ROL:科普 | 以太坊扩容之Layer-2 Rollup扩容解决方案的探讨_LAYER

在2020年5月，以太坊网络上出现了所谓的“黑色星期四”：以太坊变得过于拥挤，以至于MakerDAO无法按照预期进行工作。在这种情况下，不同参与者可以去竞标“抵押品不足的资产”，这意味着允许一个参与者以0美元的价格竞标价值450万美元的ETH。MakerDAO的崩溃向我们展示了可扩展性不足的后果。

正如“黑色星期四”所证明的那样，如今这种因以太坊拥堵而造成的安全威胁已成为一个十分严重的问题，许多项目通过创建链外Layer2的解决方案来解决可扩展性问题，这些解决方案本质上都是将区块链作为信任的锚点。

Layer2扩容技术将事务迁移到链外。如果构建可行，那么Layer2扩容解决方案可以利用区块链的许多好处，而不会产生相同的成本，并且需要进行更少的权衡和假设。

过去几年中，有关以太坊的两个主要扩容建议是侧链和状态通道。而近期Rollup的解决方案引起了公众的密切关注，基于Rollup的Layer2项目也获得了很大进展。上一期德邻研究院为大家介绍了以太坊Layer2扩容解决方案，本期的主题是在了解Layer2的基础上一起聊一下现在以太坊社区内大火的Rollup扩容解决方案。

徐明星新书《趣说金融史》正式发布 科普金融发展之道:金色财经现场报道，9月23日，欧科云链创始人徐明星携手著名财经作家李霁月、行业观察者顾泽辉力作《趣说金融史》一书，跨越5000年金融历史，重读金钱故事，并预测新的金融时代。该书由中信出版社出版，将于近期正式发售。据了解，本书可以更好地呈现金融的起源与发展，帮助人们理解货币、金融与未来经济。作为区块链行业领军企业——欧科云链的创始人，徐明星深知技术探索对经济社会的重要推动作用，他曾先后出版过《图说区块链》、《区块链：重塑经济与世界》、《通证经济》、《链与未来》等行业权威著作，解读区块链等新型技术的推动下，金融与社会的升级之道，对经济社会发展做出了重大贡献。其中，《区块链：重塑经济与世界》曾作为新中国70周年重点推荐图书之一被相关书店推荐。[2021/9/23 17:00:57]

首先，什么是Rollup？

Rollup是类似于Plasma的Layer2扩容解决方案，它借鉴了Plasma的许多概念。Rollup在某种意义上类似于Plasma，通过将交易从链下迁移至由主网保护的Layer2侧链来扩容以太坊。这两种扩容方案都将智能合约部署到主网上，其中包含了存放在侧链中的所有资金和侧链当前状态的证明。侧链用户和运营商对侧链进行维护，并确保将有效的状态转换提交给主网合约。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

Rollup的概念可以追溯到2014年，被以太坊联合创始人VitalikButerin称为“ShadowChain”，即影子链。Plasma和状态通道等解决方案的失败导致开发人员重新审视了Buterin的ShadowChain。虽然Plasma和状态通道每秒可以扩展数百万个事务，但它们不能兼容那些DeFi相关的应用程序中的智能合约。

现场 | 火币中国推出数字经济及区块链产业科普新书:金色财经现场报道，12月6日，由海南省工业和信息化厅主办，南南合作金融中心协办，海南生态软件园、火币中国承办的“海南自贸港数字经济和区块链国际合作论坛”在海口举行，这是全球首次区块链部长级论坛。

在本次论坛上，火币中国举行了“数字经济及区块链产业科普系列新书发布”仪式，希望通过教材、专业教育、培训等多种方式，帮助从业者、高校、研究机构深入了解区块链，从而建立起区块链全局性知识模型，真正推动区块链应用落地。火币中国CEO袁煜明介绍，将联合机械工业出版社面向普通高等教育推出《区块链导论》、《区块链系统设计与应用》和《区块链新商业模式分析》系列教材，这是国内最早推动的区块链教材之一；火币中国还积极参与数字经济的研究，由中信出版社出版的新书《读懂Libra》已经上市；由火币中国负责编写的区块链技术科普读物《区块链技术进阶指南》将于12月面世；首本行业内最全的区块链应用案例集《区块链产业应用100例》在本次论坛进行了首次刊印。[2019/12/6]

Rollup建立在“ShadowChain”构想的基础上，通过在链外执行状态并且仅使用以太坊区块链来实现数据可用性。Rollup的区块发布或状态更新仅通过txCALLDATA将一些数据发布到每个事务的主链上，从而提高了吞吐量并克服了侧链的数据扣留攻击问题。

中科院自动化研究所将面向大中小学生开展区块链等主题的科普讲座:5月21日，新华网讯，今年，中国科学院自动化研究所将举办第十四届“自动化之光”公众科学开放日活动。届时，自动化所将面向大中小学生分别开展《脑与智能》、《区块链技术与平行智能》、《大数据时代的视觉智能》、《动画真奇妙》等4个主题报告，用实例和生动的演示深入浅出地为大家揭示智能技术的原理和奥妙。[2018/5/21]

Rollup有两种类型：OptimisticRollup和ZKRollup。它们在确保侧链区块有效性方面采取的方法有所不同。对于OptimisticRollup，有效性由欺诈证明和同步假设来确保，而对于ZKRollup，有效性则由零知识证明来确保。

什么是OptimisticRollup？

OptimisticRollup的设想首先由JohnAdler在2019年7月的以太坊基金会研究论坛上提出，并且OptimisticRollup更接近影子链的原始设想提纲。致力于OptimisticRollup的团队包括Optimism，FuelLabs，Arbitrum等。

金色财经独家分析 监管机构、媒体、业界提示风险 区块链科普道阻且长:新华社今日发文表示，近来“区块链”类案件频发，不法分子以“投资虚拟货币周期短、收益高、风险低”为借口，取用户信任并诱使其转账进行投资。无独有偶，同日消息，腾讯手机管家安全专家也提醒此类风险，并从技术上提出防建议。在美国，监管机构警示加密货币欺诈现象普遍承诺高收益而不披露潜在风险。金色财经独家分析，不法分子假借新技术之名进行，一方面是抓住民众趋利的心理，一方面反映出区块链科普的欠缺。区块链是新兴科技和底层技术并有改变社会生产关系的潜力，应该进行系统性的科普教育，当前，部分大学已经开始设置了区块链课程，但对于普通民众仍然有科普的需求，人们应该了解到系统和正确的知识，不仅要了解区块链的好，也要明确局限和弊端，以在高收益的诱惑下，保持清醒客观。[2018/4/11]

在OptimisticRollup中，有两个主要参与者：Aggregators和Validators。它可以提供近乎即时的交易和智能合约，并且不需要Gas费。在使用现有ECDSA签名的情况下，由OptimisticRollup启用的事务处理速度约为100tps。如果将签名方法更改为BLS，则事务处理速度可以增加到500tps。

OptimisticRollup是指其对以太坊Optimistic虚拟机的使用，从技术上讲，它是以太坊虚拟机的集成化，它基于Layer2的数据对Layer1的状态进行了“乐观”的状态预测。我们可以这样理解：在OptimisticRollupLayer2链上，用户有一台用于处理交易和智能合约的机器，所有日常操作都在该Layer2机器中进行；在以太坊Layer1链上，用户拥有一台相同的OVM机器，但除非紧急情况发生，否则不会使用它。如果某人认为某一个Layer2OVM的操作是具有欺诈性的，那么他可以在Layer1运行的OVM计算机上重新运行该操作来证明该操作的真实性。要成为OptimisticRollupLayer2节点，用户须在Layer1智能合约中锁定一些资金，如果该用户表现不佳，并且有其他用户最终证明了该用户的操作具有欺诈性，则该用户的保证金将被削减，而用户将获得与所削减数量等额的保证金作为奖励。

OptimisticRollup可以支持简单的支付和复杂的智能合约，现有代码库的大部分内容都可以轻松移植到OptimisticRollup中，因此OptimisticRollup被视为直接解决方案。另一方面，将智能合约从以太坊的主链无缝迁移到ZKRollup是一件相对来说难度更大的事。

什么是ZKRollup？

简而言之，ZKRollup是一种Layer2扩容解决方案，其中所有资金都由主链上的智能合约持有，而它执行链下的计算和存储，其侧链的有效性通过零知识证明来确保。

ZKRollup最初由BarryWhitehat于2018年提出，其安全保障与底层Layer1相同，可以在一分钟内生产区块并将吞吐量提高至2,000tps。ZKRollup实现的项目包括MatterLabs和Starkware。

ZKRollup无需等待两周的时间来完成影子链中的一个区块的最终确定，而是用零知识证明代替了欺诈挑战。账户和余额由单独的Merkle树表示。这些默克尔树的根确保了没有人可以伪造数据。每个Merkle树的根都存储在以太坊上的智能合约中，该合约只提供侧链状态的“简单表示”，所有其他数据都是在链外存储的。

ZKRollup就像你在与建立区块和状态更新的某个人进行交谈。状态的变化是经过哈希处理的，这是SNARK的输入过程，该输入中包括Rollup块中每个事务的有效性证明。交易被汇总在一起，仅有头部被签名并提交给主链。因此，减少了以太坊链上存储的数据量。所有签名都被称为ZK-SNARK的零知识证明所取代，这可以使所汇总的交易记录得到压缩。

由于每个签名的验证都被单个SNARK取代，因此计算也得到了改善。仅有一小部分信息添加到主链中，他们仅占通过CALLDATA在链上发布的交易数据的一小部分。提交区块或状态更新后，用户可以检验零知识证明的有效性。若其中发起挑战的交易告诉智能合约某些数据不正确，那么该区块最终无效。

这些挑战在ZKRollup中被ZK-SNARK所取代，在该中继器中无效或不正确的状态是不可能被提交的。SNARK证明这一系列交易是由拥有者正确签署的，并且从旧的Merkle根到新的Merkle根，账户余额的更新是正确的。因此，中继器不可能提交无效的或被操纵的状态。

ZKRollup将ZKSNARK证明提交到主网Rollup合约中。然后主网智能合约将验证并接受任何有效的证明。这个过程几乎立即发生并且规模巨大。相较而言，OptimisticRollup总会牺牲一些可扩展性以适应Layer2上的智能合约，同样它的过程会稍有延迟，以便于用户有时间向BondAggregator的无效块发起挑战。

因此，从长远来看，也有人认为ZKRollup是更有希望的解决方案。尽管现在这种扩容技术确实可以对OptimisticRollup进行补充以实现简单的付款，但是已经有一些Dapp使用该技术，并且在实现智能合约支持方面取得了进展。

Rollup对于以太坊具有很大的潜力，但仍有许多挑战需要克服。Rollup的挑战在于DeFi服务器的可组合性。如果不同的Rollup链上有不同的Dapp，则不同Rollup链之间的信息互通将比以太坊主链上的信息互通更加困难。为了保持可组合性，DeFi服务器将必须在特定的Rollup链上进行协调并创造临界质量。尽管在以太坊应用程序中出现了采用Rollup的良好迹象，但区块链网络“无需许可”的性质意味着并非每个用户或服务器都将采用这些Layer2解决方案。

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