德邻资本研究院：以太坊扩容之Layer-2 Rollup扩容解决方案的探讨

在2020年5月，以太坊网络上呈现了所谓的 “黑色周四”：以太坊变得过于拥挤，以至于MakerDAO无法依照预期进行工作。在这种情况下，不同参与者能够去竞标“抵押品不足的资产”，这意味着答应一个参与者以0美元的价格竞标价值450万美元的ETH。MakerDAO的崩溃向我们展示了可扩展性不足的结果。

正如“黑色周四”所证明的那样，如今这种因以太坊拥堵而形成的安全要挟已成为一个十分严峻的问题，许多项目经过创立链外Layer2的处理方案（例如侧链、状况通道、Rollup等）来处理可扩展性问题，这些处理方案本质上都是将区块链作为信赖的锚点。

Layer2扩容技能将业务迁移到链外（与Layer1扩容技能相反，后者进步了根底链的业务吞吐量）。假如构建可行，那么Layer2扩容处理方案能够利用区块链的许多好处（安全性，不变性，去中心化等），而不会产生相同的成本（确认时间慢，买卖成本昂扬且买卖成本高等），而且需求进行更少的权衡和假设。

曩昔几年中，有关以太坊的两个首要扩容主张是侧链（即Plasma）和状况通道（是一种更通用的付出渠道版别，在比特币网络上已存在多年）。而近期Rollup的处理方案引起了公众的密切重视，根据Rollup的Layer2项目也获得了很大发展。上一期德邻研究院为大家介绍了以太坊Layer2 扩容处理方案，本期的主题是在了解Layer2的根底上一起聊一下现在以太坊社区内大火的Rollup扩容处理方案。

首先，什么是Rollup？

Rollup是类似于Plasma的Layer2扩容处理方案，它学习了Plasma的许多概念。Rollup在某种意义上类似于Plasma，经过将买卖从链下迁移至由主网（也便是Layer 1）保护的Layer2侧链来扩容以太坊。这两种扩容方案都将智能合约布置到主网上，其间包含了存放在侧链中的一切资金和侧链当时状况的证明。侧链用户和运营商对侧链进行维护，并保证将有效的状况转换提交给主网合约。

Rollup的概念能够追溯到2014年，被以太坊联合创始人Vitalik Buterin称为“Shadow Chain”，即影子链。Plasma和状况通道等处理方案的失败导致开发人员从头审视了Buterin的Shadow Chain（现称为Rollup）。虽然Plasma和状况通道每秒能够扩展数百万个业务，但它们不能兼容那些DeFi相关的应用程序中的智能合约。 

Rollup建立在“Shadow Chain”构想的根底上，经过在链外履行状况而且仅运用以太坊区块链来完结数据可用性。Rollup的区块发布或状况更新仅经过tx CALLDATA将一些数据发布到每个业务的主链上，然后进步了吞吐量并战胜了侧链的数据扣留进犯问题。 

Rollup有两种类型：Optimistic Rollup和ZK Rollup。它们在保证侧链区块有效性方面采纳的办法有所不同。关于Optimistic Rollup，有效性由诈骗证明和同步假设来保证，而关于ZK Rollup，有效性则由零常识证明来保证。

什么是Optimistic Rollup？

OptimisticRollup的想象首先由John Adler在2019年7月的以太坊基金会研究论坛上提出，而且Optimistic Rollup更挨近影子链的原始想象提纲。致力于Optimistic Rollup的团队包含Optimism（前Plasma Group），Fuel Labs，Arbitrum等。

在Optimistic Rollup中，有两个首要参与者：Aggregators（收取网络费用）和Validators（鼓励方式类似于比特币的全节点）。它能够提供近乎即时的买卖和智能合约，而且不需求Gas费（不包含Aggregators收取的费用）。在运用现有ECDSA签名的情况下，由Optimistic Rollups启用的业务处理速度约为100 tps。假如将签名办法更改为BLS，则业务处理速度能够增加到500 tps。

Optimistic Rollup是指其对以太坊Optimistic虚拟机（OVM）的运用，从技能上讲，它是以太坊虚拟机（EVM）的集成化，它根据Layer2的数据对Layer1的状况进行了“乐观”的状况预测。我们能够这样理解：在Optimistic Rollup Layer2链上，用户有一台用于处理买卖和智能合约的机器（OVM），一切日常操作都在该Layer2机器中进行；在以太坊Layer1链上，用户具有一台相同的OVM机器，但除非紧急情况产生，否则不会运用它。假如或人以为某一个Layer2 OVM的操作是具有诈骗性的，那么他能够在Layer1运转的OVM核算机上从头运转该操作来证明该操作的真实性。要成为Optimistic Rollup Layer2节点，用户（A）须在Layer1智能合约中锁定一些资金（成为“Bond Aggregator”），假如该用户（A）表现欠安，而且有其他用户（B）终究证明了该用户（A）的操作具有诈骗性，则该用户（A）的保证金将被减少，而用户（B）将获得与所减少数量等额的保证金作为奖赏。 

Optimistic Rollup能够支撑简略的付出和杂乱的智能合约，现有代码库的大部分内容都能够轻松移植到Optimistic Rollup中，因而Optimistic Rollup被视为直接处理方案。另一方面，将智能合约从以太坊的主链无缝迁移到ZK Rollup是一件相对来说难度更大的事。

什么是ZKRollup？ 

简而言之，ZK Rollup是一种Layer2扩容处理方案，其间一切资金都由主链上的智能合约持有，而它履行链下的核算和存储，其侧链的有效性经过零常识证明来保证。

ZK Rollup最初由Barry Whitehat于2018年提出，其安全保证与底层Layer1（即以太坊）相同，能够在一分钟内出产区块并将吞吐量进步至2,000 tps。ZK Rollup完结的项目包含Matter Labs和Starkware。

ZK Rollup无需等候两周的时间来完结影子链中的一个区块的终究确认，而是用零常识证明代替了诈骗应战。账户和余额由单独的Merkle树表明。这些默克尔树的根保证了没有人能够伪造数据。每个Merkle树的根（一个用于账户，另一个用于余额）都存储在以太坊上的智能合约中，该合约只提供侧链状况的“简略表明”，一切其他数据都是在链外存储的。

ZK Rollup就像你在与建立区块和状况更新的某个人（称为中继器）进行攀谈。状况的改变是经过哈希处理的，这是SNARK（一种零常识证明）的输入进程，该输入中包含Rollup块中每个业务的有效性证明。买卖被汇总在一起，仅有头部被签名并提交给主链。因而，减少了以太坊链上存储的数据量。一切签名都被称为ZK-SNARK的零常识证明所替代，这能够使所汇总的买卖记录得到压缩。

由于每个签名的验证都被单个SNARK替代，因而核算也得到了改善。仅有一小部分信息（地址簿的两个Merkle根和余额/随机数，两者均为32字节）添加到主链中，他们仅占经过CALLDATA在链上发布的买卖数据的一小部分。提交区块或状况更新后，用户能够检验零常识证明的有效性。若其间建议应战的买卖告知智能合约某些数据不正确，那么该区块终究无效。

这些应战在ZK Rollup中被ZK-SNARK所替代，在该中继器中无效或不正确的状况是不可能被提交的。SNARK证明这一系列买卖是由具有者正确签署的，而且从旧的Merkle根到新的Merkle根，账户余额的更新是正确的。因而，中继器不可能提交无效的或被操纵的状况。

ZK Rollup将ZK SNARK证明提交到主网Rollup合约中。然后主网智能合约将验证并承受任何有效的证明。这个进程几乎当即产生而且规模巨大。相较而言，Optimistic Rollup总会献身一些可扩展性以适应Layer2上的智能合约，同样它的进程会稍有延迟，以便于用户有时间向Bond Aggregator的无效块建议应战。

因而，从长远来看，也有人以为ZK Rollup是更有期望的处理方案。尽管现在这种扩容技能确实能够对Optimistic Rollup进行弥补以完结简略的付款，可是已经有一些Dapp运用该技能（例如LoopRing），而且在完结智能合约支撑方面取得了发展。

Rollup关于以太坊具有很大的潜力，但仍有许多应战需求战胜。Rollup的应战在于DeFi服务器的可组合性。假如不同的Rollup链上有不同的Dapp，则不同Rollup链之间的信息互通将比以太坊主链上的信息互通愈加困难。为了坚持可组合性，DeFi服务器将必须在特定的Rollup链上进行协调并发明临界质量。尽管在以太坊应用程序中呈现了选用Rollup的杰出痕迹，但区块链网络“无需答应”的性质意味着并非每个用户或服务器都将选用这些Layer2处理方案。

视野开拓

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