ROLL:Layer2：Rollups详细解读-ODAILY_ARB

背景介绍

从比特币创世开始，一直到以太坊网络中CryptoKitties游戏的出现。主流公链项目最被人诟病的地方就是低下的TPS。以太坊15左右的TPS完全无法给大多数应用提供实时稳定的支持，这与当前互联网行业动辄上万TPS的业务形成了鲜明的对比。甚至有很多人因此觉得公链将长期处于“不可用”状态。然而，公链爱好者不会因为困难而停下脚步。

主流方案对比

对于以太坊而言，过去几年内关于以太坊扩容的方案如雨后春笋般涌出，形成了百家争鸣的态势。其主流的方案如下所示:

1.链上扩容：

分片技术：分片一词本来源于数据库的术语，表示将大型数据库分割为很多更小的、更易管理的部分，从而能够实现更加高效的交互。

区块链分片是指对区块链网络进行分片，从而增加其扩展性。根据最新的以太坊2.0规范，以太坊区块链会被分为1024个分片链，这也意味着以太坊的TPS将提高1000倍以上。但目前Sharding方案仍然在跨分片通信、欺诈识别、随机分配与选举安全性等方面存在不足。

旨在将Diem连接到ETH等公链的Dapp融资450万美元:去中心化应用程序Pontem Network已筹集了 450 万美元的种子投资，该Dapp旨在将Facebook的Diem连接到以太坊 ( ETH )等公共区块链。Pontem Network得到了多家知名投资者的支持，包括 Delphi Ventures、Collider Ventures、Alameda Ventures、Skynet Trading 和 Animoca Brands。（Cointelegraph）[2021/6/3 23:09:16]

2.链下扩容：

状态通道：指代用于执行交易和其他状态更新的“链下”技术。

但是，一个状态通道内发生的事务仍保持了很高的安全性和不可更改性。如果出现任何问题，我们仍然可以回溯到链上交易中确定的稳定版本。

基于Elastos公链的首个DEFI生态项目FilDA宣布正式接入火币生态链:2020年12月11日，基于Elastos公链的首个DeFi生态项目FilDA宣布正式加入火币生态链Heco，实现FilDA与火币生态链Heco的桥接。

FilDA是首个基于Elasots公链 、火币生态链、Filcoin多条公链，打造ELA+HT+FIL生态的去中心化金融综合服务平台，提供去中心化的FIL 、ELA质押、借贷、理财等服务。FilDA将通过桥接方式将ELA、 HT 、FIL等代币发送到FilDA平台进行抵押。FilDA也将整合火币生态链核心优势，支持HT质押、借贷、理财等服务，打造基于HT的金融产品。[2020/12/11 14:53:23]

侧链技术：侧链是平行于主链的一条链，由侧链上的验证者把一条链的最新状态提交给主链上的智能合约，这样持续推进的一类系统。侧链通常使用PoA(Proof-of-Authority)、PoS(ProofofStake)等高效的共识算法。它的优势在于代码和数据与主链独立，不会增加主链的负担，缺陷在于它的安全性弱、不够中心化，无法提供审查抗性、终局性和资金所有权保证。

直击乌镇 | TOP Network CEO Steve Wei：公链的成功不在于技术，而是生态:金色财经现场报道，11月8日，TOP Network CEO Steve Wei在TOP主网发布会现场发表演讲时指出，公链的成功不在于技术，而是生态。当前公链项目面临着没有实际应用、真实用户少、缺乏开发者等诸多困境。同时对于区块链应用落地，他指出，目前落地面临着缺少严肃的开发者开发严肃的应用，落地从0到1需要周期，用户体验不好、用户基数小，开发工具、中间件缺失，监管环境需要改善等问题。他说，TOP主网上线后，之前已经拥有8000万用户的三款落地应用将全部迁移到链上，不仅能够解决区块链应用落地问题，还能带来海量用户。[2019/11/8]

Rollup技术：顾名思义，就是把一堆交易卷起来汇总成一个交易，所有接收到这个交易的节点只去验证执行结果，而不会验证逻辑。因此Rollup交易所需Gas费会远小于交易Gas费总和，TPS也增加了。

主流的Rollup技术可以分为两类：

ZkRollup：基于零知识证明的Layer2扩容方案，采用有效性验证方法(VP)，默认所有交易都是不诚实的，只有通过有效性验证才会被接受。ZkRollup在链下进行复杂的计算和证明的生成，链上进行证明的校验并存储部分数据保证数据可用性。

金色财经现场报道北京鑫星伊顿技术服务股份有限公司CEO金岩石：如果公链的交易速度达不到，就不能替代信用卡:金色财经现场报道， 在2018中国区块链高峰论坛峰会现场北京鑫星伊顿技术服务股份有限公司CEO金岩石表示，“区块链是交易链，交易的核心是交易的安全和速度，比特币、以太坊、EOS是公链，比特币的交易速度每秒7笔，以太坊的交易每秒200笔，即将上线的EOS据说每秒可以达到上万笔，而信用卡是每秒1千万笔交易，如果公链的交易速度达不到，就不能替代信用卡。”[2018/5/20]

OptimisticRollup：乐观的Rollup协议，采用欺诈证明方法，即对链上发布的所有Rollup区块都保持乐观态度并假设其有效，它仅在欺诈发生的情况下提供证据。

乐观Rollup的优势在于能使得原生Layer1上的solidity合约可以无缝移植到Layer2，从而最大程度提升了技术人员的研发体验，目前主流方案包括Optimism和Arbitrum。

Plasma方案：通过智能合约和Merkel树建立子链，每个子链都是一个可定制的智能合约，子链共存并独立运行，从而大幅降低主链的TPS压力。

U Network联合创始人：公链的进化和未来的竞争，短期是要看基金的流动:金色财经现场报道，在飞鸟·区块链技术与应用高峰论坛上，U Network联合创始人严肃表示：“我觉得对于公链的进化和未来的竞争，短期是要看基金的流动，是不是有足够的资金进入这个领域，推动它的币价，吸引它的一些支持者。第二点我认为中期或者中长期要看它应用的落地，我印象非常深刻，因为以太坊白皮书上写了它有五大类应用，第一类可能就代币，第二类是去中心化的内容存储，第三类是去中心化的组织，第四类是稳定货币和金融衍生品。后面还有八种应用，其中就仅仅是一项应用代币本身，或者Token本身搞的非常疯狂了，如果未来的应用能够非常好的得到落地，那有可能整个世界会被它搞的鸡犬不宁。”[2018/3/29]

我们对解决方案进行比较，结果如下：

Rollup机制目前被普遍认为是最有前景的扩容方式，在两种主流的Rollup方案中，最核心的问题便是如何验证Rollup交易中的真实性。

OptimisticRollups和ZKRollups运用了不同的思维逻辑，前者乐观地相信交易的真实性，而后者悲观地不相信，因此生成零知识证明来自证清白。

相比之下，两者的优劣如下：

OptimisticRollup的优势是能够更好地支持EVM合约，劣势在于验证效率低，安全性较低；

ZkRollup的优势在于高度去中心化，验证效率高，劣势在于生成零知识证明并打包的过程非常复杂，较难兼容EVM，也较难落地。

下面主要对OptimisticRollup的两大方案Optimism和Arbitrum进行介绍。

Optimism和Arbitrum

首先我们来看看OptimisticRollup方案的流程：

Optimism和Arbitrum在基本流程上跟上述描述一样，直截了当来说：Optimism的争议解决方案比Arbitrum更依赖于以太坊虚拟机(EVM)。当有人提交关于Optimism的挑战时，存在问题的交易都会通过EVM再运行一遍。

相比之下，Arbitrum使用链下争议解决流程将争议二分减少到一笔交易中的一个步骤。然后，协议将这个一步的断言发送到EVM进行最终验证。

因此，从概念上讲，Optimism的争议解决过程比Arbitrum简单得多。但Arbitrum大大减少了链上的验证压力。

Arbitrum的整体架构如下所示：

由于Arbitrum是针对以太坊的扩容方案，因此Arbitrum架构自然部分存在于Layer1上，部分存在于Layer2上；

存在于Layer1上的Arbitrum组件为EthBridge，它是一组以太坊合约；

EthBridge负责仲裁ArbitrumRollup协议，以及维护链的inbox和outbox；

链的inbox和outbox允许用户、Layer1合约和完整节点将他们的交易发送到链并观察这些交易的结果；

Arbitrum虚拟机是Layer1和Layer2之间的网关，这也由EthBridge产生；

AVM能够读取输入，并对这些输入执行计算以产生输出；

ArbOS运行在Arbitrum虚拟机之上，负责保证Arbitrum链上智能合约的执行；

ArbOS完全存在于Layer2上，并像在以太坊上运行一样运行EVM合约。

Arbitrum的争议解决过程主要依赖链下的递归二分算法。该算法通过不断二分差异点来迫使”断言者“和”挑战者“缩小分歧，最终在Layer1上解决分歧。解决的具体方案如下所示：

而Optimism则直接让EVM执行整个交易，因此它只需要一轮交互即可完成。出于这个原因，OptimismRollup通常被称为“单轮”，而ArbitrumRollup是“多轮”。两者最大的区别在于：Arbitrum解决争议时间长，因此确认时间较长。Optimism需要执行整个交易，Gas费更高。

Eigen——Layer2Rollup的隐私计算方案

对于隐私计算而言，通常结果是乐观主义的。在隐私计算领域，一笔交易极其复杂，在Layer1执行完这笔交易非常困难，因此，Arbitrum是隐私计算领域中较优的选择，这也是Eigen基于Arbitrum进行开发的原因。

EigenRollup是一套EVM兼容、支持乐观执行和可验证性声明的混合Rollup方案。

乐观执行：类似于CPU的分支预测(BranchPrediction),交易会被预执行，验证者验证交易的合法性；通过挑战协议对有争议的交易进行裁决；

可验证性声明：采用TEE签名和零知识证明技术对计算过程的正确性和结果完整性提供非交互式证明。

EigenRollup基于Arbitrum提供如下技术：

隐私可验证性证明：EigenRollup在Arbitrum的交互式证明方案的基础上，采用TEE进行关键隐私操作指令的执行，从而降低交互式证明消耗，提供交互式证明的隐私保护；

公平定序器：现有的定序器存在中心化程度太高，以及跟验证节点联合作恶的风险。EigenRollup采用一种公平算法来实现定序器，实现了低手续费的同时，也防止了MEV等攻击的可能性。

分布式任务执行引擎：EGVM作为隐私合约的执行虚拟机，支持分布式任务管理。EGVM会将分布式任务调度到EigenCC计算集群进行并行计算,并且生成对应的可验证证明。

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