ROLL:Vitalik：Rollup 不完全指南

Rollup最近在Ethereum社區風靡一時，有望在未來成為Ethereum的主要擴容解決方案。但這項技術到底是什么樣的呢？它可以給我們帶來什么變化？我們如何使用這項技術？這篇文章將試圖回答其中的一些關鍵問題。

背景：什么是Layer1和Layer2擴容？

目前主要有兩種區塊鏈擴容方式。

首先，你可以直接提高區塊鏈交易吞吐量，但這類技術主要挑戰為「當區塊容量越大時，區塊鏈將更難以驗證，而且很可能逐漸變得更中心化」。為了避免這樣的風險，開發者可以提高客戶端軟件的效率，或者使用Sharding技術讓構建和驗證工作分散到許多節點上，目前Ethereum準備借助Eth2升級引入Sharding技術。

其次，你也可以改變使用區塊鏈的方式。用戶不必將所有交易放在區塊鏈上，而是可以通過Layer2協議在鏈下執行大部分交易。即鏈上的智能合約只需執行兩個任務：處理存取款和驗證鏈下交易的有效性。由此減輕鏈上負擔，提高交易處理效率。

Statechannelsvsplasmavsrollups

目前主要有三種Layer2擴容方案：Statechannels、Plasma和Rollups，這三種各有優劣。

譯者注：譯文中省略Statechannels和Plasma科普內容，主要講述Rollups部分。

術語說明

Batch：批處理交易，指將Layer2交易批量打包并提交到Layer1的Rollup合約。

Sequencer：排序者，指在Layer2上打包排序交易的角色，類似Layer1的礦工。

Stateroot：狀態根，指Layer2上所有狀態通過MerkleTree生成的哈希值。

Rollups

參考：Optimisticrollups和ZKrollups。

Plasma和StateChannels是「完全」的Layer2方案，因為它們試圖將數據和計算都轉移至鏈下。然而，由于存在「數據可用性的博弈問題」，意味著這兩種方案不可能安全地滿足所有應用場景。

Plasma和StateChannels通過依賴所屬權的owner來解決該問題，但這使它們無法完全通用化。

另一方面，Rollups是一種「混合」的Layer2方案。Rollups將計算轉移至鏈下，但同時將每筆交易的部分數據保留在鏈上。

Vitalik Buterin：我已不再是億萬富翁了:金色財經報道，由于加密市場下挫，以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 財富也出現縮水，他在社交媒體上最新發言中寫道：“我已不再是億萬富翁了。” （I’m not a billionare anymore）不過，Vitalik Buterin此前在接受彭博社采訪時曾表示：“凡是深入研究過加密貨幣的人都知道，這一領域的BUIDLer其實都很喜歡熊市。”[2022/5/21 3:32:56]

為了提高效率，他們使用了不少fancy的壓縮技巧，盡可能地使用「計算」代替「數據」。其結果是系統的擴容仍然受限于底層區塊鏈的數據帶寬，但效率是可觀的：EthereumERC20代幣轉賬成本約為45,000gas，而Rollup中的ERC20代幣轉賬僅使用16字節的鏈上空間，成本低于300gas。

事實上，數據上鏈是關鍵。將數據放在鏈上并獲得共識，如果任何人愿意，他們可以在本地處理rollup中的所有操作，從而允許他們監測欺詐交易，請求提款，或親自生成transactionbatches。

因為沒有數據可用性問題，所以惡意或離線運營者所造成的損失會更少，從而為誰有權發布batches打開了更大的設計空間，并簡化rollups系統。最重要的是，沒有數據可用性問題也意味著不再需要將資產映射到owners。

這是Ethereum社區對rollups比以往的Layer2擴容方案更興奮的關鍵原因：Rollups是完全通用的，我們甚至可以在rollup內運行一個EVM，使得現有的Ethereum應用不必編寫過多新的代碼就可以遷移到rollups上。

那么Rollup到底是如何工作的呢？

鏈上會有一個智能合約維護著stateroot：rollup狀態的Merkleroot。

任何人都可以發布一筆batch交易，這是一個高度壓縮的交易集合，包含舊的stateroot和新的stateroot。合約會檢查batch中的舊stateroot是否匹配當前的stateroot，如果匹配，則將stateroot更新到新的stateroot。

Vitalik Buterin澄清：我不是“反馬斯克分子”:金色財經報道，以太坊聯合創始人Vitalik Buterin今日在社交媒體上表示，馬斯克接管Twitter的最大的可能不是他會做出任何具體的政策決定，而是讓他的支持者膽大妄為。不過，該言論隨后在社交媒體引發了大量爭議，Vitalik Buterin目前已經做出澄清，他表示：“不知道為什么這么多人在這條推文中讀到我反對馬斯克的潛臺詞，我不是反馬斯克分子（anti-Elon）。[2022/4/30 2:41:37]

為了支持存款和提款，我們增加了交易的能力，其輸入或輸出是「外部」的rollup狀態。如果一個batch來自外部的輸入，那么提交該batch的交易也需要將這些資產轉移到rollup合約中。如果一個batch有對外的輸出，那么在處理該batch時，智能合約將會執行「提現」操作。

這一切就這么簡單!除了一個主要的細節：如何知道batch中的post-stateroots是正確的呢?如果有人可以用任意post-stateroot提交一個batch而沒有任何懲罰，他們就可以直接將rollup內的全部資產轉給自己。這個問題有兩種截然不同的解決思路，從而衍生出兩種「口味」的rollup方案。

OptimisticrollupsVSZKrollups

以下是這兩種「口味」的rollups方案描述：

Optimisticrollups，采用欺詐性證明：rollup合約會跟蹤歷史的stateroots和每一個batch的哈希值。如果有人發現某個batch的post-stateroot不正確，那么他們可以向合約提交證明，證明該batch計算錯誤。合約驗證該證明有效后，會對該batch和之后的所有batch進行回滾。

ZKrollups，采用有效性證明：每一個batch都包含一個稱為ZK-SNARK的密碼學證明，它可以證明post-stateroot是執行該batch的正確結果。無論計算量有多大，合約都可以迅速地在鏈上驗證證明。

但兩種「口味」的rollup之間有著復雜的權衡：

方案權衡

總的來說，我的觀點是：

Vitalik：捐贈的50萬億枚SHIB不會獲得稅務沖銷:5月19日消息，Vitalik表示，其向印度新冠加密救援基金捐贈的超50萬億枚SHIB不會獲得稅務沖銷（稅務減免）。據悉，SHIB幣價波動劇烈，此前其捐贈款價值20億美元，目前縮水到8億美元左右。（彭博社）[2021/5/19 22:19:08]

短期內，Optimisticrollups很可能在通用的EVM計算中勝出，而ZKrollups則可能在簡單的支付、交易和其他特定應用場景中勝出，但最終從中長期來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKrollups將在所有場景中勝出。

欺詐性證明剖析

Optimisticrollup的安全性主要取決于：如果有人將一個無效batch發布到rollup合約中，那么保持跟蹤鏈上信息并發現欺詐的任何人都可以發布欺詐性證明，向合約證明該batch無效并回滾。

如圖所示，聲稱某batch無效的欺詐性證明將會包含這些綠色數據：該batch本身和Merkletree的部分內容，從而證明該batch讀取或修改特定賬戶。

而該樹中的黃色節點可以從綠色的節點重建，所以不必提供。這些數據足以執行該batch并計算post-stateroot。如果計算出的post-stateroot和該batch中提供的post-stateroot不一樣，那么說明該batch具有欺詐性。

如果一個batch存在錯誤，但之前所有的batches都是正確的，那么就可以創建一個欺詐性證明以表示該batch是錯誤的。

請注意對舊的batches聲稱無效的處理：如果存在多筆無效batches提交到rollup中，那么最好盡量證明最早無效的batch。當然，如果一個batch是正確的，那么永遠不可能創建一個欺詐性證明以表示其無效。

Rollups是如何壓縮數據的？

一筆簡單的Ethereum交易通常消耗約110字節。然而，在Rollup上發送ETH僅僅消耗約12字節。

字節消耗對比

Vitalik解釋以太坊從PoW轉向PoS的三大關鍵原因:以太坊創始人Vitalik Buterin日前撰文解釋了以太坊從PoW轉向PoS的三大關鍵原因：1、在相同成本條件下，PoS提供了更好的安全性；2、權益證明（PoS）系統遭受攻擊后更容易恢復；3、權益證明（PoS）比ASIC挖礦更去中心化。他認為，PoW有兩個主要的優勢：1、PoS系統更像是一個“封閉”系統，這導致長期來看，系統的財富集中度會更高；2、PoS需要“弱主觀性”，而PoW則不需要。但是，這些優勢也比較有限。[2020/11/7 11:56:20]

為了達到這樣的壓縮效果，一方面是采用了更簡單高級編碼，而目前Ethereum的RLP在每個值的長度上都浪費了1字節。另一方面，還有一些巧妙的壓縮技巧：

Nonce：該參數的目的是為了防止「重放」。如果賬戶的當前nonce是5，那么該賬戶的下一筆交易必須使用nonce5，但一旦交易被處理，那么該賬戶中的nonce就會被遞增到6，這樣采用nonce5的交易就不會被執行。在rollup中，我們可以完全省略nonce，因為我們只是從pre-state中恢復nonce。同時由于簽名會采用最新的nonce進行檢查，如果有人試圖使用舊的nonce重放交易，那么簽名將無法通過驗證。

Gasprice：我們可以允許用戶使用固定范圍的gasprices進行支付，例如2的16次冪。或者，我們也可以在每筆batch中收取固定費用，甚至可以將gas支付完全移到rollup協議之外，讓交易者通過特定渠道向batch創建者支付費用。

Gas：我們同樣也可以將gas設置為2的多次冪。另外，我們也可以在batch層面設置gas限制。

To：我們可以使用「索引」來代替20字節的地址。

Value：我們可以用科學計數法存儲value。在大多數情況下，轉賬僅需1～3有效位。

Signature：我們可以使用BLS聚合簽名，它允許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batch檢查。表中的~0.5表示一個區塊中可驗證的聚合簽名的數量是有限制的，因為它需要在一次欺詐證明中驗證簽名。

ZKrollups特有的一個重要壓縮技巧：如果交易的一部分僅用于驗證，并與計算狀態更新無關，那么這部分可以省略。這在Optimisticrollup中是做不到的，因為該數據仍然需要包含在鏈上，以防將來欺詐性證明檢查所需，而在ZKrollup中，證明數據正確性的SNARK已經提供了任何驗證所需的數據。

現場 | Vitalik Buterin：“去中心化”系統有三種不同的形式:金色財經現場報道，今日，由金色財經提供戰略媒體支持的以太坊產業發展峰會在香港舉辦，會上以太坊創始人Vitalik Buterin分享了“去中心”的三種不同形式，即架構上的去中心化、上的去中心化和邏輯上的去中心化。Vitalk進一步解釋了關注“去中心”的原因。他認為，去中心的系統在容錯性方面更強，更容易抵制網絡攻擊，也更容易防止參與方的作惡行為。[2018/9/8]

一個重要的例子是隱私保護rollups：在Optimisticrollup中，每筆交易中～500字節用于隱私的ZK-SNARK需要上鏈，而在ZKrollup中，覆蓋整個batch的ZK-SNARK已經足以表明「內部」的所有ZK-SNARKs是有效的。

這些壓縮技巧是rollup擴容的關鍵，如果沒有這些技巧，rollup或許只能在基礎鏈的擴容上有大約10倍的提升，但有了這些壓縮技巧，幾乎所有應用的擴容系數都可以超過100倍。

誰可以提交batch？

關于哪些人可以在Optimisticrollup或ZKrollup中提交batch的問題存在許多流派。一般來說，大家都認為提交batch的用戶必須先交納一大筆押金，如果該用戶提交欺詐性的batch，那么這筆押金的一部分將被燒掉，另一部分作為獎勵給到提交欺詐性證明的用戶。但除此之外，還存在許多可能性：

Totalanarchy：任何人都可以在任何時候提交batch。這是最簡單的方法，但它有一些嚴重的缺點，比如存在這樣的問題：多個參與者同時生成并試圖提交batch，而其中僅有一個batch可以成功被收錄。這將導致大量的浪費，比如沒有意義的生成batch證明或者提交batch到鏈上。

中心化的Sequencer：通過Sequencer這樣的角色提交batch。這是最「高效」的，但它依賴于一個中心化的角色。

Sequencer拍賣：通過拍賣來決定誰有權利成為第二天的Sequencer。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batch的sequencer都會從其中一個存款人中隨機選擇，被選中的概率與存款金額成正比。這種方案的主要缺點是大量資產被鎖定，導致資金效率低。

DPoS投票：Sequencer通過拍賣選中，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。

改進提交batch和stateroot的方式

目前一些正在開發的rollup方案采用的是“splitbatch”模式，即提交Layer2batch的動作和提交一個stateroot的動作分開執行，這會有一些關鍵優勢：

你可以允許許多sequencers并行發布batch，以提高抗審查能力，而不用擔心一些batch會因為其他batch已經被打包而無效。

如果一個stateroot存在欺詐，你不需要回滾所有batch，僅恢復該stateroot即可，并等待有人為該batch提供新的stateroot。這樣可以更好地保障交易發送者的交易不會被回滾。

總的來說，這是一個相當復雜的技術組合，它們試圖在涉及效率、簡單性、抗審查和其他目標的復雜權衡中獲得平衡。但現在談哪種組合最有效還為時過早，而時間會證明一切。

Rollups將會帶來多大的擴容？

目前Ethereum的gaslimit是1,250萬，交易中每個字節的數據需要消耗16gas。那么如果一個區塊僅包含一個batch，那么該batch會有=75萬字節。如上圖所示，每一位用戶轉賬ETH僅消耗12字節，那么也就是說，該batch最多可以包含62,500筆交易。

在平均區塊時間為13秒的情況下，這相當于達到約4,807TPS。

部分用例擴容提升規模

那么擴容上限可以這么計算：

(L1gascost)/(bytesinrollup*16)*12million/12.5million

現在值得注意的是這些數字還是過于樂觀，原因有幾個：

首先，最重要的是一個區塊幾乎永遠不會僅包含一個batch，因為將可能會存在多個rollup方案同時運作。第二，存款和提款將持續存在。第三，短期內使用量會很低，所以固定成本成為主要消耗。但即使將這些因素考慮在內，預計擴容規模也會超過100倍。

現在，如果我們想要超過~1,000-4,000TPS，該怎么辦呢？這就是ETH數據分片的意義所在，sharding建議每12秒開辟一個16MB的空間，這個空間可以被任何數據填滿，系統保證對這些數據的可用性達成共識，而這些數據空間可以被rollup使用。

這個約1,398kB/s的數據量比當前Ethereum60kB/s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分片數據的rollup可以處理高達約100kTPS，未來甚至會更多。

Rollup還有哪些尚未解決的挑戰？

雖然現在Rollup的基本概念已經被大家所熟知，我們也很確認它們從根本上是可行的、安全的，以及已有多個rollup方案被部署到主網上，但rollup的設計仍然存在許多地方沒有被很好地探索，將Ethereum生態系統的大部分內容完全遷移到rollup上以利用其擴容能力也存在不少挑戰：

Userandecosystemonboarding-使用rollups的應用不多，用戶對rollups也不熟悉，目前很少有錢包開始整合rollups，而商家和慈善機構還不接受它們用于支付。

Cross-rolluptransactions-有效地將資產和數據(例如oracle輸出)從一個rollup轉移到另一個rollup中，而不會產生經過Layer1的費用。

Auditingincentives-如何最大限度地提高至少一個誠實節點會真正全面驗證一個Optimisticrollup的概率，以便出錯時他們會發布欺詐性證明。對于小規模的rollup來說，這不是一個重要的問題，可以簡單地借助利他主義，但對于更大規模的rollup來說，需要更嚴謹地推理這個問題。

Exploringthedesignspaceinbetweenplasmaandrollups-是否存在一些方法可以將狀態更新的相關數據放在鏈上，而不是所有的數據。

Maximizingsecurityofpre-confirmations-許多rollup為了更快的用戶體驗，提供了一個「預確認」的概念，即sequencer立即給予一個承諾，交易將被包含在下一個batch中，如果他們食言，sequencer的押金將被銷毀。但這種方案的經濟安全性是有限的，因為可能同時向許多用戶做出承諾，這種機制能否獲得改進？

Improvingspeedofresponsetoabsentsequencers-如果一個rollup的sequencer突然下線，那么快速和經濟地從這種情況中恢復過來將是非常有價值的：要么快速且經濟地大規模退出到另一個rollup，要么更換sequencer。

EfficientZK-VM-生成通用EVM代碼的ZK-SNARK證明可以被正確執行，并且有一個明確結果。

結論

Rollups是一種強大的Layer2擴容范式，預計將成為Ethereum短期和中期擴容的基石。我們已經看到了Ethereum社區對此感到大大的興奮，因為這與之前的Layer2擴容方案不同，它們可以支持通用的EVM代碼，允許現有的智能合約輕松遷移。

這是通過一個關鍵的妥協來實現的：放棄將數據和計算完全放在鏈下，而是將每筆交易的少量數據留在鏈上。

Rollups方案有很多種，在設計空間上會有很多選擇：可以采用欺詐性證明的Optimisticrollup，或者采用有效性證明的ZKrollup。Sequencer可以是一個中心化的角色，也可以是一個去中心化的角色，或者是介于兩者之間的其他選擇。

總的來說，Rollup仍然是一項早期階段的技術，一切仍在迅速發展，特別是Loopring，ZKSync和DeversiFi已經運作了幾個月。

期待在未來的幾年內，Rollup領域會出現更多令人興奮的工作成果。

原文：AnIncompleteGuidetoRollups

作者：Vitalik

譯者：阿樹

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