一文了解以太坊的终极扩容方案——rollups

rollups 是什么？Optimism 和 ZK rollups 有什么区别？Arbitrum 与 Optimism 有何不同？为什么在扩展以太坊时，rollup 被认为是圣杯？你将在本文中找到这些问题的答案。

1 介绍

以太坊扩展一直是加密货币领域讨论最多的话题之一。在 2017 年 CryptoKitties 热潮、2020 年 DeFi 盛夏或 2021 年初加密货币牛市等网络活动频繁的时期，关于以太坊扩容的争论通常都会升温。

在这些时期，用户对以太坊网络的空前需求导致了极高的 gas 费用，从而使得用户会在日常支付非常昂贵的交易费用。

为了解决这个问题，对于多个团队和整个以太坊社区来说，寻找最终的扩展性解决方案一直是最优先考虑的问题之一。

一般来说，有 3 种主要的方法来扩展以太坊或其他大多数区块链：扩展区块链本身——第 1 层扩展；在第 1 层之上进行搭建——第 2 层扩展方案以及在第 1 层网络的侧链进行搭建。

当提到第 1 层网络时，Eth2 是扩展以太坊区块链的可选择解决方案。Eth2 指的是一组相互关联的变化，例如迁移到权益证明（PoS），将工作量证明（PoW）区块链的状态合并到新的 PoS 链和分片中。

特别是分片，它可以显著增加以太坊网络的吞吐量，特别是当它与 rollup 结合时。

如果你想了解更多关于 Eth2 的信息，你可以在这里查看这篇文章。

当涉及到第 1 层之外的扩展时，开发者们已经尝试了多种不同的扩展解决方案，但结果是将不同的解决方案混合使用的。

一方面，我们有像 Channels 这样的第二层解决方案，它们由以太坊完全保护，但只适用于特定的应用程序集。

另一方面，侧链通常是与以太坊虚拟机（EVM）兼容的，它可以扩展通用应用程序。它们的主要缺点是不依赖以太坊的安全性，而是拥有自己的共识模型，因此其安全性不如第二层解决方案。

大多数 rollups 的目标是通过创建一个通用的可扩展解决方案，同时仍然完全依赖以太坊的安全性，从而实现这两者结合的最佳效果。

这是扩展的圣杯，因为它允许在不牺牲安全性的情况下，在以太坊上部署所有现有智能合约，几乎或没有变化。

难怪 rollups 可能是所有解决方案中最受期待的扩展方案。

但是，什么是 rollups 呢？

2 rollups

rollups 是一种可扩展的解决方案，其工作原理是在第 1 层之外执行交易，但在第 1 层上发布交易数据。这使得 rollups 可以扩展网络，并且仍然从以太坊共识中获得安全性。

将计算移出链，实际上可以处理更多的交易，因为 rollups 交易的部分数据必须要适合以太坊的区块。

为了实现这一点，rollups 交易在单独的链上执行，该链甚至可以运行特定于 rollups 的 EVM 版本。

执行 rollups 交易后的下一步是将它们批处理在一起，并将它们发布到主以太坊链。

整个过程本质上是执行交易、获取数据、压缩数据并以单个批的形式将其上卷到主链，因此称为“rollups”。

虽然这看起来是一个潜在的好解决方案，但接下来自然会出现一个问题 :

“以太坊如何知道发布的数据是有效的，并不是由一个试图让自己受益的作恶参与者提交的？”

确切的答案取决于特定的 rollups 实现，但一般来说，每个 rollups 在第 1 层部署一组智能合约，负责处理充值和提现以及验证证明。

证明也是不同类型 rollups 的主要区别发挥作用的地方。

Optimism 的 rollups 使用欺诈证据（fraud proof）。相比之下，ZK rollups 使用有效性证明（validity proof）。

让我们进一步研究这两种类型的 rollups。

3 Optimism 和 ZK rollups

Optimism rollups 将数据传到到第 1 层，并假设它是正确的，因此命名为“Optimism”。如果发布的数据是有效的，那么我们就在正确的处理路径上，不需要做任何其他事情。Optimism rollups 得益于在 Optimism 场景中不需要做任何额外的工作。

在无效交易的情况下，系统必须能够识别它，恢复正确的状态，并惩罚提交此类交易的一方。为了实现这一点，Optimism 的 rollups 实现了一个争议解决系统，该系统能够验证欺诈证明，检测欺诈交易，并抑制不良行为者提交其他无效交易或不正确的欺诈证明。

在大多数 Optimism 的 rollups 实现中，能够向第 1 层提交批量交易的一方必须提供一个担保，通常以 ETH 的形式。任何其他网络参与者如果发现一个不正确的交易都可以提交欺诈证明。

在提交欺诈证明后，系统进入争议解决模式。在这种模式下，可疑的交易再次在以太坊的主链上执行。如果执行证明交易确实是欺诈性质的，那么提交该交易的一方将受到惩罚，通常是通过削减其提供担保的 ETH 来完成。

为了防止不良行为者用错误的欺诈证据在网络上滥发信息，希望提交欺诈证据的各方通常还必须提供一份担保。

为了能够在第 1 层上执行 rollups 交易，Optimism rollups 必须实现一个系统，该系统能够以交易最初在 rollups 中执行时的确切状态重播交易。这是 Optimism rollups 的复杂部分之一，通常通过创建一个单独的管理器合约来实现，该合约用 rollups 中的状态替换某些函数调用。

值得注意的是，即使只有一个诚实方监视 rollups 的状态并在需要时提交欺诈证明，系统也可以按预期工作并检测欺诈。

值得一提的是，由于在 rollups 系统中有正确的激励机制，进入争议解决过程应该是一种例外情况，而不是经常发生的事情。

而 ZK rollups 是没有任何争议解决方案的。它是通过利用一种称为零知识证明的加密技术而实现的，因此也被称为 ZK rollps。在这个模型中，发布到第 1 层的每一批都包含一个名为 ZK-SNARK 的加密证明。当交易批被提交时，第 1 层合约可以快速验证证明，无效的交易可以直接被拒绝。

这听起来很简单吧？在实践中，许多研究人员花了无数时间来对这些密码学和数学进行迭代。

在 Optimism 和 ZK rollups 之间还有其他一些区别，所以让我们一个一个地介绍它们。

由于争议解决过程的性质，Optimism rollups 必须给所有网络参与者足够的时间提交欺诈证明，然后在第 1 层完成交易。这段时间通常很长，以确保即使在最坏的情况下，欺诈性交易仍有争议。

这导致从 Optimism 的 rollups 中提取资金需要很长时间，用户甚至需要等待一到两周才能将资金提现到第 1 层。

幸运的是，有一些项目正在通过提供快速的“流动性”来改善这种情况。这些项目几乎可以将资金立即提现到第 1 层、第 2 层甚至侧链，并收取少量费用。Hop 协议和 Connext 是我们要研究的项目。

ZK rollups 没有长时间提现的问题，因为只要将 rollups 批处理和有效性证明提交到第 1 层，资金就可以提现了。

到目前为止，看起来 ZK rollup 只是 Optimism rollup 的一个更好的版本，但它们也有一些缺点。

由于该技术的复杂性，创建与 EVM 兼容的 ZK rollups 要困难得多，这使得在不重写应用程序逻辑的情况下扩展通用应用程序变得更加困难。尽管如此，ZKSync 在这一领域取得了重大进展，他们可能很快就能推出兼容 EVM 的 ZK rollups。

在 EVM 兼容性方面，Optimism rollups 稍微容易一些。他们仍然需要运行自己版本的 EVM，只需要做一些修改，但 99% 的合约都可以在不做任何修改的情况下进行移植。

ZK rollups 的计算量也比 Optimism 的 rollups 大得多。这意味着计算零知识证明的节点必须是高规格的机器，这使得其他用户很难运行它们。

当涉及到扩展性改进时，这两种类型的 rollups 都应该能够将以太坊从每秒 15 到 45 笔交易（取决于交易类型）扩展到每秒 1000 到 4000 笔交易。

值得注意的是，通过为第 1 层上的 rollups 批提供更多的空间，系统将可能每秒可以处理更多的交易。这也是为什么 Eth2 可以通过 rollups 创建一个巨大的协同效应，因为它通过创建多个分片增加了可能的数据可用空间——每个分片都能够存储大量数据。Eth2 和 rollups 的结合可以使以太坊的交易速度达到每秒 10 万笔交易。

现在，让我们讨论所有在 Optimism 和 ZK rollups 上工作的不同项目。

4 Optimism rollups

当谈到 Optimism rollups 时， Optimism 和 Arbitrum 是目前最流行的选择。

目前，以太坊主网已经部分推出了 Optimism，合作伙伴包括 Synthetix 或 Uniswap，以确保该技术在全面发布前能够按照预期工作。

Arbitrum 已经在主网上部署了自己的版本，并开始在它的生态系统中加入不同的项目。他们决定给所有想要发布协议的协议一个时间窗口，而不是让流动性提供者首先部署他们的协议。当这段时间结束后，他们将一次性向所有用户打开大门。

在 Arbitrum 上推出的一些最著名的项目有 Uniswap、Sushi、Bancor、Augur、Chainlink、Aave 等等。

Arbitrum 公司最近还宣布了与 Reddit 的合作。他们将专注于推出一个单独的 rollups 链，让 Reddit 可以扩大他们的奖励系统。

Optimism 正在与 MakerDAO 合作，创建 Optimism Dai 桥，并使 Dai 和其他代币能够快速提现到第 1 层。

尽管 Arbitrum 和 Optimism 都试图实现相同的目标——构建与 EVM 兼容的 Optimism rollups 解决方案——但它们的设计存在一些差异。

Arbitrum 有一个不同的争议解决模式。他们想出了一个交互式多轮模型允许争端的范围缩小的，仅在第 1 层执行少量指令以检查可疑事务是否有效，而不是在第 1 层上重新运行整个交易来验证欺诈证据是否有效。

这也导致了一个副作用，即部署在 Arbitrum 上的智能合约可能会超过以太坊上允许的最大合约大小。

另一个主要区别是处理交易排序和矿工可提取价值（MEV）的方法。Arbitrum 最初将运行一个负责对交易进行排序的排序器，但从长远来看，他们希望将其去中心化。

Optimism 倾向于另一种方式，即交易顺序，以及 MEV，它们可以在一段时间内拍卖给其他各方。

值得一提的是，还有一些其他的项目也在进行 Optimism 的 rollups。Fuel，OMG 团队，OMGX 和 Cartesi 等等。他们中的大多数人还试图开发与 EVM 兼容的 rollups 版本。

5 ZK rollups

尽管看起来以太坊社区主要专注于 Optimism 的 rollups，但至少在短期内，我们不要忘记 ZK rollups 项目也进展得非常快。

使用 ZK rollups，我们有一些可用的选项。

Loopring 使用 ZK rollups 技术来扩展其交换和支付协议。

Hermez 和 ZKTube 正在使用 ZK rollups 扩展支付，Hermez 还建立了一个 EVM 兼容的 ZK rollups。

Azgtec 正专注于将隐私功能引入他们的 ZK rollups 技术。

基于 starkware 的 rollups 已经被 DeversiFi、Immutable X 和 dYdX 等项目广泛使用。

正如我们前面提到的，ZKSync 正在开发一个与 EVM 兼容的虚拟机，该虚拟机将能够完全支持任何用 Solidity 编写的智能合约。

6 总结

正如我们所看到的，在 Optimism 和 ZK rollups 阵营中都有很多事情正在发生，不同 rollups 之间的竞争将是值得关注的。

rollups 对 DeFi 也有很大的影响。以前由于交易费用高而无法在以太坊上交易的用户，将能够在下一次网络活动高的时候留在生态系统中。它们还将催生一种新的应用程序，要求更便宜的交易和更快的确认时间。所有这些都得到了以太坊共识的充分保障。看来 rollups 可能会触发 DeFi 的另一个高增长时期。

然而， rollups 仍然存在一些挑战。

可组合性就是其中之一。为了组合使用多个协议的交易，所有协议都必须部署在同一个 rollups 中。

另一个挑战是流动性枯竭。例如，如果没有新的资金进入整个以太坊生态系统，那么存在于第一层协议（如 Uniswap 或 Aave）上的现有流动性将在第一层和多个 rollups 之间实现共享。较低的流动性通常意味着更高的滑点和更糟糕的交易执行。

这也意味着自然会有赢家和输家。目前，现有的以太坊生态系统还不够大，无法使用所有的扩展解决方案。从长期来看，这种情况可能会改变，但在短期内，我们可能会看到一些 rollups 和其他扩展解决方案变得没人使用。

在未来，我们可能还会看到用户完全生活在一个 rollups 生态系统中，在很长一段时间内不与主以太坊链和其他可扩展解决方案进行交互。如果我们将看到更多中心化的交易所能够实现直接的充值和提现，那么这一点就会特别明显。

尽管如此，rollups 似乎是扩展以太坊的最终策略，相关的挑战很可能会以某种方式得到缓解。看到 rollups 如何获得越来越多的用户，这显然是非常有趣的。

在讨论 rollups 时经常出现的一个问题是，它们是否对侧链构成威胁。就我个人而言，我认为侧链在以太坊生态系统中仍然有自己的位置。这是因为，尽管第 2 层的交易成本比第 1 层低得多，但仍有可能超过某些类型的应用，如游戏和其他高容量应用的价格。

当以太坊引入分片时，这种情况可能会改变，但到那时侧链可能会创造足够的网络效应来长期生存。这在未来会如何发展将是一件很有趣的事情。

此外，rollups 的费用高于侧链，因为每个 rollups 批处理仍然需要支付以太坊块空间。

值得记住的是，以太坊社区非常关注以太坊的扩展策略——至少在短期到中期，甚至可能更久。我建议阅读 Vitalik Buterin 关于以 rollups 为中心的以太坊路线图的文章。

你怎么看 rollups？你最喜欢的 rollups 技术是什么？

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