Foresight Ventures: 全面解析Rollup的現狀和未來

原文作者:msfew?@ForesightVentures

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.

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.

韓法院對Terraform Labs聯創等8人進行首次公審準備，將判定LUNA是否為證券:7月11日消息，韓國首爾南部地方法院對涉嫌違反《資本市場法》的Terraform Labs聯合創始人Daniel Shin和其他七名同事等8人進行了首次公審準備，也是Terra事件在韓國國內的首次審判，其中檢方認為LUNA是投資證券合同，應受到資本市場法的限制，而Daniel Shin主張Terra和LUNA并非證券。消息人士表示，如果審判通過，LUNA被認定為證券，那么《資本市場法》將會擴大到虛擬資產行業，一部分加密貨幣被分類為未注冊證券，有可能會被中止上市。[2023/7/11 10:47:08]

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.

d)兩種Rollup的區別

Lifeform Cartoon登上App Store韓國區娛樂榜熱門下載榜第一名:2月22日消息，LLifeform Cartoon iOS版于2月20日在韓國Apple App Store上線，兩日內登上App Store娛樂榜熱門下載榜第一名。

據BscScan數據顯示，自2月17日上線以來，Lifeform Cartoon Avatar NFT用戶數量已超十萬，累計鑄造量達到114569枚。[2023/2/22 12:22:10]

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)

派盾：Fortress Protocol疑似遭遇攻擊，已有1048枚ETH和40萬枚DAI被盜:5月9日消息，派盾（PeckShield）預警顯示，BNB Chain 上借貸協議 Fortress Protocol 疑似遭攻擊，代幣 FTS 短時下跌 42%，目前已有 1048 枚以太坊和 40 萬枚 DAI 轉入 Tornado.cash。[2022/5/9 3:00:00]

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:

火幣FastTrack項目dForce：CeFi和DeFi是“前店后廠”的關系:9月10日，火幣全球站第13期FastTrack項目dForce創始人楊民道在接受星球日報CEO Mandy訪談時表示，CeFi和DeFi是“前店后廠”的關系，兩者相輔相成。中心化平臺作為和用戶最直接的入口，會成為用戶端的巨大的流量入口。而DeFi可以幫助CeFi把部分的業務流程DeFi化，比如借貸、存款生息這類型的業務，所以中心化平臺的功能DeFi化會是巨大的趨勢，因為中后臺的成本可以大大節省。??

據悉，近期火幣率先推出了“DeFi挖礦”、“新幣挖礦”等產品，打開了普通用戶高效、安全、零摩擦、豐厚獎勵的“DeFi 挖礦”的行業級入口。 楊民道認為，對于中心化平臺來說，DeFi有非常大的全球資金的優勢和資產端的連接的靈活性。希望中心化合作平臺可以更多接入DeFi協議，比如dForce的穩定幣協議就有按照秒提供利息的便利方式。DeFi和CeFi在很多維度上都有融合的機會。[2020/9/10]

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:

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.

Coinbase公布上線評估名單，包括Ampleforth等19個項目:7月31日消息，Coinbase表示，正在評估上線Ampleforth（AMPL）、BandProtocol（BAND）、Balancer（BAL）、Blockstack（STX）、Curve（CRV）FetchAi、Flexacoin（FLEX）、Helium（HNT）、HederaHashgraph（HBAR）、Kava、Melon（MLN）、OceanProtocol（OCEAN）、PaxosGold、ReserveRights（RSR）、tBTC、TheGraph、THETA、UMA、WBTC這18種代幣的可能性。Coinbase需從多方面考慮，不能保證以上項目在Coinbase上交易的可能性、時間、交易場所。[2020/7/31]

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.

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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