為用戶的流暢體驗服務.這個也是良好的生態所撐起的.

創新:Rollup已然是以太坊應用創新的優秀土壤,同時也比Polygon的“大型測試網”式網絡更加具有想象力.

除此之外,如果對子網與Rollup的對比感興趣的話,可以參考我們之前的研究,以及Toghrui的觀點.

更細化地來說,各大OptimisticRollup和zkRollup分別給出了如下的表現:

Arbitrum:TVL在24億美元左右.Nitro升級已經上線測試網,之后會用WASM-Geth替代掉Arbitrum現有的VM,優化性能和適配性.(之后的文章我們可以詳細聊聊WASM的各種潛力)

首個基于ZK-Rollups的NFT協議ZKBox上線:9月24日消息，由 L2 Labs支持的基于 ZK-Rollups 的第 2 層 NFT 協議ZKBox今天推出其白皮書 和官網，致力于提供實時的 NFT 鑄幣、交易, 存取款服務免費。[2021/9/24 17:03:13]

Optimism:發幣了,在此基礎上做出了很多“開創性且無比Optimistic的實驗”(出各種岔子,隱瞞著事實且無動于衷,最近經常被失望的用戶質疑為是“以太坊基金會的廢太子”).Bedrock升級會讓VM變成MIPS-Geth,做到EVM等同性.Optimism的開發人員也一直在說zkMIPS的概念,不知道他們會不會在之后往這個方向努力呢?

StarkNet:目前跨鏈橋還沒完全開放.特制語言Cairo和StarkNet開發生態打造得不錯,游戲生態值得關注.StarkEx的Validium模式也做出了dYdX,ImmutableX等應用.而且StarkNet自己也可以做結算層,搭建L3.

zkSync:最早地做出了比較完善的zkEVM.2.0版本的Volition模式可以讓用戶靈活選擇zkPorter或以太坊的數據可用性方案.

Aztec:UTXO模型的隱私zkRollup,即將支持隱私DeFi生態(但由于交易數據大小過大,目前還需要額外優化).盡管不支持通用計算,但是是為數不多真正zk的zkRollup.

Fuel:V1是一個OptimisticRollup,而且非常去中心化.V2不走尋常路,沒有去適配EVM,而是通過一個UTXO模型的高性能VM來支持并行tx處理,致力于打造最快的執行層.

除了以以太坊為主網的Rollup以外,還有這些:

everPay:Arweave上基于SCP范式的Layer2.

Milkomeda:Algorand上的EVMRollup.

Orbis:Cardano上的Validium模式的Rollup.

Rollup方案不同的設計有非常多的獨到之處,真正地服務了無數的用戶,帶來了更好的Crypto與區塊鏈體驗.

2.Rollup有待提高

上面一章的表揚后,我們會在本節指出Rollup一些需要解決的問題:

a)中心化?

Rollup網絡絲滑的用戶體驗是通過對安全性的妥協而得到的,網絡很多組成部分是中心化的,雖然有以下三點可以對這個問題進行“狡辯”:

zkRollup中zk證明從數學上無法偽造.

用戶可以通過L1的DA來重建所有狀態.

信任模型本身就是中心化的智能合約.

但是Rollup的中心化仍然會導致censorship與安全性極低等問題.目前它的中心化主要體現在:

L2Lab發布基于ZK-Rollup的Uniswap版本:金色財經報道，專注于Layer2協議的L2Lab團隊發布了ZKSwap項目，該項目基于ZK-Rollup技術，在以太坊的二層網絡上實現Uniswap的功能，可以實現無摩擦和實時兌換功能。

ZKSwap （ZK-Rollup based Swap）是一套全新的基于Zkrollup技術的兌換協議，通過Zk-Rollup技術把所有的ERC20 token轉移到Layer2上面，基于不斷生成的零知識證明來保證Layer1和Layer2狀態的一致性，從而讓所有的兌換在Layer2上發生，可以做到零GAS費用的實時兌換（不再要等待一個區塊時間），并且具備無限的拓展性，擺脫以太坊TPS和區塊確認時間的限制，并同時實時掌控自己的資金安全。[2020/9/22]

中心化sequencer:大部分的OptimisticRollup和zkRollup的sequencer都是中心化的形式存在.也就是類似tx的執行,排序,和出塊都是靠一個中心化的服務器來支撐.之前Arbitrum就因為sequencer的硬件問題所以整個網絡宕機了…

中心化升級:大多數Rollup網絡的升級是中心化的,意味著實際上去黑掉整個Rollup的成本與網絡上十幾億的TVL相比簡直渺小到可以忽略.比如zkSync就是以一個securitycouncil來管理升級.回想之前Ronin被黑事件,讓十幾億的資金依賴于這么幾個人的多簽,絕對是不安全的.

閉源組件:部分Rollup的一些關鍵組件是閉源的.比如StarkNet的幾乎所有關鍵組件均未開源,依然是中心化開發,且沒有開放的開源許可證.這不那么Web3.

在我的設想中,作為一個網絡或者協議,最終必須是去中心化且開源的,否則就違背了Crypto和Web3的精神.

b)真實性能?

Rollup目前所展現出來的超高性能是“假的”,真實的Finality并沒有那么優秀,且性能依然有提高空間.這是一把雙刃劍.

當用戶在L2提交交易后,馬上會得到交易成功或者失敗的反饋,但是其實這個即時的用戶體驗僅是在L2上的Finality.

在數據沒有被提交到L1或Prover還在證明或仲裁窗口期的期間,這些數據并未取得L1Finality.所以Rollup的用戶體驗那么優秀,其實是因為用戶通過Rollup借用了一些時間,讓用戶先拿到一個softconfirmation.

由于以上的設計,導致如下問題:

假的Finality:數據上了以太坊等真實的區塊鏈才是真正的Finality,那么Rollup的真實Finality是多快呢,換句話說(當然真的要計算TPS的話,一批次數據所包含的tx個數也應該納入考量),它們每隔多長時間會提交數據上以太坊呢?這里有一個通過鏈上數據真實的分析.

V神：optimistic rollups可實現EVM合約簡單嵌入:金色財經報道，針對網友稱，需要找出是什么阻礙了團隊更多地使用或集成可擴展性解決方案，V神在推特回應稱，實際上，大多數開發團隊都想要一個簡單的嵌入解決方案，可以立即將現有的EVM合約重新部署到該解決方案中。這意味著是optimistic rollups方案，仍然還需要幾個月。[2020/8/13]

吹過頭的TPS:我個人認為TPS是一個極其糟糕的指標,現在應該被淘汰掉.各種Rollup或者公鏈都通過無數的預設條件以及混淆的概念來計算出一個超高或者至少比競爭對手高的TPS,從而體現自己的強大.但實際使用中,它們的性能仍然沒有那么“Web3”.我理想中真正的Web3體驗需要是完全無感的,同時整個網絡也必須去中心化.

c)經濟機制?

我們以Optimism的代幣為例,管中窺豹地來研究Layer2Rollup的商業和經濟機制,代幣模型,與MEV.

商業模式:Rollup的利潤=Layer2費用-Layer1區塊空間費用(在L1上存儲和驗證證明等數據的安全成本)-節點服務器等計算成本.其中,Layer2費用=gas費用+MEV?+Layer2收取的一些premium.但這個商業模式用戶無法作為節點參與,只有Rollup開發者能夠賺取.以下是Arbitrum與Optimism在Layer2費用與Layer1區塊空間費用上的收益與成本.

代幣機制:?Optimism的網絡雖然不錯,但代幣經濟仍然較弱.OP有以下三個比較致命的問題:1.沒有任何utility,比如無法支付網絡gas或PoS質押(當然這兩個并不是好的Rolluputility),僅用于治理.2.無法捕捉網絡收益和區塊空間的價值,sequencer賺多少錢都與持幣者無關.3.流通數量非常少,拋壓很大,做市時的事故更是讓這個情況雪上加霜.這些問題不僅僅是Optimism的問題,其他Layer2Rollup也很有可能需要面臨這些考驗.

MEV:由于現在Rollup均是中心化sequencer,因此這些收益都可以被sequencer捕捉.MEV是一個兩面性的東西.往好里看,Rollup網絡可以擁抱MEV對于網絡的價值,讓其成為網絡去中心化之后經濟機制和礦工激勵的重要組成部分;往壞里想,Rollup網絡需要杜絕任何MEV的存在,因為它經常被認為是對用戶的一筆額外的稅務.Arbitrum選擇“忽視”MEV,采取先到先得的機制,但這對節點性能有更高要求,且降低了DDoS的成本.

開放網絡的商業模式,改善代幣機制,處理MEV會是Rollup網絡在發幣與去中心化的必經之路上的三座大山.

3.OptimisticRollup與zkRollup的終局性能對比

我不太想和其他文章一樣去對比Optimistic和zkRollup兩個陣營的TPS等紙面性能(如果好奇的話可以詳細閱讀文末更多參考資料),而是會從它們的本質和特性,以及長期終局表現來對比:

對這張圖的詳細解讀和值得關注的點如下:

EVM等同性實現難度:其實無論是從EVM兼容,節點配置要求,還是優化來說,zkRollup整體的實現難度都是比OptimisticRollup要高的.這其實也是額外證明開銷的一種存在方式…額外證明開銷不僅讓網絡的性能永遠有一個多出來的包袱,同時對EVM兼容的技術實現上來說也是一個巨大阻礙.

可以更方便地做隱私等需求:既然已經使用zk了,那么在做一個真正隱私的zk-zkRollup的開發難度會比zk-OpRollup簡單很多.當然也有ZKOPRU這樣的zk-OpRollup項目已經上線.

優化方向:對于OptimisticRollup來說,并行化的tx處理是很直接且很有效的一種優化,而zkRollup用同樣的方案的話(StarkNet下個版本的sequencer可以并行了),長遠來看還是會輸給OptimisticRollup(又是額外的證明開銷的緣故),因此zkRollup會采取FractalL3scaling的替代方案,也就是在Rollup上面繼續搭Rollup.遞歸的超能力不僅可以讓L2驗證L3的證明是正確的,同時也能讓L1驗證L2對L3的驗證的正確與否.

具體優化方向:均是從路線圖與預想的設計方案中得來,目前并無實踐.個人認為需要很長的時間才能完成這些升級.其中一些升級是有副作用的,比如引入一種新機制就需要額外的信任假設.

雖然這張圖得出了OptimisticRollup的性能會在長遠角度高于zkRollup的結論,但是由數學所保證的信任是更強的.我認為Rollup性能的終局是Optimistic,但是真正總體的終局會是zk.

設計上很完美,工程實現的難度依舊巨大,上面的對比其實依然和TPS的對比一樣,比較紙上談兵.我們還是要從實際出發,去從一個Rollup網絡的安全性,去中心化,和實際的表現與生態來觀察.

4.Rollup的未來

對比了OptimisticRollup與zkRollup,我們其實也全面了解了它們未來對性能的優化方案.那么在其他角度,Rollup未來的發展會是怎么樣呢?

a)去中心化

在去中心化角度,我們聚焦了sequencer和合約升級的問題,未來,一個Rollup必須是去中心化的,那么就需要如下的去中心化設計:

去中心化sequencer:OptimisticRollup的sequencer的機制基本會是各種魔改的PoS(leaderelection,MEVauction,rotationmechanism);以及zkRollup的類似Hermez的ProofofEfficiency或者ProofofValidityProof或者TendermintPoS這樣的機制.當然如果網絡是一個PoS的機制,那么其實就需要額外的資金成本.

去中心化合約升級:合約升級不應該由多簽管理,而是由去中心化的治理管理(涉及代幣)或完全放棄合約升級權限(如UniswapV2升級V3這種非強制性的升級).

多語言客戶端:像以太坊一樣,多語言的客戶端也是去中心化中的必要條件,能保證網絡的100%uptime.

這里補充一個小的資料,通過對Arbiturm和Optimism文檔的對比,可以體會出它們對去中心化略有不同的態度.

b)可組合性

Rollup的可組合性就是不同Rollup上的智能合約直接互相讀寫的能力.

對于以太坊上的Rollup來說,其實以太坊作為settlementlayer是Rollup們的共享橋梁.未來Rollup間的可組合性很可能大多是通過L2?L1?L2這樣來形成一個調用(比如StarkNet設計的dAMM).

而真正的可組合性卻由于Rollup間機制不同,無法互相驗證的問題而難以被實現,需要更多探索.

c)功能

對于功能上的拓展,zkRollup更加有潛力.L3的概念讓App-specificRollup特別有吸引力,ImmutableX也已經宣布自己會在StarkNet上額外進行協議部署,讓其能作為一個L3存在.

L3的吸引力在于:

讓應用蛻變為一個協議,開放自己的接口與服務,實現更大的可組合性

L1作為時針,L2作為分針,L3作為秒針.在不影響L1脈搏的情況下進一步提升網絡整體性能.

我預想中L3最有趣的功能會是:

隱私L3

純支付L3

NFT市場L3

游戲引擎L3

DEX與DeFiL3

但L3的挑戰是DA到底如何處理.我們可能會采用以下幾種不同的模式:

SecuredRollup:依然算Rollup,像L2一樣將DA放上L1,但可能涉及到更復雜的退出機制.

Validium/OptimisticChain:放上L2或Celestia等額外DA層,需要額外信任假設.

5.總結

以上就是我們對Rollup所需要的理解.

除此之外,Rollup創造了無數的新話題:L3,模塊化區塊鏈,數據可用性方案,賬戶抽象所帶來的UX提升,新的技術棧,新的編程語言,新的開發者,新的審計機構…

Rollup的一切都那么嶄新,那么光鮮,但又那么稚嫩…

如何去像Rollup這樣,更好地“使用”區塊鏈,是一個值得探索的問題。

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