關於Rollup 你應該知道的基礎知識

2021-06-23 18:06:20

原文標題：《 CryptoYC Insight｜Rollup 學習筆記》原文來源： Heng Youzhe， CryptoYC Labs

Layer 2 是解決⽅案的統稱, 旨在通過在以太坊主⽹(第 1 層) 上處理交易來幫助擴展應⽤程序, 同時利⽤強⼤的主⽹分散式安全模型。當前以太坊交易速度慢，電費上漲使⽤⼾量增⼤時出現⽤⼾體驗差的問題。第 2 層協議就是為了解決這個問題誕⽣。

Layer 2 是什么

Layer 2 是解決⽅案的統稱, 旨在通過在以太坊主⽹(第 1 層) 上處理交易來幫助擴展應⽤程序, 同時利⽤強⼤的主⽹分散式安全模型。當⽹絡繁忙時, 交易處理速度會受到影響, 這會使某些類型的 dapps 的⽤⼾體驗變差。隨着⽹絡的⽇益繁忙, 電費也隨着交易發送⽅的競標⽽上漲。這可能會使使⽤以太坊變得⾮常昂貴。

Rollup 是什么

rollup 中⽂直譯為打包，以前的⽤法為編程語⾔模塊打包器，相當於 python 中的 module。現在⽤於第 2 層協議中的⼀種解決⽅案。總的來說，它們把主鏈下的很多交易打包，⽣成⼀份聲明或者證明，證明此包內的所有交易合法（即交易前 Merkle 樹的根和前⼀包內的交易後根對應的上，且交易內容合規），然後只將其中⼀部分內容發布到主鏈，從⽽增加速度，減少電費和交易費消耗。

特點

交易執⾏在主⽹之外；
但交易數據或交易證明存儲於主⽹, 以便於驗證.

種類

零知識證明 zk-rollup;
優化 optimistic-rollup(筆者⾃譯)

ZK-Rollup

簡介

這⾥僅為簡單介紹，詳細部分會另开⽂章介紹。簡單來說，零知識證明就是在不暴露祕密的情況下，說服對⽅我有這么⼀個祕密。例如對於 A,B 兩⼈，A 知道祕密 a, b (和 a+b=7)，B 知道线性映射 f(x)，B 發給 A 映射 f, A 計算 f(a) 和 f(b) 並發給 B，B 計算 f(a)+f(b)=f(a+b)。如果 f(a+b)=f(7)，那么 B 可以確信 A 知道 a+b=7。從歷史來講，零知識這⼀概念最早出現於 1985 年，Shafi Goldwasser, Silvio Micali, and Charles Rackoff「The Knowledge Complexity of Interactive Proof-Systems」。⽽零知識證明⽤於 Rollup 最早出現於 2018 年 Barry 的⽩⽪書中。

零知識證明在 rollup 中的作⽤

這⾥零知識證明主要是⽤於以太坊區塊鏈上發布並公开記錄該區塊的有效性。在 Layer2 上被打包的交易將會以⼀個證明的形式發布於主鏈，這使得每個⼈都有驗證它的辦法。主要⽬的是防⽌有⼈惡意利⽤Layer2 上的交易來篡改信息。值得注意的是，零知識證明並不是隱私保證，也不是加密系統。因為除了擁有該祕密的⼈以外，沒有⼈可以解密。從誕⽣⾄今，零知識證明或者說 ZK-Rollup 經歷了三個發展階段：SNARK, STARK, 和 Bulletproofs. ⽬前來說 Zcash, ZK Sync(Matter Labs), DarkForest(Game) 等在使⽤SNARK，Monero 使⽤ Bulletproofs. 從下圖中可以對⽐這三種⽅法的區別。具體例⼦將在後⽂介紹。

關於Rollup 你應該知道的基礎知識

特點

對⽐Plasma 和側鏈

由於 Plasma 和側鏈的擴容性問題，Rollup 本⾝被視為新興解決⽅案，⽽ZK-Rollup⼜是其中可擴容性最強的，也是處理交易速度最快的，相對於 Plasma 和 OP-Rollup⽽⾔。它的數據只有很少⼀部分存儲於主鏈上。

單筆交易費降低。

對⽐OP-Rollup

⼀般說來，它的驗證速度快，證明⽣成速度很慢。但是由於它的⽣成依賴於智能合約，所以相當於把所有⼈的⼯作分給了⼀個⼈做，剩下的⼈的⼯作就是簡單的驗證，這⾥單指 SNARK。

不需要欺詐遊戲，從⽽使交易快速被驗證⼊塊 (約⼗分鐘)。
零知識證明的計算困難要求數據優化以獲取最⼤吞吐量。
ZK-Rollup 需要⽣成⼀個初始串，這會使系統中⼼化⼀些。
量⼦計算可以破解，這⾥指 SNARK。STARK 可以抵御量⼦攻擊。

它需要的安全性假設更⾼。

OP-Rollup

簡介

優化 Rollup 出現於 2019 年 7⽉，由 John Adler 在以太坊基⾦會研究論壇上提出想法。⽬前使⽤ Optimistic-Rollup 的有 Optimism, Fuel Labs, Arbitrum 想法較為簡單，這⾥OP-Rollup⼀共有兩種鏈下⻆⾊，聚合者 (Aggregator) 和驗證者 (Validator)。在 Layer2 發⽣的交易被聚合者打包，並⽣成⼀個 Merkle 樹的頭，和智能合約。在聚合者質押⼀筆資⾦後，聚合者可以將打包的交易上傳⾄主鏈。驗證者審查該打包，可以提出質疑，並給出欺詐證明 (fraud proof)。

欺詐證明：驗證者可以審查資⾦狀態和總和，對⽐於⾃⼰的本地狀態，若發現有⾮正常更新，則驗證者可以提出質疑並更改從該區塊到之後的所有區塊 (區塊在從 rollup 上傳⾄主鏈後會有 1-2 周的質疑時間，若此時間內⽆⼈質疑則該區塊完結)。提出質疑的驗證者可以得到聚合者質押的資⾦。

OP-Rollup 使⽤博弈論和驗證遊戲來確保數據驗證，它們的運作假設是每個⼈都遵守道德規範，但如果有惡意⽅發布交易，則區塊回退，因此命名為 Optimistic Rollups。

特點

• 交易周期：相對於 ZK-Rollup⽽⾔，OP-Rollup 需要 1-2 周時間完結區塊。交易速度不慢，但交易狀態完結需要較⻓周期。

• 應⽤性：⽬前⽽⾔兩種 Rollup 均⽀持 EVM。ZK-Rollup 最近也⽀持 EVM，使得 OP-Rollup 失去了原本優勢的其中之⼀。

• 交易速度與交易費：現實交易速度 500 筆/每秒，相對於 ZK-Rollup 的 2000 筆/每秒存在劣勢。

• 數據記錄：所有交易數據均記錄在主鏈，⽆需信任第三⽅，但也加重了交易費。

• 安全假設：OP-Rollup 假設⼤多數驗證者是誠實的。

另⼀份對⽐表格⻅下圖：

關於Rollup 你應該知道的基礎知識

總結

總結⽽⾔，Rollup 想法並不難掌握，該想法側重於打包鏈下交易並設法放⼊主鏈。打包的交易發⽣並執⾏於鏈下，從⽽加快交易速度。鏈上存儲的數據減少⾄只需要 Merkle 樹的頭或者⼀個證明，從⽽節省費⽤。對⽐⽽⾔，筆者更看好 ZK-Rollup 在⻓期的前景，OP-Rollup 原本最⼤的優勢在於其應⽤性及⽤戶體驗良好。這兩點優勢在 ZK-Rollup 已經應⽤EVM 及⽬前⻜速發展中已經逐漸消失。⽽ZK-Rollup 的安全性更強，理論交易速度更快，存儲數據更少從⽽更加節省費⽤。只有⼀點⽬前存疑，就是 ZK-Rollup 的計算性過⾼，可能還是會導致費⽤上的劣勢。另⼀點疑問將在下篇⽂章中給出，當然也可能是筆者對於 SNARK 應⽤於實踐的過程了解不甚所導致。