最近，以太坊創(chuàng)始人Vitalik Buterin在一篇題為“混合式二層協(xié)議的曙光” 的文章里對(duì)Rollup方案大加贊賞，認(rèn)為它為智能合約的可擴(kuò)展性打開了大門。

那么什么是Rollup？它包括哪些主流方案？這些方案各自有什么優(yōu)缺點(diǎn)？它們未來(lái)發(fā)展的前景如何？

Rollup的出現(xiàn)

最近幾年，以太坊二層（Layer-2）擴(kuò)容技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。

所謂二層，就是將一部分資金存儲(chǔ)在主鏈智能合約里，在保證足夠安全的前提下，把一部分交易放到主鏈之外進(jìn)行，就好像鏈下多出來(lái)了一層網(wǎng)絡(luò)。

在二層方案里表現(xiàn)比較突出的就是狀態(tài)通道和 Plasma側(cè)鏈。雖然這兩種方案誕生時(shí)間很早，但是發(fā)展的卻比較緩慢。其背后的原因歸根結(jié)底是數(shù)據(jù)的可用性問題。

就在二層擴(kuò)容技術(shù)舉步維艱的時(shí)候，一種名叫 Rollup的新方案被提了出來(lái)。

但是與狀態(tài)通道和Plasma不同的是，它可以“打包”交易，并將“打包”后的交易數(shù)據(jù)連同一個(gè)SNARK零知識(shí)證明發(fā)布到鏈上。

打包的正確性可以通過(guò)零知識(shí)證明來(lái)見證，負(fù)責(zé)“打包”的操作者不可能發(fā)布惡意或無(wú)效的交易。這就是后來(lái)被Vitalik Buterin稱之為ZK Rollup 的二層擴(kuò)容方案。

ZK Rollup并非萬(wàn)能，它遇到的最大問題就是通用性。除非要證明的交易非常簡(jiǎn)單，否則創(chuàng)建SNARK證明的成本會(huì)非常高。

因此，一種名叫Optimistic Rollup的折中方案被提了出來(lái)。

Optimistic Rollup同樣也是把交易數(shù)據(jù)都放到鏈上，但不是用SNARK做見證，而是采用“加密經(jīng)濟(jì)學(xué)有效性博弈”來(lái)實(shí)現(xiàn)有效性驗(yàn)證。

作為一種提高區(qū)塊鏈吞吐量的技術(shù)，Rollup可以在有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)，避免對(duì)協(xié)議層進(jìn)行大量的更改，部署Rollup也不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起硬分叉升級(jí)。

目前已經(jīng)有許多以太坊上的項(xiàng)目（如Celer，ANON等）采用了Rollup協(xié)議來(lái)提高Dapp的吞吐量和用戶體驗(yàn)。

Rollup是如何工作的？

鏈上有一個(gè)智能合約，它維護(hù)狀態(tài)根：rollup狀態(tài)的Merkle根（意思是，“余額”內(nèi)的帳戶余額，合同代碼等）。

任何人都能夠以高度壓縮的形式發(fā)布批處理，交易集合以及先前的狀態(tài)根和新的狀態(tài)根（處理交易后的Merkle根）。

合同檢查批處理中的先前狀態(tài)根是否與其當(dāng)前狀態(tài)根相匹配；如果是這樣，它將狀態(tài)根切換到新的狀態(tài)根。

為了支持存款和提款，我們?cè)黾恿耸馆斎牖蜉敵鎏幱趓ollup狀態(tài)“之外”的交易的功能。

如果批次具有來(lái)自外部的輸入，則提交該批次的事務(wù)也需要將這些資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到rollup合同中。

如果某個(gè)批次有外部輸出，則在處理該批次時(shí)，智能合約會(huì)啟動(dòng)這些提款。

就是這樣！除了一個(gè)主要細(xì)節(jié)：如何知道批次中的狀態(tài)后根是正確的？

如果某人可以提交具有任何后期狀態(tài)根源的批次而沒有任何后果，那么他們可以將rollup中的所有Token轉(zhuǎn)移給自己。

這個(gè)問題很關(guān)鍵，因?yàn)橛袃蓚€(gè)非常不同的解決方案系列，而這兩個(gè)解決方案系列就導(dǎo)致了兩種rollup方式。

Optimistic Rollup與ZK Rollup

Rollup的兩種類型分別是Optimistic rollup和ZK Rollup。

Optimistic Rollup

Optimistic rollup，使用欺詐證明—rollup合同會(huì)跟蹤其整個(gè)狀態(tài)根歷史以及每個(gè)批次的哈希值。

如果有人發(fā)現(xiàn)某個(gè)批次的狀態(tài)后根不正確，則發(fā)布需要鏈的證明，以證明該批次的計(jì)算不正確。合同將驗(yàn)證證明，并還原該批次及其之后的所有批次。

ZK rollup

ZK rollup，使用有效性證明—每個(gè)批次都包含一個(gè)稱為ZK-SNARK的加密證明（例如，使用PLONK協(xié)議），這證明后狀態(tài)根是執(zhí)行批次的正確結(jié)果。

無(wú)論計(jì)算量有多大，都可以在鏈上非常迅速地驗(yàn)證證明。

總的來(lái)說(shuō)，我個(gè)人認(rèn)為，在短期內(nèi)，對(duì)于通用EVM計(jì)算而言，樂觀可能會(huì)勝出；而對(duì)于簡(jiǎn)單付款，交易和其他特定于應(yīng)用的用例，ZK可能會(huì)勝出。

隨著ZK-SNARK技術(shù)的改進(jìn)，中長(zhǎng)期ZK將在所有用例中勝出。

Rollup工作細(xì)節(jié)

在Optimistic Rollup中，首先我們需要設(shè)立一個(gè)可信任的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集所有的交易信息、驗(yàn)證然后打包.

打包后的信息集合將帶上該節(jié)點(diǎn)的簽名發(fā)送到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。

當(dāng)一個(gè)可信節(jié)點(diǎn)設(shè)置成功后，該節(jié)點(diǎn)將成為Rollup節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同全節(jié)點(diǎn)一樣，下載整個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新區(qū)塊狀態(tài)。

我們?nèi)耘f以之前那個(gè)公司為例，假設(shè)目前有2000筆交易正在等待執(zhí)行，公司的員工會(huì)將2000筆交易發(fā)給Rollup節(jié)點(diǎn)。

之后，Rollup節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)已有的狀態(tài)和區(qū)塊數(shù)據(jù)，對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證，并保存以下數(shù)據(jù)集（交易內(nèi)容，交易前狀態(tài)，交易后狀態(tài)）。

當(dāng)Rollup節(jié)點(diǎn)對(duì)所有交易完成了驗(yàn)證與執(zhí)行并生成數(shù)據(jù)集后，節(jié)點(diǎn)需要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行簽名，即Sig Rollup節(jié)點(diǎn)（交易內(nèi)容，交易前狀態(tài)，交易后狀態(tài)）。

最后將簽名與數(shù)據(jù)集整合到一筆交易中，這個(gè)交易被稱作斷言Assertion，發(fā)送到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)等待其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證即可。

需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)并不會(huì)驗(yàn)證Rollup節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)集，僅僅只驗(yàn)證其簽名，驗(yàn)證完畢后將根據(jù)數(shù)據(jù)集更新區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

正如它的名稱“Optimistic Rollup”，實(shí)際上所有的Rollup協(xié)議由于將交易驗(yàn)證從鏈上轉(zhuǎn)移到了鏈下，因此都是一種基于“樂觀”的假設(shè)—假設(shè)大多數(shù)情況下Rollup節(jié)點(diǎn)不會(huì)作惡。

但光有樂觀假設(shè)是不足的，節(jié)點(diǎn)總會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的原因出現(xiàn)問題。

為了避免這些節(jié)點(diǎn)惡意行為，提高作惡成本，Optimistic Rollup中還有如下機(jī)制：

一方面，Rollup節(jié)點(diǎn)需要向網(wǎng)絡(luò)質(zhì)押一定額度的Token，這些Token有一定的解鎖時(shí)間，并會(huì)在Rollup節(jié)點(diǎn)做出惡意行為時(shí)被罰沒。

另一方面，Rollup節(jié)點(diǎn)所提交斷言不會(huì)被網(wǎng)絡(luò)立即認(rèn)可，所以存在一定時(shí)間的窗口期（一般是1周）。

如果其他節(jié)點(diǎn)認(rèn)為該Rollup節(jié)點(diǎn)提交的斷言存在惡意行為，節(jié)點(diǎn)可以質(zhì)押一定押金并對(duì)該斷言發(fā)起挑戰(zhàn)。

并且區(qū)塊鏈中的出塊/驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)該斷言中的所有內(nèi)容（包括數(shù)據(jù)集）進(jìn)行重新驗(yàn)證、執(zhí)行，比對(duì)交易狀態(tài)的差距。

如果的確存在惡意行為，那么Rollup節(jié)點(diǎn)的押金會(huì)被罰沒，則發(fā)起挑戰(zhàn)的節(jié)點(diǎn)則會(huì)獲得一定獎(jiǎng)勵(lì)。如果不存在惡意行為，則發(fā)起挑戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的押金會(huì)被罰沒。

另外，在窗口期結(jié)束時(shí)沒有其他節(jié)點(diǎn)對(duì)斷言發(fā)起挑戰(zhàn)的話，斷言中的狀態(tài)信息將會(huì)被系數(shù)更新至區(qū)塊鏈狀態(tài)中。

Optimistic Rollup可以將多個(gè)交易信息經(jīng)可信第三方聚合為單筆信息，由于交易中的狀態(tài)變更情況是由鏈下節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證而非鏈上節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。

因此降低了區(qū)塊鏈上節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證難度（僅需要驗(yàn)證Rollup節(jié)點(diǎn)所提交的簽名，并更新由該節(jié)點(diǎn)提交的狀態(tài)信息即可）。

數(shù)據(jù)集雖然看起來(lái)并沒有較單個(gè)交易的疊加更小，但數(shù)據(jù)集因?yàn)椴粫?huì)受鏈上節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證，故不需要為其支付高昂的手續(xù)費(fèi)。

依靠這種Layer2處理方案，可以很容易的提高區(qū)塊鏈的有效吞吐量。

ZK rollup是如何工作的？

一個(gè)簡(jiǎn)單的以太坊交易需要約110個(gè)字節(jié)。但是，Rollup上的ETH傳輸僅占用約12個(gè)字節(jié)。

ZK特有的一個(gè)重要壓縮技巧是，如果事務(wù)的一部分僅用于驗(yàn)證，而與計(jì)算狀態(tài)更新無(wú)關(guān)，則可以將該部分留在鏈下。

這不會(huì)完全在樂觀的狀態(tài)下完成，因?yàn)槿绻院笮枰谄墼p證明中檢查數(shù)據(jù)，則仍需要將數(shù)據(jù)包含在鏈上。

而在ZK中，SNARK證明批次的正確性已證明任何數(shù)據(jù)提供了驗(yàn)證所需的信息。

還有一個(gè)重要的例子是隱私保護(hù)，在樂觀的狀態(tài)下，每筆交易中用于隱私的約500字節(jié)需要進(jìn)行保留，而在ZK中，覆蓋整個(gè)批次的ZK-SNARK已經(jīng)沒有了。

這些壓縮技巧是Rollup可伸縮性的關(guān)鍵。沒有它們，Rollup可能只會(huì)使基礎(chǔ)鏈的可伸縮性提高約10倍，而采用壓縮技巧時(shí)，縮放系數(shù)幾乎可以超過(guò)100倍所有應(yīng)用程序。

鏈金分析

Rollup的基本概念現(xiàn)在已經(jīng)得到了很好的理解，但我們可以肯定它們?cè)诟旧鲜强尚星野踩?，并且已?jīng)將多個(gè)Rollup部署到了主網(wǎng)上。

但仍有很多Rollup設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚未得到很好的探索，充分利用以太坊的可伸縮性，將以太坊生態(tài)系統(tǒng)的大部分完全整合到Rollup中還將面臨很多挑戰(zhàn)。

Rollup是一種強(qiáng)大的新的2層伸縮范例，在短期和中期的未來(lái)（以及可能也是長(zhǎng)期的）中，有望成為以太坊伸縮的基石。