以太坊研究者 Polynya：为什么单片式 L1 区块链是“死胡同”？

撰文：Polynya

编辑：南风

我从来没有写过一篇关于“Optimistic Rollups vs. ZK-Rollups”的文章。它们都很棒。我的文章都是关于反对效率极低、无法扩展、不安全、缺乏弹性的单片式 L1 区块链，我们已经看到了资本对这些 L1 网络的荒谬配置。我唯一的目的是看到区块链以技术、经济和社会可持续的方式扩展到全球无所不在。单片式 L1 区块链网络不仅是不可持续的，实际上它们永远也无法提供所需的吞吐量——而且与目标相差好几个数量级。但这不再是一个问题了——我们需要模块化的执行层&数据可用性抽样来扩展区块链。这一点从来没有这么清楚过。我们越早认识到这一点并转向这种方式，区块链行业就会越好。是的，这只是我的观点。和往常一样，请将这篇文章视为业余爱好者的意识流漫谈，而不是一篇专业的研究文章。

单片式 L1 区块链 (依然) 极为低效

我从 2020 年开始撰写关于 Rollups 的评论，并在去年的这个时候发表博文，当时主流的说法是“Cardano/其他 L1 智能合约平台即将到来，用户将会在一夜之间从以太坊大规模地迁往其他 L1 网络。”之后的说法是“L2 网络是暂时的权宜之计，实现扩展的唯一方式是 L1 网络。”然而，即使在 2021 年底进行最温和的测试，这些替代性 L1 网络的叙述也以惊人的速度瓦解：

币安智能链 (BSC)由于状态膨胀而使其系统要求更高。其结果是，节点开始不同步，导致许多问题。这里的问题在于他们一开始指定的系统要求非常低——但他们没有告知人们，系统要求会随着状态膨胀呈指数增长。现在，他们在没有充分的审计或测试的情况下进行不计后果的网络变更。当然，切换到 Erigon 并拥有多条链将提供增量效益，但总是会存在严重的限制。

Solana没有犯这样的错误，他们从一开始就对很高的系统要求非常开放。现在，我绝对不会对 Solana 的各种失败和问题进行批评，因为这很大程度上是因为它是一个早期的beta产品。由于缺失一些特征而导致的 bug 和问题总是会出现在 beta 项目中，无论是 Rollups、dapps 还是单片式 L1 网络都是如此，我只希望开发人员能够修复这些问题。但问题是，随着时间的推移，当 Solana 成熟了，久经测试消除了 bugs，并实现了一个费用市场，它将需要提供一个递增的吞吐量，并在技术和经济可持续性上付出巨大的代价。Solana本质上是不可扩展的。Optimistic Rollups 是要比Solana 要好得多的解决方案，并且会很快成熟。

Polygon PoS可以说是继以太坊之后被采用最多的链。现在，Polygon PoS 确实是一个“提交链”(commit chain)，而不是一个替代性 L1 链，但它仍然是一个单片链，并受到与 L1 网络相同的低效率约束。Polygon PoS 达到了它的极限，受到了垃圾交易的影响，提高了它们的最低 Gas 价格。但即使在那之后，还是有很多项目向它发送垃圾信息，导致 Gas 价格上涨了超过 0.1 美元。需要明确的是，这是一个比 Solana 或 Cardano 要好得多的结果，在 Solana 或 Cardano 中，在拥堵期间 99% 的交易都会失败，只有微型 MEV 机器人会成功。值得赞扬的是，与其他单片式区块链项目不同的是，Polygon 团队非常公开地承认了这些局限性，并将所有精力投入到 ZK-Rollup 中——这实际上将实现高可扩展性。行动胜于言语，Polygon 团队在零知识技术方面投入 10 亿美元的行动值得称赞。

说到Cardano，他们也是一个处于非常早期的 beta 产品，和 Solana 一样，也必须实现费用市场。Cardano 的系统要求仍然很低。最近，我看到 Cardano 社区对 Rollup 越来越感兴趣，很高兴看到这种情况！然而，在 Cardano 本身没有实现数据可用性采样之前，所有这些都是徒劳的。

我们看到还有许多其他项目没有达到其大肆宣传的效果。每当区块空间饱和时，Avalanche C-Chain的费用就会飙升——我的意思是，这是单片区块式链的一个基本特征。子网会导致安全性或去中心化的碎片化，并且将受到同样严重的限制 (即费用的飙升)。至于 Avalanche 的“online Purning” (在线修剪，这里的“修剪”是指节点压缩过去的历史交易)：让我们拭目以待，但这似乎实现了 Geth 的“离线修剪”(offline purning)，并使其以更高的频率进行修剪。这可能是 Geth 的一个很好的补充，但它绝对不能解决状态膨胀的基本限制。我们已经看到了 Harmony 的失败等等。但我也想强调的是这些正在为下一代构建可扩展性解决方案的项目：以太坊、Tezos、Celestia 和 Polygon Avail 的数据可用性抽样；Mina 和 Aleo 的有效性证明；以及还有许多的Rollups 方案，现在似乎每周都会出现新的 Rollup！很明显，我们已经进入了「模块化架构」的时代——很少有人会认真地构建新的单单片式 L1 区块链。在紧要关头，Polkadot 和 NEAR 等“原型模块化”项目是中期解决方案，虽然不能解决上述许多问题，但仍保持了可持续性和安全性。如果你不关心可持续性和安全性，那么 Dfinity/ICP 正在构建有趣的东西。

我还想明确一点，单片式 L1 区块链是有一条前进的道路的：升级到下一代技术。例如，Avalanche 可以在底层实现一个“数据可用性抽样子网”，该子网由整个验证者集进行验证，并引入模块化的执行层。除非这是他们路线图上的优先事项，否则我将继续推动这种说法，直到这种转变在整个行业普遍存在。

现在，并不是每一条链都必须是一个 Rollup 或者有着某种形式的模块化设计。在安全性不重要的情况下，以及希望实现某种在 Rollups 中很难或不可能实现的新特性时，主权 L1 链仍然有其一席之地。当然，这在很大程度上是一个利基市场，但它是真实存在的。Cosmos生态系统在这方面做得很好，Polygon Edge也在构建引人注目的解决方案，尽管我希望看到这些链被证明是有效的，并且 IBC (链间通信) 也在进化以验证有效性证明。跨 L1 区块链的「桥」也是如此。但即便是在有效性方面被证明是完美的 L1 跨链桥，比如=nil; Foundation 正在构建的「Mina <> Ethereum 桥」，仍然需要假设这条更脆弱的链(即 Mina 链)不会被攻击；相比之下，Rollups「桥」能够提供完整的安全保证，即使那条更脆弱的 Rollup 链被攻击，你仍然可以继承那条更强大的链的安全性。

最后，讨论时机很重要。当前，Optimistic Rollups还没有准备好，所以使用这些非 beta 阶段的单片式 L1 区块链仍然是有意义的。应该注意的是，不管是Optimistic Rollups还是单片式 L1 链，都存在不同程度的成熟度/不稳定性，因此你必须根据具体情况进行评估。但我不会在这篇文章中对此进行论述，我唯一的兴趣是从长期来看，区块链可以如何大规模、可持续地进行扩展。但Optimistic Rollups正在迅速成熟，在成为可持续性解决方案这方面有着明确的途径。只需要工程工作就可以实现——很有可能至少会有一个Optimistic Rollup 将实现完全的去中心化、实现数据压缩、拥有高流动性的「桥」，并在一年的时间内扩大规模。一旦Optimistic Rollups 准备迎接其黄金时刻，那么所有单片式 L1 区块链网络的游戏就都结束了。

在过去，我采取了非常长远的观点，因此，我可能从一个更积极的角度讨论了 ZK-Rollups。我一直认为ZK-Rollups 将是游戏终局，并认为所有的Optimistic Rollups将会要么转变成 ZK-Rollups，要么使用有效性证明 (validity proofs) 来取代其欺诈证明系统。但这可能是 3 年以后的事了。

上文第一部分的结论是：单片式 L1 区块链是一条死胡同，在这一点上的证据是压倒性的，所以我想把这一点彻底强调一下。以下是本文第二部分，将主要以以太坊为中心，因为以太坊是所有 Rollups 创新的所在地，而且以太坊有着最具雄心的可扩展性路线图。

Optimistic Rollups 对比 ZK-Rollups

现在，让我们来讨论一下Optimistic Rollups和ZK-Rollups。顺便说一下，最近我了解了 Obscuro (一个 TEE Rollup) 和 Urbit 的Naive Rollup。Rollups的设计空间是一个空白画布，因此可以有多种类型的Rollups！但是在这里，我特别讨论的是基于欺诈证明(Optimistic Rollups) 和有效性证明(ZK-Rollups) 的安全 Rollups。

交易费

让我们从特定于应用程序的 Rollups开始：很明显，ZK-Rollups 在这方面领先。Loopring、zkSync等方案在支付领域被欢迎，其 ERC-20 代币转账的费用在 0.10 美元左右。撰写本文时，基于 ZK-Rollup 技术的去中心化交易所ZigZag上的固定费用是0.28 美元，包括 Gas 费和交易费。同时，去中心化衍生品交易平台dYdX平台没有面向用户的 Gas 费用，但我们可以计算该平台的交易费用：在交易量较高时，每笔交易他们都要向以太坊支付 0.08 美元的 Gas 费；在交易量较少的日子，则是在 0.10 美元左右。

现在，Optimistic Rollup 很有可能能够提供这一范围的费用——实际上，Worldcoin 项目计划使用的Hubble(基于Optimistic Rollup 的 L2 网络) 的 ERC-20 转账费用目前低于 0.10 美元的范围。我们继续转向智能合约 Rollups——为什么当前Optimism和Arbitrum网络上的费用如此之高？撰文时，根据 Lefees.info 的数据，Optimism 上的代币兑换费为 0.85 美元，而 Arbitrum 的为 1.35 美元，这实在是太高了！

答案很简单：这些 Optimistic Rollups 本身还没有优化，而且大多数早期在 Optimistic Rollups 上部署的 dApps 项目都是以太坊上原有项目的分叉版本，并不是针对Optimistic Rollups而设计的。最近，通过专门针对Optimistic Rollups 而进行优化的Aave V3成功地降低了约 10 倍的费用！

但是还会有更多的优化。签名聚合/压缩将使得每笔交易直接节省约 1,000 Gas。调用数据 (calldata) 的基本压缩可以直接节省 2.5 倍，且更多更先进的方案将会出现。随着 Optimistic Rollups 以及部署在其上的 dApps 的优化，Optimistic Rollups的交易费用将很容易达到0.01- 0.10 美元的范围。

等等，这是以太坊发展路线图中的 The Surge 阶段(即通过分片 (sharding) 大幅提高 Rollups 的可扩展性)到来之前的情况！如果 2022 年末的以太坊上海硬分叉升级 (这将是以太坊合并后的首次升级) 进展顺利，那么第一步将很可能是引入“携带 blob 的交易” (blob-carrying transactions，这是 Vitalik 提议的一种新的交易格式)，这将使得 calldata (调用数据) 的成本降至大约为零，且并且 Optimistic Rollups 实际上将变得更加便宜！

今天，ZK-Rollups 有着较高的固定成本。当前，ZK-Rollups 要更便宜，因为其调用数据成本超过了该固定成本；但是，随着调用数据成本变得可以忽略不计，交易费将完全由 ZK-Rollups 的固定成本主导。而ZK-Rollups 的运行成本要高得多。

很明显，现在有很多不同的证明系统，成本也不同，但通常的估计是 0.01- 0.02 美元。这将是 ZK-Rollups 的一个最低成本。然而，如果它们愿意，Optimistic Rollups可以自由地下降至更低：由于一个成熟的Optimistic Rollups成本 99% 是调用数据成本，它们可以以微不足道的成本访问 ~5200 TPS 的 blobspace。

顺便说一下，Optimistic Rollups也将比 Validiums 方案(在链下保存其数据可用性)更便宜，因为这个最低成本也适用于Validiums！我相信zkPorter(这是一个 Validium 方案) 的交易成本在 0.01- 0.03 美元之间，而 Optimistic Rollups 的成本可以远低于这个水平。就我个人而言，出于交易质量的原因，我不建议使用这种方案，但在这种情况下，Optimistic Rollups 最终将获得更高的“利润”，可以重新分配给利益相关者，或将其用于公共产品融资、开发等等。

当然，最终，~5200 TPS 会饱和，如果有超过这个的巨大需求，调用数据成本将再次开始上升。但是，到那时，Danksharding将会推出，首先将这个空间扩展到 125,000 TPS，然后在数年内扩展到数百万 TPS。(顺便说一下，在讨论 Rollups 时，“TPS”数字是没有意义的，但它用于说明目的是有用的。) 长期来看，调用数据成本绝对不会成为瓶颈——瓶颈将是 Rollups 本身。重申一下，瓶颈将是 Rollups 本身，而不是以太坊。

长期来看，随着 ZK-Rollups 的成熟，我们将有 ASIC 证明者，ZK-Rollups 的成本也将变得微不足道。届时，ZK-Rollups 的优势——最明显的是即刻取款 (无需等待)——将胜出。对于一些具有高度压缩状态增量的用例 (如 dYdX)，它们很快就会比 Optimistic Rollups 便宜得多。

最终性 (Finality)

说到这，一个常见的误解是，Optimistic Rollups 有 7 天的敲定期。但实际上，Optimistic Rollups 将比 ZK-Rollups 更快地实现与 L1 相同的最终性 (finality)。我们已经看到 Optimistic Rollups 每 5 到 10 分钟提交一个交易批次，所以这就是延迟。这 7 天是为了确保维持这一最终性，并假设至少有一个实体会维持该最终性。随着 Optimistic Rollups 的扩展，这些交易批次将更加频繁地被提交，且当达到大约 20 TPS 时，Optimistic Rollups 可以在每个区块进行提交，此时 Optimistic Rollups 的最终性将等于 L1 的最终性。由于 ZK-Rollups 的固定成本要高得多，在每个区块进行提交将需要更多的活动 (>100 PTS) 才能实现。然而，通过 Vitallik 提出的这个 blob 交易 EIP (以太坊改进提案)，ZK-Rollups 可以重新设计，将一些证明提交给 blob，所以这可能不是一个问题。

那么，Optimistic Rollups 的这 7 天是什么呢？因为挑战期是 7 天，所以有一种交易确实有 7 天的敲定期，即从 Optimistic Rollups 取款至 L1 链。对于某些情况，比如跨链 NFTs，这可能是一种挑战。然而，我们已经看到了许多在 Optimistic Rollups 上线的「桥」，且随着Optimistic Rollups 的成熟，活动 & 流动性将提高，届时这 7 天的挑战期将不再是一个问题。更大的问题是 ZK-Rollups 支持了许多新用例和跨 Rollup 活动，而这些用例和活动是无法在 Optimistic Rollups 上实现的。

比如，借助于 Danksharding，ZK-Rollups 可以同步调用 L1,我甚至推测，如果我们通过 crLists 实现 L1 预确认，不同的 ZK-Rollups 之间的某种程度的可组合性将是可能的！Optimistic Rollups 被排除在这些新颖和创新的场景之外。附录：虽然 Optimistic Rollups可以进行隐私交易，而ZK-Rollups将能够以低得多的成本进行此类交易。

吞吐量

特定于应用程序的 Rollups相当精简，并且可以大规模扩展。如果我没记错，早在 2020 年年中，StarkEx 就演示了 9000 - 18000 TPS。然而，对于智能合约 Rollups 来说，情况更加具有挑战性。我们已经看到 StarkNet 只能够比 dYdX 或 Immutable X 的吞吐量更低，并将吞吐量优化作为一个最高优先级。因为 Optimism 和 Arbitrum 都是基于 EVM 客户端，所以它们 a) 拥有经过实战测试的代码库，b) 相对优化的客户端。几天前，我询问在需要并行性之前 EVM 可以扩展到什么程度，Alexey Sharp 认为 Erigon 可以扩展到 500M Gas/秒。因此，对于优化的基于 EVM 的 Optimistic Rollups 有很大的空间，并且可以通过多线程客户端或多个实例/递归 Rollups 提供更多的空间。

这是我们争论的焦点：因为 Optimistic Rollups 有一个诚实的少数假设，你不能将系统需求推得太紧。要清楚的是，因为这是一个诚实的少数假设而不是单片式 L1s 的那种诚实的大多数假设，因此 Optimistic Rollups 可以比任何单片式 L1 区块链更安全。但是你仍然需要有一个限制，这个限制在默认情况下需要低于 ZK-Rollups，因为 ZK-Rollups 可以很容易地通过有效性证明进行验证。

但是 Optimistic Rollups 有一个解决方案——无状态客户端。我在 Optimism 的路线图上看到了这一点，但我不记得在哪里了。使用无状态客户端，验证 Optimistic Rollups 非常容易，使用正确的工具验证交易将非常简单。此外，因为可以很容易地直接从 L1 重构 Rollup 的状态，所以通过借助状态过期，Rollups 比 L1 更具有侵略性。一旦实现了无状态性和高频率状态过期，Rollups 将已经克服了状态膨胀的严重问题！此外，你还拥有像 Fuel V2 这样的新解决方案，它通过类似 UTXO (未花费交易输出) 的系统进行并行化。

话虽如此，通过递归有效性证明，ZK-Rollups 仍然是实现网络最大吞吐量的更优雅的解决方案。很有可能的是，在 StarkNet 自身日趋成熟的同时，我们看到特定于应用程序的 ZK-Rollups 在其之上构建了巨大的吞吐量，且作为一个整体，StarkNet 的规模远远超过任何 Optimistic Rollups。然而，其中的权衡是原子可组合性——除非 ZK-Rollups 团队的向导很快发现这一点！

总结

最终，这一切都与时间线有关。

对于特定于应用程序的链而言，ZK-Rollups 已经是大多数情况下的最佳解决方案。这对于任何使用过 dYdX、zkSync、Loopring 或 Immutable X 的人来说都是非常明显的。会有一些权衡，但所有这些都将在今年年底前完成 (比如 dYdX V4)。

智能合约：单片式 L1 链还有一年的时间保持相关性。对于这些单片式 L1 链来说，不祥预兆已成定局，除了紧急转向使用欺诈证明，有效性证据和 DA(数据可用性)证明，别无他途。

Optimistic Rollups将比 ZK-Rollups 扩展得更快。Optimistic Rollups 的很多代码库已经成熟，一旦定序和可升级性实现了去中心化，Optimistic Rollups 将准备好被大规模采用。到 2022 年底，Optimistic Rollups 可能会迎来低于一美分的 Gas 费用，完全实现去中心化，并且本质上有着与以太坊 L1 一样的安全性和最终性，并拥有足够的流动性用于快速取款。且随着 2023 年无状态性 (statelessness) 和状态到期 (state expiry) 的实施，Optimistic Rollups 将继续改善。

ZK-Rollups 将继续演化、成熟和久经测试，优化证明时间，转移到 GPU 证明者并最终转向 ASIC 证明者。它们新颖的虚拟机和定序器节点也将随着时间的推移而成熟和扩展。到 2023 年底，我预计 ZK-Rollups 将赶上并取代 Optimistic Rollups。但Optimistic Rollups将继续发挥作用直至2024/25 年，到那时，我预计大多数Optimistic Rollupsor 将成为 ZK-Rollups，或至少使用有效性证明取代它们的欺诈证明系统。

我曾说过多次，我的时间范围是 5-10 年。但是 Rollups 和 DAS (数据可用性抽样) 的发展是如此之快，我现在认为它的结局就在眼前，并且将在 5 年内发生。

感谢 Reddit 用户 u/proof_of_lake 的校对。

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