Optimistic Rollup最全指南：這里有你該知道的一切_ETH

注：原文作者是Paradigm基金研究者GeorgiosKonstantopoulos。

以太坊生態系統所面臨的最大挑戰之一，是在嚴格的資源約束下具有低延遲和高吞吐量。

而一個系統的去中心化程度，取決于網絡中最弱節點驗證系統規則的能力。我們認為，可以在低資源硬件上運行的高性能協議才是“可擴展”的。

在本文中，我們將深入探討現代“Layer2解決方案”的原理，其相應的安全模型以及它們如何解決以太坊的可擴展性問題。

這篇文章的目標讀者是有好奇心的個人，他們有興趣了解更多有關先進的以太坊擴容技術，以及有動機構建和架構此類系統的人群。

區塊鏈資源需求

有三個因素會影響在去中心化網絡中運行節點的資源需求：

帶寬：下載和廣播任何區塊鏈相關數據的成本；

計算：在腳本或智能合約中運行計算的成本；

存儲：為索引目的存儲交易數據的成本，以及為繼續處理新交易區塊而存儲“狀態”的成本。

而性能則是通過兩種方式衡量：

吞吐量：系統每秒可處理的交易數；

延遲：處理交易所需的時間；

比特幣和以太坊等新興加密網絡的理想特性是去中心化。但是，是什么讓網絡變得去中心化呢？

低信任：這一屬性可以讓任何人驗證比特幣的總量不會2100萬BTC，或者也不會有偽造的比特幣。運行節點軟件的個人，獨立計算最新狀態并驗證流程中是否遵循了所有規則；

低成本：如果節點軟件的操作成本很高，則個人將依賴受信任的第三方來驗證狀態。高成本意味著高信任度要求，而這是我們首先要避免的。

另一個需要的特性是就是可擴展性：能夠將吞吐量和延遲超線性地擴展到運行系統的成本。這一定義很好，但沒有包含“信任”。因此，我們指定了“去中心化可擴展性”：即在不顯著增加系統信任假設的情況下，實現可擴展性。

放大來看，以太坊的runtime環境是以太坊虛擬機。通過EVM運行的交易以不同的成本執行各種操作。交易中的計算單位稱為“gas”，系統參數化為每個區塊最多處理1250萬Gas，其中平均每12.5秒生成一個交易區塊。因此，以太坊的延遲時間約為12.5秒，吞吐量為每秒100萬gas。

Reflexer Finance宣布將在Optimism上推出去中心化穩定幣HAI:4月24日消息，Reflexer Finance 將在 Optimism 上發布基于 Optimism 的 RAI 分叉項目 HAI，初始錨定價格 1 美元。HAI 的抵押品類型包括 ETH、RAI、stETH/rETH 等 LSD，以及 OP 和 UNI 等 Optimism 上的資產。該項目預計測試網啟動時間為 6 月 9 日，主網啟動時間預計為 7 月底。[2023/4/24 14:23:37]

你可能會遇到這樣一個問題：每秒100萬gas，你能夠用來做什么？

每秒約47筆簡單的轉賬交易，這些交易每筆花費21000gas，它們是最簡單的交易類型，比如將ETH從地址A轉到地址B；

每秒約16筆ERC20代幣轉賬，與ETH交易相比，這些交易涉及更多的存儲操作，因此每次會花費大約60000gas；

每秒約10筆Uniswap資產交易，該平臺代幣之間的交易平均要花費102000gas；

以此類推；

請注意，隨著交易執行復雜度的增加，系統的吞吐量會降低到非常低的值。還有改進的空間！

解決方案1：使用中介

我們可以利用一個可信賴的第三方來促進我們的所有交易。這樣，我們就能夠得到非常高的吞吐量以及可能的二級延遲，這太棒了！這不會改變任何系統范圍的參數，但我們會選擇進入一個由第三方單方面設置的信任模型。他們可能會選擇審查我們，甚至扣押我們的資產，而這是不可取的。

解決方案2：讓區塊變大，縮短區塊間隔時間

我們可以通過縮短兩個區塊之間的時間來減少延遲，并且可以通過增加區塊gas限制來增加吞吐量。但這種變化將使節點運營的成本變高，從而阻止個人運行節點。

我們可以發現，解決方案1中增加了信任要求，而解決方案2則是增加了成本。這使得這兩種方案，都無法成為可擴展性的好選擇。

從第一性原理重新認識樂觀匯總

在這部分內容中，我們假設讀者了解了哈希和merkle樹的概念。

根據我們目前學到的知識，讓我們模擬一些蘇格拉底式的對話，目的是發現一個協議，它可以提高以太坊的有效吞吐量，而不會增加用戶和節點運營者的負擔。

跨鏈協議Ren Protocol現已集成Optimism:7月5日消息，開放跨鏈協議Ren Protocol現已集成Optimism，用戶現在可以通過Ren Bridge更直觀地橋接BTC、ETH和USDC等Ren所支持的資產往返于Ren和Optimism之間。同時也可以使用RenJS SDK在Optimism上構建跨鏈dApp。[2022/7/5 1:52:44]

問、所以…我們想在不改變信任和成本假設的情況下擴展以太坊。我們該怎么辦？

答：我們希望降低現有操作對系統成本的要求。為了理解要實現它并不是一件易事，我們首先需要了解以太坊的體系結構：

以太坊中的每個節點，當前都存儲并執行用戶提交給它的每個事務。在執行期間，交易會通過EVM運行，并且與EVM的狀態進行交互，這是非常昂貴的。常見的智能合約優化技術的重點，是最大程度地減少與狀態的交互次數，但是它們僅僅提供了較小的常量因素改進。

問：你是說有一種交易方式可以不影響狀態，從而降低資源成本嗎？

答：在極限情況下，我們可以將所有執行轉移到鏈外，并在鏈上保留一些數據。我們可以通過引入一個稱為序列器的第三方來做到這一點。它們負責在本地存儲和執行用戶提交的事務。為了保持系統的活躍性，序列器需要定期提交他們接收事務的merkle根和以太坊上產生的狀態根。這是朝著正確方向邁出的一步，因為對于O(N)鏈外交易，我們只存儲O(1)以太坊狀態數據。

問：所以我們通過讓序列器計算鏈外的所有內容，并只發布merkle根來實現擴容？

答：是的。

問：好的，一旦你加入其中，序列器會保證你的轉賬是便宜的，那存款和取款是如何工作的？

答：用戶將通過在以太坊上存款進入這個系統，然后序列器將相應的金額記入用戶的賬戶。一個用戶通過做一筆交易“我想取款3ETH，我的賬戶目前有>3ETH，這就是它的證明”來將資金提回到以太坊主網。即使L1沒有實際的用戶狀態，**用戶也可以通過顯示引用序列器發布的狀態根的merkle證明，來證明自己在當前狀態下有足夠的資金。

問：我們確定用戶需要一個merkle證明才能提取他們的資金，那用戶如何獲取數據來構造merkle證明呢？

Optimism上鎖倉額較7日前增加85% 創新高:金色財經消息，據L2Beat數據顯示，Optimism上鎖倉額較7天前增加約85.27%，目前約為9.08億美元，不過OP代幣占據鎖倉額的近30%。另外，Optimism網絡交易筆數也在6月1日達到歷史新高，為超48萬筆，當日新地址數達近4萬個。Optimism還在今日更新稱，自從去年實現EVM等效性以來，Optimism上交易正式突破了1000萬筆。[2022/6/3 3:59:30]

答：他們可以讓序列器給他們提供數據！

問：但是如果序列器暫時或者永久不可用呢？

答：序列器可能是惡意的，或者只是因為技術問題而離線，這會導致性能下降因此，我們還必須要求序列器在鏈上提交完整的交易數據，以便存儲但不執行。這里的目的是獲得數據可用性。假設所有數據都永久存儲在以太坊上，即使序列器消失了，新的序列器也可以從以太坊中檢索所有與Layer2相關的數據，重建最新的L2狀態，并從先前停止的地方繼續。

問：因此，如果序列器在線，但拒絕向我提供merkle證明數據，我可以通過以太坊下載它？

答：是的，你可以自己同步以太坊節點，也可以連接到很多托管節點服務之一。

問：所以我還是不明白…你怎么能在以太坊上存儲一些東西，而不執行它呢？不是每筆交易都要通過EVM嗎？

答：假設你提交了10筆將ETH從地址A轉移到地址B的交易，執行每筆交易將執行以下操作：增加A的nonce、減少A的余額以及增加B的余額。這是來自世界狀態相當多的寫入和讀取。相反，你可以將所有交易的編碼發送到智能合約的publishpublic{}函數。請注意，這個函數的主體是空的！這意味著發布的交易數據不會被解釋、執行，也不會在任何地方進行狀態訪問：它只是存儲在區塊鏈的歷史日志當中。

問：我們能相信序列器嗎?如果他們發布了一個無效的狀態轉換呢？

答：每當序列器發布一批狀態轉換時，都會有一個“爭議期”，在這個時間段內，任何一方都可以發布一個“欺詐證明”，以表明其中一個狀態轉換是無效的。通過重廣播導致鏈上狀態轉換的交易，并將結果態根與序列器發布的狀態根進行比較來證明。如果狀態根不匹配，則欺詐證明成功并取消狀態轉換。如果在無效的狀態轉換之后有更多的狀態轉換，它們也會被取消。而超過爭議期的交易將不再有爭議，并被視為最終交易。

Optimism：OVM 2.0 版本上線以太坊主網的時間推遲兩周:10月22日消息，以太坊擴容方案Optimism在推特上表示，為了在主網上線前針對可能出現的問題進行更多的測試，OVM（Optimism虛擬機）2.0版本上線以太坊主網的時間將推遲兩周，于北京時間11月12日1:00上線。

此前報道，Optimism宣布其OVM的2.0版本于10月28日部署至以太網主網，屆時可能有4至6小時的停機時間。[2021/10/22 20:48:08]

問：等一下！你之前說過，如果a）增加了成本，或b）引入了新的信任假設，那就沒法真正實現可擴展。那在你描述的方案中，我們不是另外假設了總有人在舉報欺詐行為嗎？

答：是的，我們假設有被稱為“驗證者”的實體負責監視欺詐行為，如果Layer1和Layer2狀態不匹配，他們就會發布欺詐證明。我們還假設驗證者能夠在爭議期限內，可靠地獲得以太坊中包含的欺詐證明。我們認為驗證者的存在，是一個“弱”假設。想象一下，如果有成千上萬用戶的應用，那你只需要一個人來運行一個驗證器。這聽起來還是很有可能的，另一方面，更改以太坊的信任模型或增加操作以太坊節點的成本，是我們不想做的“強”假設更改。當我們定義去中心化可擴展性時，這就是“有意改變底層系統的假設”的意思。

問：我同意有人會來運行驗證器，因為很多參與者對這種新解決方案成功，是擁有既得利益的。但可以肯定的是，這還取決于實際花費的成本。那運行驗證器和序列器的資源需求是什么呢？

答：序列器和驗證器必須要運行一個以太坊全節點，一個完整的L2節點，以產生L2狀態。驗證器運行的軟件負責創建欺詐證明，而序列器運行的軟件負責捆綁用戶交易，并發布它們。

問：就是這樣的嗎？

答：是的！恭喜你！你已經重新發現了樂觀匯總，這是2019-2021年最令人期待的擴容方案。它是以太坊社區多年研究過程的最終產物，你在以上簡短的對話中能夠體驗到這一點。

樂觀匯總中的激勵措施

Layer2擴容基于以下事實：我們試圖最小化鏈上執行交易的數量。我們使用欺詐證明來取消可能發生的任何無效狀態轉換。由于欺詐證明是鏈上交易，因此我們也希望盡量減少在以太坊上發布的欺詐證明的數量。在理想的情況下，欺詐永遠不會發生，因此欺詐證明也就不需要發布。

以太坊擴容方案Optimism將主網吞吐量限制提高一倍:金色財經報道，以太坊擴容方案Optimism在推特宣布，剛剛將主網的的吞吐量限制提高了一倍。在開始限制更高的gas價格之前，每天最多可以處理20萬筆交易。[2021/9/14 23:22:49]

我們通過引入忠誠保證來消除欺詐行為。為了使用戶能夠建立序列器，他們必須先在以太坊上發布一份保證金，如果欺詐行為被證實，則這些資金會被沒收。為了激勵個人尋找欺詐行為，序列器的保證金會被削減，并分發給找到欺詐行為的驗證者。

忠誠度保證金和爭議期

在設計欺詐證明的激勵措施時，需要調整兩個參數：

忠誠度保證金大小：即建立序列器必須要鎖定的資金量，這些資金也是驗證者要追求的目標。顯然，這個金額越大，成為驗證者的動機就越大，而序列器進行欺詐的動機也就越小。

爭議期限：發布欺詐證明的時間窗口，在此時間窗口之后，L2交易在L1上結算被認為是安全的。長時間的爭議期，是為了提供更好的安全保障，以防止審查攻擊。而較短的爭議期，則可以為用戶創造更好的體驗，因為他們不需要等待很長時間就可以在L1上重新使用他們的資金。

在我們看來，這兩個參數都沒有正確的靜態值，也許10ETH保證金和1天的爭議期就足夠了。也許1ETH保證金和7天爭議期也是可以的。真正的答案是，這取決于作為驗證者的動機以及發布欺詐證明的容易程度。這兩項都應該是可調整的，無論是手動還是自動。值得一提的是，EIP1559為以太坊引入了一個新的BASEFEE操作碼，可用于估計鏈上擁堵情況，并因此以編程方式調整爭議期的持續時間。

這一懲罰機制的正確實施是至關重要的，否則將在實踐過程中被利用。下面就是一個無法正常工作的簡單實現示例：

Alice抵押了1ETH保證金，這讓她建立了一個序列器；

Alice發布了一個虛假的狀態更新；

Bob注意到了這一點，并對其發起爭議挑戰，如果挑戰成功，這會導致Alice抵押的1ETH保證金轉到Bob的賬戶，并取消欺詐性狀態更新；

Alice注意到了這個爭議挑戰，她也發起爭議挑戰；

Alice收到了自己的1ETH，實際上她并沒有支付罰款，即使她試圖欺詐了；

Alice可以通過“搶先交易”發起攻擊，即廣播與Bob相同的交易，但支付更高的gas費用，這導致Alice的交易先于Bob的交易執行。這意味著Alice可始終嘗試以最小的成本進行欺詐。

解決這個問題的方法是簡單的：不將全部保證金授予爭議挑戰方，而是燃燒掉其中的X%。在上面的例子中，如果我們燃燒掉50%，Alice將收到0.5ETH的回報，這將是一個足夠的抑制措施，導致她不會嘗試第二次作弊。當然，這種燒制機制會降低用戶運行驗證器的動機，因此燃燒后的保證金獎勵，應該足夠多以吸引到驗證者。

關于針對樂觀匯總的批評以及我們的回應

現在，我們已經完成了樂觀匯總的基礎構建塊，讓我們探討并解決針對該機制的一些批評問題。

問題1：長時間的退出/爭議期對采用及可組合性而言是不利的，這是致命的

上面我們提到，長期的爭議期對安全而言是有很大好處的，但這里似乎有一個內在的權衡問題：長時間的爭議期不利于采用，因為任何想要從中提取資金的用戶都需要等待很長的時間，比如說7天。而較短的爭議期，盡管對用戶來說可以有更流暢的體驗，但這樣就需要冒著欺詐發生的風險，沒有爭議會被及時包含進來。

我們不認為這是一個問題，由于這一潛在的大規模退市延遲，我們預計做市商將介入并提供更快的退市服務。這是可能的，因為驗證L2狀態的人，可以正確判斷取款是否屬于欺詐，從而以小折扣購買他們的服務。下面就是一個例子：

參與者：

Alice在L2上有5ETH；

Bob：“做市商”智能合約的L1上有4.95ETH，并且正在L2上運行驗證器；

步驟：

Alice讓Bob知道她想要“快速”提款，并向他提供0.05ETH的費用；

Alice向Bob的“做市商”智能合約發起一筆提款交易；

可能會發生兩件事：Bob在L2驗證器上檢查取款是否有效，并批準快速取款。這會立即將4.95ETH轉到Alice的L1地址。在取款期結束后，Bob可以申領5ETH，從而獲得可觀的利潤。

Bob的驗證器提醒他這筆交易是無效的，Bob對該交易引起的狀態轉換提出異議，取消了交易并贏得了允許惡意交易發生的序列器保證金。

Alice要么很老實，立即拿出她的資金，要么不老實，然后受到懲罰。如果有這項服務的需求，我們預計向這些做市商支付的費用，會隨著時間的推移而壓縮，最終使該程序對用戶完全不可見。

這個功能最重要的含義是，它可以與L1合約實現組合，而不必等待整個爭議期。

請注意，這項技術首先在“簡單快速取款”中進行了介紹。

問題2:礦工有可能會被賄賂，以審查取款，破壞OR的安全

在“樂觀匯總近乎零成本攻擊場景”中，有人會認為，礦工的激勵機制如此之大，以至于序列器與以太坊礦工合謀審查任何爭議交易都是微不足道的。考慮到對安全性的依賴，這對任何樂觀系統來說都是致命的。

我們不同意這個觀點，我們認為，誠實的一方將總是愿意賄賂礦工，甚至要比惡意方更多。此外，礦工每次通過幫助惡意一方獲勝而背離“誠實”行為，都要付出額外的代價。這種行為會破壞以太坊的價值，這可能會增加礦工參與以太坊的成本。

事實上，學術文獻中已經研究過這種情況，證明了“這種反擊的威脅導致了一個子博弈完美均衡，在這種均衡中，不會有人先去進行攻擊。”

我們要感謝Hasu提供的論文證據。

問題3:驗證者的困境，造成了阻礙驗證者操作的障礙

EdFelten為驗證者的困境撰寫了一些出色的分析和解決方法，我們總結如下：

如果這個系統的激勵措施按預期運行，則沒有人會作弊；

如果沒有人作弊，那么運行驗證器就沒有意義了，因為運行驗證器賺不到錢；

因為沒有人運行驗證器，所以序列器最終會有機會作弊；

序列器作弊，系統不再按預期運行；

聽起來這很重要，而且幾乎是自相矛盾的！假設獎勵的大小是固定的，更多的驗證者會減少單個驗證者的預期支付。此外，更多的驗證者似乎縮小了獎勵大小，因為欺詐發生較少，這進一步加劇了問題。在后續的分析中，Felten還提供了一種解決驗證者困境的方法。

我想站在相反的立場說這件事，驗證者的困境并不像批評者說的那么重要。在實踐當中，作為驗證者存在著與金錢無關的激勵。例如，如果你是一個建立在rollup之上的大型應用商，或者你是代幣持有者，如果系統發生故障，那么你的應用將無法工作，或者你的代幣價值將會變少。除此之外，快速取款的需求為做市商驗證者的存在創造了動力，而與欺詐行為無關。為了更具體地說明這一點，比特幣沒有提供存儲整個區塊鏈歷史記錄或將你的本地數據提供給對等節點的激勵，但是人們還是會無私地這樣做。

即使在真空中運行驗證器與激勵機制不兼容，它也能保證系統的安全，這對于投資于系統成功的實體來說是最重要的。因此，我們認為沒有必要設計機制來解決樂觀第二層系統中驗證者的困境。

結論

與文章的標題一致，我們分析了以太坊在2021年最重要的技術方案之一：樂觀匯總。

總結一下這種方案的好處：OR作為一種以太坊擴容方案，它繼承了以太坊主網的安全性、可組合性以及開發人員的護城河，同時提高了性能，并且沒有對以太坊用戶的成本或信任要求產生實質性影響。我們探索了使樂觀匯總起作用的激勵結構，并對常見批評進行了回應。

作為補充閱讀，我們推薦大家閱讀Vitalik的《Rollup和信任模型的不完整指南》這篇文章，我們還建議大家研究下OR的近親ZKRollup，我們在StarkWare的朋友就是構建的這類方案。最后，還有其他方法可以實現去中心化的可擴展性，例如分片和狀態通道，它們也都有各自的優缺點。

我們要感謝Hasu，PatrickMcCorry，LiamHorne，BenJones，KobiGurkan和DaveWhite為本文提供的寶貴反饋意見。

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