科普 | 以太坊擴容之Layer-2 Rollup擴容解決方案的探討_ROL

在2020年5月，以太坊網絡上出現了所謂的“黑色星期四”：以太坊變得過于擁擠，以至于MakerDAO無法按照預期進行工作。在這種情況下，不同參與者可以去競標“抵押品不足的資產”，這意味著允許一個參與者以0美元的價格競標價值450萬美元的ETH。MakerDAO的崩潰向我們展示了可擴展性不足的后果。

正如“黑色星期四”所證明的那樣，如今這種因以太坊擁堵而造成的安全威脅已成為一個十分嚴重的問題，許多項目通過創建鏈外Layer2的解決方案來解決可擴展性問題，這些解決方案本質上都是將區塊鏈作為信任的錨點。

Layer2擴容技術將事務遷移到鏈外。如果構建可行，那么Layer2擴容解決方案可以利用區塊鏈的許多好處，而不會產生相同的成本，并且需要進行更少的權衡和假設。

過去幾年中，有關以太坊的兩個主要擴容建議是側鏈和狀態通道。而近期Rollup的解決方案引起了公眾的密切關注，基于Rollup的Layer2項目也獲得了很大進展。上一期德鄰研究院為大家介紹了以太坊Layer2擴容解決方案，本期的主題是在了解Layer2的基礎上一起聊一下現在以太坊社區內大火的Rollup擴容解決方案。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

首先，什么是Rollup？

Rollup是類似于Plasma的Layer2擴容解決方案，它借鑒了Plasma的許多概念。Rollup在某種意義上類似于Plasma，通過將交易從鏈下遷移至由主網保護的Layer2側鏈來擴容以太坊。這兩種擴容方案都將智能合約部署到主網上，其中包含了存放在側鏈中的所有資金和側鏈當前狀態的證明。側鏈用戶和運營商對側鏈進行維護，并確保將有效的狀態轉換提交給主網合約。

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

Rollup的概念可以追溯到2014年，被以太坊聯合創始人VitalikButerin稱為“ShadowChain”，即影子鏈。Plasma和狀態通道等解決方案的失敗導致開發人員重新審視了Buterin的ShadowChain。雖然Plasma和狀態通道每秒可以擴展數百萬個事務，但它們不能兼容那些DeFi相關的應用程序中的智能合約。

Rollup建立在“ShadowChain”構想的基礎上，通過在鏈外執行狀態并且僅使用以太坊區塊鏈來實現數據可用性。Rollup的區塊發布或狀態更新僅通過txCALLDATA將一些數據發布到每個事務的主鏈上，從而提高了吞吐量并克服了側鏈的數據扣留攻擊問題。

動態 | 央行官微舊文重發“再科普”：范一飛詳解數字貨幣:據中國經濟網消息，今日，央行官微公眾號頭條重新發布央行副行長范一飛在2018年1月25日題為《關于央行數字貨幣的幾點考慮》的文章，對央行數字貨幣再次進行科普。同時，微信公眾號第二條發布支付司副司長穆長春8月10日在第三屆中國金融四十人伊春論壇上的演講。近年來，各主要國家和地區央行及貨幣當局均在對發行央行數字貨幣開展研究，新加坡央行和瑞典央行等已經開始進行相關試驗，人民銀行也在組織進行積極探索和研究。[2019/8/21]

Rollup有兩種類型：OptimisticRollup和ZKRollup。它們在確保側鏈區塊有效性方面采取的方法有所不同。對于OptimisticRollup，有效性由欺詐證明和同步假設來確保，而對于ZKRollup，有效性則由零知識證明來確保。

什么是OptimisticRollup？

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

OptimisticRollup的設想首先由JohnAdler在2019年7月的以太坊基金會研究論壇上提出，并且OptimisticRollup更接近影子鏈的原始設想提綱。致力于OptimisticRollup的團隊包括Optimism，FuelLabs，Arbitrum等。

在OptimisticRollup中，有兩個主要參與者：Aggregators和Validators。它可以提供近乎即時的交易和智能合約，并且不需要Gas費。在使用現有ECDSA簽名的情況下，由OptimisticRollup啟用的事務處理速度約為100tps。如果將簽名方法更改為BLS，則事務處理速度可以增加到500tps。

聲音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈發文稱，“什么是RAM？簡單來說就是EOS這個國家的土地，所有的經濟行為都離不開土地。只要EOS的BP們能投票形成一個穩定的供給預期，并且不改變目前的Bancor算法，那么RAM后續的價格有可能會像北上廣深的房價走勢。房價下跌不行，房價過快上漲也不行，EOS的生態越來越像某國了，真有意思。”[2018/7/6]

OptimisticRollup是指其對以太坊Optimistic虛擬機的使用，從技術上講，它是以太坊虛擬機的集成化，它基于Layer2的數據對Layer1的狀態進行了“樂觀”的狀態預測。我們可以這樣理解：在OptimisticRollupLayer2鏈上，用戶有一臺用于處理交易和智能合約的機器，所有日常操作都在該Layer2機器中進行；在以太坊Layer1鏈上，用戶擁有一臺相同的OVM機器，但除非緊急情況發生，否則不會使用它。如果某人認為某一個Layer2OVM的操作是具有欺詐性的，那么他可以在Layer1運行的OVM計算機上重新運行該操作來證明該操作的真實性。要成為OptimisticRollupLayer2節點，用戶須在Layer1智能合約中鎖定一些資金，如果該用戶表現不佳，并且有其他用戶最終證明了該用戶的操作具有欺詐性，則該用戶的保證金將被削減，而用戶將獲得與所削減數量等額的保證金作為獎勵。

OptimisticRollup可以支持簡單的支付和復雜的智能合約，現有代碼庫的大部分內容都可以輕松移植到OptimisticRollup中，因此OptimisticRollup被視為直接解決方案。另一方面，將智能合約從以太坊的主鏈無縫遷移到ZKRollup是一件相對來說難度更大的事。

什么是ZKRollup？

簡而言之，ZKRollup是一種Layer2擴容解決方案，其中所有資金都由主鏈上的智能合約持有，而它執行鏈下的計算和存儲，其側鏈的有效性通過零知識證明來確保。

ZKRollup最初由BarryWhitehat于2018年提出，其安全保障與底層Layer1相同，可以在一分鐘內生產區塊并將吞吐量提高至2,000tps。ZKRollup實現的項目包括MatterLabs和Starkware。

ZKRollup無需等待兩周的時間來完成影子鏈中的一個區塊的最終確定，而是用零知識證明代替了欺詐挑戰。賬戶和余額由單獨的Merkle樹表示。這些默克爾樹的根確保了沒有人可以偽造數據。每個Merkle樹的根都存儲在以太坊上的智能合約中，該合約只提供側鏈狀態的“簡單表示”，所有其他數據都是在鏈外存儲的。

ZKRollup就像你在與建立區塊和狀態更新的某個人進行交談。狀態的變化是經過哈希處理的，這是SNARK的輸入過程，該輸入中包括Rollup塊中每個事務的有效性證明。交易被匯總在一起，僅有頭部被簽名并提交給主鏈。因此，減少了以太坊鏈上存儲的數據量。所有簽名都被稱為ZK-SNARK的零知識證明所取代，這可以使所匯總的交易記錄得到壓縮。

由于每個簽名的驗證都被單個SNARK取代，因此計算也得到了改善。僅有一小部分信息添加到主鏈中，他們僅占通過CALLDATA在鏈上發布的交易數據的一小部分。提交區塊或狀態更新后，用戶可以檢驗零知識證明的有效性。若其中發起挑戰的交易告訴智能合約某些數據不正確，那么該區塊最終無效。

這些挑戰在ZKRollup中被ZK-SNARK所取代，在該中繼器中無效或不正確的狀態是不可能被提交的。SNARK證明這一系列交易是由擁有者正確簽署的，并且從舊的Merkle根到新的Merkle根，賬戶余額的更新是正確的。因此，中繼器不可能提交無效的或被操縱的狀態。

ZKRollup將ZKSNARK證明提交到主網Rollup合約中。然后主網智能合約將驗證并接受任何有效的證明。這個過程幾乎立即發生并且規模巨大。相較而言，OptimisticRollup總會犧牲一些可擴展性以適應Layer2上的智能合約，同樣它的過程會稍有延遲，以便于用戶有時間向BondAggregator的無效塊發起挑戰。

因此，從長遠來看，也有人認為ZKRollup是更有希望的解決方案。盡管現在這種擴容技術確實可以對OptimisticRollup進行補充以實現簡單的付款，但是已經有一些Dapp使用該技術，并且在實現智能合約支持方面取得了進展。

Rollup對于以太坊具有很大的潛力，但仍有許多挑戰需要克服。Rollup的挑戰在于DeFi服務器的可組合性。如果不同的Rollup鏈上有不同的Dapp，則不同Rollup鏈之間的信息互通將比以太坊主鏈上的信息互通更加困難。為了保持可組合性，DeFi服務器將必須在特定的Rollup鏈上進行協調并創造臨界質量。盡管在以太坊應用程序中出現了采用Rollup的良好跡象，但區塊鏈網絡“無需許可”的性質意味著并非每個用戶或服務器都將采用這些Layer2解決方案。

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