以太坊Layer2的Rollup战争

基本介绍

Layer 2 是被设计为解决以太坊扩展性问题的关键方案之一，通过在以太坊主链之上构建额外的网络层，允许处理更多交易的同时保持主链的安全性和去中心化特性。

Rollup 是一种通过在链下处理交易然后将交易数据“打包”进入主链的 Layer 2 扩容方案，其安全性由 Layer 1 保证，是目前最主流的 Layer 2 扩容方案，相比于其他的链下交易方案，例如状态通道、侧链、Plasma 等，Rollup 有三个特点：

1. Layer 2 是与 Layer 1 相对独立的平台，所有参与用户也是独立的 Layer 2 账户，用户可以在 Layer 2 平台上与其他 Layer 2 用户进行交易，但是 Layer 1 账户 与 Layer 2 账户之间的交互需要通过 Layer 2 运营方部署在 Layer 1 及 Layer 2 上的智能合约，最常见的交互就是 ETH 等代币的转移；

2. 所有的交易信息都需要被完整的记录在主链上，即 Calldata 或 Blob 数据（EIP-4844），即使 Layer 2 状态丢失，任何人都可以从主链上存储的信息中恢复出丢失的状态，解决了在以往的链下交易方案中存在的数据可用性问题；

3. 交易执行和状态变更在 Layer 2 平台，但是状态摘要会被发布到 Layer 1 链上，因此 Layer 1 链能够通过某种数据有效性验证方式进行验证，通过验证后 Layer 2 的状态将在 Layer 1 主链上锁定；根据其数据有效性验证方式的不同，Rollups 可以进一步细分为 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。

Rollup 发展史

侧链是最早的 Layer 2 方案之一，顾名思义，侧链是与主链（Layer 1）挂钩（peg）的独立区块链，有自己的共识模型和区块参数。当我们将一个区块链挂钩到另一个区块链时，这意味着我们可以在两个区块链之间移动资产。当想要更快交易时，可以将资产从主链转移到侧链并在侧链上进行交易，完成后，再将资产转移回主链。

Plasma 是 2017 年由闪电网络的提出者之一的 Joseph Poon 和以太坊创始人 Vitalik Buterin 提出的一个 Layer 2 扩展解决方案，是侧链的演变方案。

Plasma 链是在以太坊外构建的独立区块链，也称为子链，就像一棵树的树枝，以太坊是主干，也称为根链。每个子链可以在以太坊上部署自定义的智能合约，可用于处理不同的业务。Plasma 链之上可以再构建一层子链，从而形成树状的 Plasma 网络。Plasma 的工作原理是将大的计算任务拆分成小任务，并将它们分配给各个子链进行处理，处理后的结果结果逐层汇总并提交至上层，从而实现了对大量复杂计算的快速和低成本处理。

Plasma 需要提交 Plasma 链上发生的交易的 Merkle 根，当用户试图将他们的资产从 Plasma 链移回根链时，用户可以提交将资产发送给 Plasma 的最新交易的 Merkle 分支。这开始了一个挑战期，任何人都可以尝试证明用户的 Merkle 分支是欺诈性的。如果 Merkle 分支存在欺诈，则可以提交欺诈证明。由于根区块链仅跟踪 Merkle 根，因此与那些发生在主链上的交易相比，它必须处理的数据要少得多，提升了根链的扩展性。

Plasma 是一种无监管的以太坊侧链技术，无监管是指即使 Plasma 链受到恶意攻击或者验证者串谋起来作恶，Plasma 链上的资产也可以安全退回根链。这也是 Plasma 与需要依靠自己的安全模型来保护用户的资产的侧链最大的不同。Plasma 的代表方案是 Polygon 1.0 （Matic）。

但 Plasma 有三个致命的缺点：

1. Plasma 链需要一个运营商将 Merkle 根承诺发布到根链，运营商可以执行「数据可用性攻击」，即拒绝将某些交易发布到链上。在这种情况下，由于缺乏构建欺诈证明的交易，阻止了用户资产退出；

2. 当用户试图从 Plasma 链中退出资产时，他们必须提交退出交易请求，然后等待一段时间，即所谓的挑战期。在挑战期的任何时候，任何用户都可以通过提供退出无效的证明来挑战另一个用户的退出；

3. 用户必须监控和验证 Plasma 链上的所有交易，以检测恶意节点的行为并及时退出，然而交易验证成本高昂，并且这种监控需求为参与 Plasma 链增加了大量开销。

正因为 Plasma 存在的缺点，从 2019 年开始 Plasma 陷入了发展瓶颈，此时在 ConsenSys 担任 Layer 2 可扩展性研究员的 John Adler 提出了 Optimistic Rollup 方案，由于仍然采用欺诈证明，主要解决了 Plasma 的数据可用性问题。

另一边，Vitalik Buterin 于 2018 年开创性引入了零知识证明技术证明区块状态变化的有效性，这也是 ZK Rollup 的雏形。零知识证明（Zero—Knowledge Proof）最早是由 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 在 20 世纪 80 年代初提出的。它指的是证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。也就是说，证明者向验证者证明并使其相信自己知道或拥有某一消息，但证明过程不能向验证者泄漏任何关于被证明消息的信息。

zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge，零知识简明非交互式知识论证）是一类应用广泛的通用零知识证明方案，通过将任意的计算过程转化为若干门电路的形式，并利用多项式的一系列数学性质将门电路转化为多项式，进而生成非交互式的证明，可实现各类复杂的业务场景的应用。

但 zk-SNARK 绕不开的一个点就是中心化的可信设置，可信设置是指在受信任的设置中，多方各自生成一个部分密钥来启动网络，然后销毁该密钥。如果用于创建信任设置的密钥的保密信息没有被销毁，那么这些保密信息可能会被利用通过虚假验证来伪造交易。

2019 年由 Aztec 研究团队提出 Plonk 算法则解决了 zk-SNARK 通用性问题，即可信设置与应用无关，仅需要一次可信设置可以满足所有应用，而且可信设置可以任意更新，只要有一个可信参与者，即可保证可信设置的安全性，可以说 Plonk 算法的提出大大加速了 ZK Rollup 的发展。

Rollup 赛道

纵览 Rollup 赛道，当下的竞争非常激烈，目前已经上线主网的 Layer 2 Rollup 中，仍然是 Optimistic Rollups 占据大部分 TVL，主要原因是 Optimistic Rollups 是最先落地的完全 Rollup 方案，但是随着 ZK Rollups 技术的成熟，越来越多的人开始关注并参与到 ZK Rollups 生态中。

Optimistic Rollups

Optimistic Rollups 依赖于一种“乐观”假设，即大部分交易都是有效的，并允许在发现欺诈行为时进行挑战和回滚。Rollup 的 Layer 1 合约不直接对 Layer 2 提交的新状态进行验证，而是为每个被提交的新状态准备一个挑战期。由于 Rollup 会将所有的交易信息提交到主链并公开，因此任何人都可以对该状态更新进行验证（特别是当该状态更新涉及到自己的钱包时）。如果新状态是错误的，那么验证者可以针对该错误状态产生一份欺诈证明，并在挑战期内提交，从而使该错误的状态更新被无效化。

Optimistic Rollups 代表方案是 Arbitrum 和 Optimism。

Arbitrum 2021 年 9 月正式启动主网，是目前 TVL 最高的 Layer 2 协议。

目前，在 Arbitrum 生态系统中主要有 3 条网络，包括 Arbitrum One、Arbitrum Nova、Arbitrum Orbit。

• Arbitrum One 是当前 Arbitrum 生态的核心 Rollup 链，其所有交易数据存放在主网以太坊上，我们平常提到的 L2、链上生态应用多运行在该主网上。

• Arbitrum Nova 是基于 AnyTrust 技术搭建的、专为游戏、社交应用程序和高吞吐量的 DApp 用例而设计的新网络。该网络的交易数据存储在链下，由数据委员会管 DAC 管理。

• Arbitrum Orbit 是用来构建 Layer 3 网络的开源工具包，支持开发者部署和创建自己的链。开发者可以基于 Orbit 工具包搭建自己的 Rollup 和 AnyTrust 链（Layer 3），选择由 Arbitrum One 或 Arbitrum Nova 其中一条链作为结算层，来实现扩展。

Optimism 2021 年 8 月上线主网，目前拥有 Layer 2 第二大 TVL，上仅次于 Arbitrum。

Optimism 实现了 EVM 等效性，以太坊上的 Solidity 智能合约可以在 Optimism 的 Layer 2 上运行，且不需要构建额外的功能，开发者可以无缝转接到 Optimism 上开发应用。

OP Stack 是 Optimism 推出的开源模块化工具包，涵盖数据可用性层、执行层、结算层、治理层等。开发者可以根据自己的需求场景利用 OP Stack 工具包组装一个定制的 Layer 2 网络。正因如此，OP Stack 为 Optimism 引入了超级链的概念，超级链是指构建在 OP Stack 上的一组 Layer 2 区块链（也称 OP 链）统称。目前，基于 OP Stack 构建的 Layer 网络已有数十条，包含 Base，opBNB，Magi，Worldcoin 等重量级项目。

ZK Rollups

ZK Rollups 则使用零知识证明技术来确保链外处理的交易是有效且正确的，提供更高的安全性和效率。Rollup 的 Layer 2 平台在状态变更后，要为状态变更的正确性提供一份零知识证明，并随着状态变更一同提交到主链上。主链上的合约会对该证明进行验证以确定状态更新的正确性。相比于 Optimistic Rollup 方案，ZK Rollup 不需要设置漫长的挑战期来最终确定 Layer 2 交易，同时也不需要依赖错误的状态更新会在挑战期内被发现的假设。

代表方案是 zkSync， StarkNet，Polygon zkEVM 和 Scroll。

ZK Rollups 是第一个主网上线的 zkEVM 项目，以零知识证明为基础，允许交易在不透露基础数据的情况下被验证。zkSync 的主要特点之一是使用 “乐观” 转账，允许用户发送和接收交易，而无需等待它们在以太坊区块链上被确认。这大大减少了交易时间，并允许更高的交易吞吐量。除了使用零知识证明和乐观的转移，zkSync 还利用其他一些技术来提高可扩展性和安全性。这些技术包括签名聚合，允许将多个签名压缩成一个签名，以及多链支持，这有助于 zkSync 与其他区块链网络交互。

StarkNet 使用了 zkSTARK 的扩容解决方案，这是一个零知识证明系统，允许用户证明计算的正确性而不透露底层数据。这使得网络上的隐私性和安全性更高，并且能够在不需要信任第三方的情况下进行复杂的计算。StarkNet 还利用了分片技术，这种技术允许将区块链分割成多个较小的链，或称 “分片”，可以并行处理。这允许更大的吞吐量和更快的交易时间，因为每个”分片”可以独立于其他”分片”进行处理。

Polygon 2.0 推出其 ZK Rollups 技术，称为 Polygon zkEVM。这项技术通过使用零知识证明来解决以太坊区块链的可扩展性问题，从而使以太坊网络上的交易更快、更便宜，并且这种实现是在字节码级别而不是语言级别上兼容的。

Scroll 是一个与 EVM 兼容的 ZK Rollups，可以支持与以太坊相同的编程语言和智能合约，允许开发人员轻松地将他们现有的应用程序迁移到 Rollup 网络，而不需要对他们的代码进行任何修改。

总结

区块链由于自身的性能问题导致其难以满足当下需求，基于 Optimistic 和零知识的扩容方案将有望解决区块链性能瓶颈，在不牺牲去中心化和安全性的前提下提高交易速度和交易吞吐量。Rollups 通过将计算转移到链下来提高区块链的吞吐量，即将大量交易打包到一个 Rollup 区块内，并在链下为该区块生成一个有效性证明，Layer 1 上的智能合约只需验证该证明即可直接应用新的状态，可以实现更低的 Gas 和更高的链上安全性。

短期内，Optimistic Rollups 很可能在通用的 EVM 计算中胜出，而 ZK Rollups 则可能在简单的支付、交易和其他特定应用场景中胜出，主要原因还是 Zk Rollups 虽然比 Optimistic Rollups 更快、更高效，但并没有为现有的智能合约提供一个简单的方式来迁移到 Layer 2 。

但得益于近年来区块链、隐私计算等新兴技术应用的发展，零知识证明技术成为了构建信任的重要技术，从中长期来看，随着 ZK-SNARK 技术的改进，ZK Rollups 将在所有场景中胜出，成为以太坊扩容方案的最终答案。