全面解析以太坊二层扩容方案 Rollup 发展历史与原理机制

原文标题：《欧易 OKEx 研究院：以太坊中场战事---Rollup 的实与虚》
撰文：欧易 OKEx 研究院

自以太坊诞生以来，其低下的交易处理能力，导致以太坊网络时常发生堵塞，且 Gas 费用高涨，严重地限制了以太坊生态的发展。为此，以太坊扩容问题一直被市场所关注，在 DeFi 大爆发的背景下，侧链、状态通道、Plasma 等 Layer 2 扩容方案都无法满足市场的要求， Rollup 成为了时代的宠儿。

当然，Rollup 并不是一种纯粹的 Layer 2 方案，而是更像 Layer 1 和 Layer 2 的混合体：数据在链下进行计算并打包压缩，随后链上进行存储。此外，为了解决数据的真实性和有效性，保障资产安全，Rollup 推出了使用「有效性证明」的 ZK-Rollup，以及沿用 Plasma「欺诈证明」的 Optimistic Rollup。

综合而言，ZK-Rollup 和 Optimistic Rollup 各有优劣，ZK-Rollup 适用于支付、交易等非合约领域，成本低且速度快；而 Optimistic Rollup 因为 OVM 的存在，目前适用于智能合约应用领域；但随着 ZK-Rollup 类项目推出图灵完备的 EVM，未来 ZK-Rollup 可能会取代 Optimistic Rollup。

但是，Rollup 的扩容上限取决于区块 Gas 消耗量的上限，因此只能成为以太坊在未来短中期的扩容方案，以解决 DeFi 生态的燃眉之急，从长期看，要根本性地解决以太坊扩展性问题，还仰仗以太坊 2.0 分片技术的顺利实现。

不过值得注意的是，Rollup 协议可以捕获价值，在经济上具有可持续性。可以预见的是，Rollup 项目发行的代币将具有巨大的投资潜力。

经过近两年的蛰伏，以太坊的 Rollup 扩容方案终于走到了要开花结果的黎明前夕：今年 2 月，Optimism 宣布完成了 A 轮融资，并将于三月上线主网；来自 Matter Labs 的 ZkSync，其主网也于去年上线，并将在今年推出支持图灵完备的智能合约；此外，另一个受行业瞩目的 Rollup 方案---Arbitrum，也将于今年上线主网。

表 1. Rollup 方案进展情况，资料来源：欧易 OKEx 研究院

在 Rollup 夜尽天明之时，市场也对其充满了期待与追捧。但从实际情况看，很多投资者和以太坊用户对 Rollup 的认知并不清晰，不过在总体上达成了共识：Rollup 很重要，是以太坊的未来。

这句话的前半部分是对的，Rollup 对当前的以太坊而言，确实是重要的；但后半部分却是不准确的，Rollup 并不是以太坊的未来。更切确地说，Rollup 只代表了以太坊的中短期扩容方案，是以太坊解决网络拥堵问题的中场战事，从长期看，要根本性地解决以太坊扩展性问题，还仰仗以太坊 2.0 分片技术的顺利实现。

想要正确地理解、预测 Rollup 的未来，把握其中的财富机会，我们还需要从 Rollup 的历史脉络、原理机制方面进行剖析。

以太坊的扩容战争和 Rollup 的崛起

自以太坊诞生以来，其低效的性能就不断受到市场的病垢：以太坊网络的 TPS （交易处理能力）约为 15 笔 / 秒，而 Visa 网络则是 2000 笔 / 秒，双十一期间支付宝更是达到 50 万笔 / 秒。低下的交易处理能力，导致以太坊网络时常发生堵塞，且 Gas 费用高涨，尤其是在 2017 年的大牛市，以及自 2020 年兴起的 DeFi （去中心化金融）浪潮期间这一现象尤为突出，严重地限制了以太坊生态的进一步发展。

图 1. 以太坊网络日均交易笔数和 Gas 消耗量变化，资料来源：Etherscan，欧易 OKEx 研究院

解决区块链网络的拥堵，提升公链的可扩展性，逐渐成为行业关注的重点。各种区块链的扩容方案也纷至沓来，主要包括两大类：

链上扩容方案，也叫 Layer 1 方案，主要通过提高区块链本身的交易容量来实现扩容。常见的 Layer1 方案有增大区块容量（如 BCH 使用 32M 容量的大区块），隔离见证（BTC，将数字签名与交易数据分开，改变原区块结构以实现扩容），分片技术（以太坊 2.0，将主链的状态和历史记录划分到不同分片上实现扩容）。

链下扩容方案，也叫 Layer2 方案，主要通过第二层协议在链下执行大部分交易，以降低成本提高效率。目前主流的 Layer2 方案包括状态通道、侧链、Plasma。

图 2. 区块链扩容主要方案，资料来源：欧易 OKEx 研究院

在以太坊发展早期，人们普遍认为侧链（Sidechain）技术是解决区块链扩容问题的最佳方案。所谓侧链，即平行于主链的另一条独立的区块链，通过将部分交易以托管的方式转移到侧链，以此实现主链扩容，但这带来两个严重问题：首先，侧链上的资金安全得不到保障，一旦黑客控制住了某条侧链，就可以将侧链上的资金盗走；其次，侧链不能保证数据的可得性，只要黑客控制了侧链，就可以拒绝分享底层交易数据，对主链安全性造成重大打击。

图 3. 侧链技术方案原理，资料来源：欧易 OKEx 研究院

为了解决侧链存在的问题，并实现以太坊扩容，以太坊创始人 Vitalik 在 2017 年推出了名为「Plasma」的 Layer 2 扩容方案。Plasma 的特别之处在于设计了一套欺诈证明机制：Plasma 将特定的底层数据发送给用户自己进行保管，解决了数据可得性问题；此外，Plasma 有一个「退出期」设计，即便黑客取得侧链的控制权并尝试取款时，任何用户都可以在「退出期」内提交证据来进行挑战，如果挑战成功，任何人都不能提取这笔资产，并且运营方也将被罚款，由此保证了数据的真实、有效和准确性，解决了资金安全性问题，。

然而，Plasma 解决了侧链的问题，却产生了新的问题：首先，用户必须每两周上线一次，以实现对 Plasma 链的监控，否则错过了「退出期」，黑客就可以取出资产；其次，用户必须自己保存底层交易数据，以保证数据的可获得性，但却给用户带来巨大的存储成本。因此，Plasma 对用户并不友好，体验极差。在 2018 年的大熊市背景下，曾经被以太坊社区基于厚望的 Plasma 方案也逐渐被抛弃。

事实上，即便没有 2018 年的大牛市，Plasma 也难以适应以太坊生态的发展---从 2019 年开始，DeFi 逐渐兴起，以 Uniswap 为代表的 AMM 更是成为其中的佼佼者。对于 Uniwap 上的流动性提供者（LP）而言，其存放在交易池中的资产，很容易发生改变，不可能满足 Plasma 方案中对 LP 每次交易时都进行挑战验证的要求。事实上，大量的 DeFi 协议都可以在不经用户同意下改变账户状态，因此 Plasma 在 DeFi 时代是注定没落的。

图 4. Layer 2 扩容方案的演化发展，资料来源：欧易 OKEx 研究院

同样地，状态通道也存在侧链和 Plasma 面临的问题：状态通道不能代表那些逻辑上没有明确所有者的对象 (如 Uniswap)，需要对象都是明确的资产所有者。

因此，在 DeFi 对于以太坊生态越来越重要的今天，无论是状态通道、侧链，还是 Plasma，都无法满足以太坊的现实需求。与其说是 V 神对 Rollup 起到了决定性的推动作用，不如说是时代选择了 Rollup。那么 Rollup 的特殊之处在哪呢？

Rollup 原理解析

在解析 Rollup 之前，我们不妨了解 Plasma 的扩容方式：在链下，由 Plasma 运营者将等待批量处理的交易汇总起来，生成一个梅克尔树（Merkle Tree），树中每个叶子可以代表一笔交易资产的信息，如果没有交易，则叶子值为 0。随后，Plasma 将梅克尔树的树根发送给主链上链，同时将梅克尔树的分支发送给用户保管。

因此，主链实际上只保存了梅克尔树根的哈希值，而通过梅克尔树根的引索，可以找到分支叶子中的具体交易信息，但这些具体的交易信息，而是由用户在链下存储，因此节省了链上区块大量的空间，实现了主链的扩容。

图 5. Plasma 扩容原理，资料来源：Plasma 白皮书，欧易 OKEx 研究院

但正如前面所言，由用户在链下保存具体的交易信息，在数据可用性上打了折扣，也不适用于 DeFi 应用。为此，以太坊社区提出了一种新方案：将交易数据压缩并放在链上，这就是 Rollup （聚合）方案。

具体而言，Rollup 将交易数据进行压缩编制成梅克尔树，并存储在链上；同时在智能合约中保存梅克尔树的树根（状态根）。Rollup 的运营方可以将发布一批汇总交易（Batch），该交易即压缩过的交易集合，而且包含之前的状态根和新状态根 (处理交易之后的新梅克尔树根)。智能合约会对状态根进行检查并更新，由此实现资产的转移。

当然，从上我们可以看出，Rollup 并不是一种纯粹的 Layer 2 方案，而是更像 Layer 1 和 Layer 2 的混合体：数据在链下进行计算打包，但在链上进行存储。因此将 Rollup 称为半链下扩容或 semi-layer 2 方案更为合适。

图 6. Rollup 扩容原理，资料来源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，欧易 OKEx 研究院

用一个形象的比喻，现在我们要保存很多电影，Plasma 类似于我们将电影存储在电脑上，然后只在 U 盘上保存一个目录文件，根据这个目录文件的指引，我们可以方便地找到任何一部电影在电脑中的位置；而 Rollup 的方法则是先将电影进行压缩，随后再全部保存到 U 盘中。这样一来，我们就可以在 U 盘中存储更多的电影。

那么 Rollup 是如何实现压缩的呢？---主要是对交易的参数进行压缩，主要包括 Nonce，Gasprice，Gas，To，Value，Signature，如下表所示：

表 2. Rollup 压缩方式，资料来源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，欧易 OKEx 研究院

在过去，一笔交易需要占用 112 字节的存储空间，现在只需要 12 字节的空间，一个字节大约花费 16 Gas；而在以太坊上，Gas 上限是 1250 万，我们假设 Rollup 需要花费 50 万 Gas，那么在 Rollup 上，其交易处理能力是：

（区块 Gas 消耗量上限 – Rollup Gas 消耗量）/ 每字节的 Gas 消耗量 / 一笔交易字节数 / 出块时间 =（12,500,000 – 500,000）/ 16 / 12 /14= 4464 笔 / 秒

目前在以太坊上进行一次转账需要消耗约 21,000 Gas，这意味着如果全部用来转账，那么以太坊的最大交易处理能力为：区块 Gas 消耗量上限 / 单笔转账 Gas 消耗量 / 出块时间 = 12,500,000 / 21,000 /13 = 45 笔 / 秒

这意味着 Rollup 在转账场景下降以太坊的 TPS 提升了 100 倍。同样地，根据 Vitalik 的计算，在 ERC20 转账、Uniswap 运用场景，可实现同条件下以太坊 TPS 扩展 100-400 倍。

前面的分析一直很顺利，但我们忽略了一个与侧链技术类似的重要问题：如何防止 Rollup 运营方伪造数据进行盗取资产呢？以太坊社区提出了两个方案：使用「有效性证明」的 ZK-Rollup，以及沿用 Plasma「欺诈证明」的 Optimistic Rollup。

ZK-Rollup VS Optimistic Rollup

首先我们看实现有效性证明 ZK-Rollup 方案。ZK-Rollup 即采用 ZK-SNARK （简明的非交互式零知识证明，zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge）来保证交易的安全性。

" 零知识证明（ZKP）" 是由 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 在 20 世纪 80 年代初提出，指证明者能在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。

一个经典的例子：有一个缺口的环形长廊 ，出口和入口距离非常近（在目距之内），但走廊中间某处有一道只能用钥匙打开的门，Alice 要向 Bob 证明自己拥有该门的钥匙。采用零知识证明，则 Bob 看着 Alice 从入口进入走廊，然后又从出口走出走廊，这时 Bob 没有得到任何关于这个钥匙的信息，但是完全可以证明 Alice 拥有钥匙。

图 7. 零知识证明案例，资料来源：欧易 OKEx 研究院

从上我们可以看出，ZKP 具有计算的不对称性。在 ZK-Rollup 的方案中，由 Rollup 运营方投入大量资源以执行 ZK-SNARK 计算并放在汇总交易（batch）中，而智能合约（验证方）可快速低成本低证明交易安全性。因此 ZK-Rollup 有诸多好处：能在保护隐私的同时简洁快速地验证数据的真实有效性；但其缺点是计算量大，技术难度高且难以支持虚拟机。

在前面的 Plasma 方案中，我们已经介绍过其设计的「欺诈证明」机制，可实现交易数据的真实、有效和准确性，保证了资产的安全。Optimistic Rollups 正是沿用了该机制：这类 Rollup 会追踪所有历史状态根以及每个 batch 的哈希值。如果任何人发现某个 batch 的后状态根不正确，都可以向区块链发布一个证明，证明该 batch 计算错误。智能合约会对证明进行验证，并且对该 batch 及其之后的 batches 进行回滚。

Optimistic 选择了 Plasma 的欺诈证明机制，即意味着有像 Plasma 一样漫长的「退出期」（约一周时间），这极大地降低了资金的利用效率，但好消息是，随着 DeFi 生态的成熟，可以有大量的流动性提供者为用户在「退出期」内提供资金，可有效解决资金利用抵消的问题。此外最重要的是，Optimistic Rollup 也继承了 Plasma 的 OVM，这意味着可在 Optimistic Rollup 网络部署兼容以太坊 EVM 的智能合约，这一点对 DeFi 尤为重要。

表 3. ZK-Rollup 和 Optimistic Rollup 性能对比，资料来源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，欧易 OKEx 研究院

综合而言，ZK-Rollup 和 Optimistic Rollup 各有优劣，ZK-Rollup 适用于支付、交易等非合约领域，成本低且速度快；而 Optimistic Rollup 因为 OVM 的存在，目前适用于智能合约应用领域；但随着 ZK-Rollup 类项目推出图灵完备的 EVM，未来 ZK-Rollup 可能会取代 Optimistic Rollup。

Rollup 的未来与财富机遇

从上面我们可以看出，相较于其他 Layer2 方案，Rollup 能更好地保证数据的安全性和数据的可得性，然而 Rollup 真的是以太坊的未来吗？

并不是，从 Rollup 的扩容方案可以看出：区块 Gas 消耗量的上限即是 Rollup 方案的上限。这类似于早高峰时乘坐地铁，为了使地铁车厢（区块）能装更多的人，我们可是再挤更多的人进车厢（压缩）。然而，再怎么压缩，也是有上限的。在未来随着区块链应用的不断发展，我们仅仅会为了最多扩容 100 倍而满足吗？所以从长期看，以太坊扩容的未来还是取决于以太坊 2.0 分片技术的顺利实现。

然而，根据以太坊官方的规划，以太坊 2.0 分片的实现可能要等到 2030 年了。但即便在目前，由于 DeFi 的大热，以太坊早已拥挤不堪，Gas 费高企。几年前的状态通道、Plasma 等 Layer 2 方案无法满足 DeFi 的要求，分片技术又是一个遥远的目标。正是「往者不可谏，来者也不可追」，Rollup 自然而然成为了在短中期应对以太坊扩容方案的最佳方案，成为迈向以太坊 2.0 的中场接力手。

当然，Vitalik 主推 Rollup 的另一个原因在于：Rollup 协议可以捕获价值，在经济上具有可持续性。

先谈经济价值，Rollup 可以缓解以太坊的拥堵，降低 Gas 费。节约出来的成本，其中的部分就可以转化为 Rollup 协议的收入（如收费和 MEV 的方式），并具有经济上的可持续性。

那么 Rollup 为什么可以捕获价值呢？这与 Rollup 的特殊性有关：数据放在主链上，仅仅是在链下进行数据计算。这种介于 Layer1 和 Layer2 的混合方案，使得 Rollup 成为主链上一个特殊 Dapp 应用，因此 Rollup 项目是可以在主链上发行基于该 Rollup 协议的代币，能通过代币来捕获协议的价值。

可以预见的是，在未来几个月 Rollup 大爆发后，将会有众多 Rollup 发行项目代币，那些愿意将协议经济价值附着在代币上的项目，其代币将具有很大的投资潜力。