背景

最近，以太坊創(chuàng)始人 Vitalik Buterin 在一篇題為“混合式二層協(xié)議的曙光” 的文章[1]里對(duì) Rollup 方案大加贊賞，認(rèn)為它為智能合約的可擴(kuò)展性打開(kāi)了大門。那么什么是 Rollup ？它包括哪些主流方案？這些方案各自有什么優(yōu)缺點(diǎn)？它們未來(lái)發(fā)展前景怎樣？為了找到這些問(wèn)題的答案，筆者對(duì)相關(guān)項(xiàng)目做了一番調(diào)研，將收集到的信息整理成下面這篇文章。

Rollup 的出現(xiàn)

最近幾年，以太坊二層（Layer-2）擴(kuò)容技術(shù)得到迅猛發(fā)展。所謂二層，就是將一部分資金存儲(chǔ)在主鏈智能合約里，在保證足夠安全的前提下，把一部分交易放到主鏈之外進(jìn)行，好像鏈下多出來(lái)一層網(wǎng)絡(luò)。二層方案里表現(xiàn)比較突出的是狀態(tài)通道和 Plasma 側(cè)鏈。雖然這兩種方案誕生時(shí)間很早，但是發(fā)展的卻比較緩慢。其背后的原因歸根結(jié)底是數(shù)據(jù)的可用性（Data Availability）問(wèn)題。

什么是數(shù)據(jù)可用性呢？這里有個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦印＜僭O(shè)你去賭場(chǎng)玩撲克，首先要把現(xiàn)金換成籌碼，這可以理解成在鏈上創(chuàng)建狀態(tài)通道，并存入押金。然后你開(kāi)始玩撲克，這就是所謂的鏈下交易。在贏得一手大牌之后，你想要兌現(xiàn)走人，突然有人給你腦后來(lái)了一悶棍，醒來(lái)后桌上的籌碼不翼而飛。你記不起來(lái)牌局的細(xì)節(jié)，所以無(wú)法追回已經(jīng)贏得的籌碼，這就是所謂的“數(shù)據(jù)不可用”。無(wú)論是狀態(tài)通道還是 Plasma 側(cè)鏈，完整的交易記錄和見(jiàn)證數(shù)據(jù)都只保存在鏈下，出現(xiàn)爭(zhēng)端時(shí)如果參與者沒(méi)有及時(shí)提供正確的交易和見(jiàn)證數(shù)據(jù)，交易的安全性就無(wú)法保證。就好像是那個(gè)忘記了牌局細(xì)節(jié)的人，很難追回屬于自己的籌碼。

就在二層擴(kuò)容技術(shù)舉步維艱的時(shí)候，一種名叫 Rollup 的新方案被提了出來(lái)。與狀態(tài)通道和 Plasma 不同的是，它可以“打包”交易，并將“打包”后的交易數(shù)據(jù)連同一個(gè) SNARK 零知識(shí)證明發(fā)布到鏈上。打包的正確性可以通過(guò)零知識(shí)證明來(lái)見(jiàn)證，負(fù)責(zé)“打包”的操作者不可能發(fā)布惡意或無(wú)效的交易。這就是后來(lái)被 Vitalik Buterin 稱之為 ZK Rollup 的二層擴(kuò)容方案。ZK Rollup 并非萬(wàn)能，它遇到的最大問(wèn)題是通用性。除非要證明的交易非常簡(jiǎn)單，否則創(chuàng)建 SNARK 證明的成本會(huì)非常高。因此，一種名叫 Optimistic Rollup 的折衷方案被提了出來(lái)。Optimistic Rollup也是把交易數(shù)據(jù)都放到鏈上，但不是用 SNARK 做見(jiàn)證，而是采用“加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈”來(lái)實(shí)現(xiàn)有效性驗(yàn)證。

工作原理

Rollup 的核心思想是將“打包”后的交易數(shù)據(jù)區(qū)塊發(fā)布在鏈上，從而降低交易有效性驗(yàn)證的難度。交易數(shù)據(jù)的上鏈和驗(yàn)證是基于智能合約完成的。操作者收集到不同參與者提交的鏈下交易后，在鏈上執(zhí)行 Rollup 智能合約提供的腳本，將打包后的交易數(shù)據(jù)區(qū)塊作為參數(shù)提交給合約，合約驗(yàn)證數(shù)據(jù)有效后為每個(gè)參與者記賬。這相當(dāng)于一次性執(zhí)行了一批鏈下交易，但是在鏈上只執(zhí)行了一個(gè)交易。

下圖是 ZK Rollup 提交上鏈的打包數(shù)據(jù)。它包含一組壓縮后的交易數(shù)據(jù) [Tx]（不包含任何簽名）、執(zhí)行這批交易之前的老的用戶狀態(tài)的 merkle 樹(shù)樹(shù)根，以及執(zhí)行交易之后的新的用戶狀態(tài)的 merkle 樹(shù)樹(shù)根。除此之外還包含一個(gè) SNARK 零知識(shí)證明，合約用它來(lái)驗(yàn)證在老的用戶狀態(tài)上施加這批交易 [Tx] 后結(jié)果就是新的用戶狀態(tài)。零知識(shí)證明具體是如何工作的？這不是三言兩語(yǔ)就能解釋清楚的，大家可以參考文章[2]，里面對(duì)零知識(shí)證明的工作原理做了詳細(xì)闡述。

生成 SNARK 的成本非常高，所以 Optimistic Rollup 采用了不同的方法——“欺詐證明”來(lái)驗(yàn)證交易有效性。這里的“欺詐證明”并非 SNARK 那樣的見(jiàn)證數(shù)據(jù)，它實(shí)際上指的是加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈（Cryptoeconomic Validity Game）。越說(shuō)越暈了#￥￥%......，其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是每次打包后的交易被提交到鏈上時(shí)，智能合約都假定它們是正確的，無(wú)需驗(yàn)證。如果有人篡改了交易，操作者或者其它參與者都可以挑戰(zhàn)非法交易，挑戰(zhàn)成功后通過(guò)智能合約回滾不正確的區(qū)塊，作弊者會(huì)受到懲罰，它的押金將會(huì)被沒(méi)收，部分押金會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)給挑戰(zhàn)者。這就是所謂的基于加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈的“欺詐證明”，實(shí)際上是讓參與各方互相監(jiān)督，通過(guò)懲罰機(jī)制來(lái)提高作弊成本。為了實(shí)現(xiàn)“欺詐證明”，光有 ZK Rollup 那樣的交易數(shù)據(jù) [Tx] 是不夠的，Tx數(shù)據(jù)需要包涵交易提交者的簽名，合約通過(guò)校驗(yàn)簽名來(lái)判斷交易是否合法。

安全性

Rollup 的安全性來(lái)自于數(shù)據(jù)可用性和交易有效性。有了數(shù)據(jù)可用性和交易有效性，就能保證 Rollup 操作者永遠(yuǎn)不能破壞狀態(tài)或竊取資金，即使操作者不配合，參與者也能方便的追回 Rollup 網(wǎng)絡(luò)上的資產(chǎn)。Rollup 將交易數(shù)據(jù)發(fā)布到鏈上，就像“錨”一樣將 Rollup 網(wǎng)絡(luò)錨定到了以太坊主鏈上。就好比是賭場(chǎng)里裝上了攝像頭，即便是玩撲克的人被打了一悶棍，還是能通過(guò)視頻記錄證明自己確實(shí)贏了錢。

對(duì)于交易有效性驗(yàn)證，ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 采取了不同的方法[3]。ZK Rollup 采用零知識(shí)證明來(lái)保證交易有效。它的安全性建立在密碼學(xué)基礎(chǔ)之上，智能合約僅在交易數(shù)據(jù)被證明為正確之后才會(huì)接受狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都有一個(gè)零知識(shí)證明，這保證了鏈上總是對(duì)應(yīng)著一個(gè)正確的二層狀態(tài)。Optimistic Rollup 采用基于加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈的“欺詐證明”，它無(wú)需為每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都提供證明，只在有人認(rèn)為狀態(tài)轉(zhuǎn)換有誤的時(shí)候提供。因?yàn)槌聊瑢⒈灰暈橥猓运蠼灰追奖仨毭繒r(shí)每刻都要在線。相比較 ZK Rollup，Optimistic Rollup 的安全性有所降低，它需要采取額外的措施來(lái)防止 DDoS 攻擊造成的“默許”。

可擴(kuò)展性

Rollup 通過(guò)一次鏈上交易可以執(zhí)行一大批打包后的鏈下交易，主鏈不需要通過(guò)執(zhí)行每筆交易來(lái)驗(yàn)證其有效性，而且交易數(shù)據(jù)是作為函數(shù)參數(shù)發(fā)布的，驗(yàn)證完有效性后就會(huì)被丟棄，這樣就不會(huì)占據(jù)主鏈的存儲(chǔ)空間。因此 Rollup 可以大幅度提升主鏈的可擴(kuò)展性。

但是這種提升并非沒(méi)有限制，雖然只有一次鏈上交易，但是它會(huì)受到交易數(shù)據(jù)本身 gas 成本的制約。以太坊數(shù)據(jù)的 gas 成本在伊斯坦布爾升級(jí)前是每字節(jié) 68 單位，而以太坊上每個(gè)地址就會(huì)占用 20 字節(jié)，所以如果用以太坊交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示鏈下交易，gas 費(fèi)用會(huì)非常高，因此 Rollup 對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮。

ZK Rollup 在智能合約里用 merkle 樹(shù)來(lái)記錄地址，這樣地址就可以表示成樹(shù)的索引值，地址數(shù)據(jù)的大小就從原本的 20 bytes 減少到只有 3 bytes 到 4 bytes。每筆交易就被壓縮成 10 幾個(gè)字節(jié)，再加上一個(gè)約 100-300 字節(jié)的 SNARK，理論上可以將以太坊吞吐量從 32 TPS 提升到約 680 TPS，伊斯坦布爾升級(jí)后可達(dá)到 2000 TPS。下圖是壓縮后 ZK Rollup 每筆交易數(shù)據(jù)的格式：

Optimistic Rollup 的吞吐量理論上只有 100 TPS，主要原因是上文提到過(guò)的，為了支持“欺詐證明”，Optimistic Rollup的每筆交易數(shù)據(jù)需要包涵交易提交者的簽名。每條簽名的大小是 64 bytes，這大大增加了提交上鏈的交易數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，從而很快達(dá)到 gas 上限。為了減少交易數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，一種 BLS 聚合簽名機(jī)制被提了出來(lái)。如下圖所示， BLS 聚合簽名機(jī)制是在操作者收集到所有交易后，將打包后的交易發(fā)送給每個(gè)交易提交者簽名，因?yàn)槊總€(gè)簽名都是針對(duì)相同的數(shù)據(jù)，所以可以被操作者聚合成一個(gè) BSL 簽名。發(fā)送給鏈上合約的將是壓縮后的交易數(shù)據(jù)加上聚合后的 BLS 簽名，從而大幅減少了交易數(shù)據(jù)所消耗的 gas。BLS 簽名可以將 Optimistic Rollup 的吞吐量從100 TPS提升到 450 TPS，伊斯坦布爾升級(jí)后也可以達(dá)到 2000 TPS。

延遲

Optimistic Rollup 基于加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈，只有過(guò)了1～2周的挑戰(zhàn)期才能確認(rèn)交易生效。ZK Rollup的延遲相對(duì)較小，如果一個(gè)打包區(qū)塊中有 1000 筆交易，在普通的服務(wù)器上大概需要 20 分鐘可以構(gòu)造出一個(gè)證明。開(kāi)發(fā)者已經(jīng)提出很多減少延遲的方法，比如采用 GPU 加速可以將零知識(shí)證明構(gòu)造時(shí)間壓縮到 1 分鐘。還有一種叫做“即時(shí)交易收據(jù)”（instant tx receipts）的方法兩種 Rollup 方案都適用。它主要借助經(jīng)濟(jì)學(xué)博弈來(lái)完成，就是負(fù)責(zé)打包的操作員需抵押一部分安全保證金，如果某個(gè)交易沒(méi)有被打包到區(qū)塊中，這筆錢就會(huì)被沒(méi)收。理論上“即時(shí)交易收據(jù)”可以將交易確認(rèn)時(shí)間壓縮到 1 秒以內(nèi)，但是實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，安全性有所降低。

通用性

通用性方面，Optimistic Rollup 明顯好于ZK Rollup，當(dāng)然它的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是支持任意智能合約。而 ZK Rollup 目前僅適用于支付之類的特定交易，對(duì)于通用智能合約，由于創(chuàng)建零知識(shí)證明的成本非常高，部署起來(lái)困難較大。為了提高效率， 開(kāi)發(fā)者正在開(kāi)發(fā)專門的零知識(shí)證明虛擬機(jī)，比如 ZEXE。它在一定程度上可以縮短創(chuàng)建證明的時(shí)間，但是缺點(diǎn)是合約開(kāi)發(fā)者需要大量的專業(yè)知識(shí)。Matter Labs團(tuán)隊(duì)基于ZK Rollup開(kāi)發(fā)的新一代區(qū)塊鏈擴(kuò)展方案 ZK Sync[4]，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款以委托的方式生成零知識(shí)證明的沙盒式虛擬機(jī)，開(kāi)發(fā)者不需要深入了解零知識(shí)證明領(lǐng)域的技術(shù)細(xì)節(jié)就可以編寫出高效且安全的智能合約。

總結(jié)與展望

本文簡(jiǎn)要介紹了區(qū)塊鏈擴(kuò)容方案 Rollup 的工作原理，對(duì)比分析了兩種 Rollup 方案 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 在可擴(kuò)展性、延遲、通用性、安全性上的優(yōu)劣。

（可擴(kuò)展性*伊斯坦布爾升級(jí)后可達(dá)到2000 TPS；延遲**使用“即時(shí)交易收據(jù)”優(yōu)化后可達(dá)1秒）

根據(jù)以上的對(duì)比分析，短期看來(lái) Optimistic Rollup 由于較好的通用性會(huì)受到開(kāi)發(fā)者的青睞；但從長(zhǎng)期來(lái)看，隨著零知識(shí)證明虛擬機(jī)的演進(jìn)，ZK Rollup 會(huì)在通用性上不斷提高。它能否主宰智能合約可擴(kuò)展性的未來(lái)呢？這個(gè)問(wèn)題只能留給時(shí)間來(lái)回答了。
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