MIS:Optimism VS ZK 以太坊擴容技術一覽

在展開對 Optimism Rollup 和 ZK Rollup 的對比分析之前，我們需要先了解 Rollup 的誕生背景。

Rollup 被認為是以太坊擴容的終極解決方案，它在第 1 層之外執行交易，卻在第 1 層發布交易數據。這使得 Rollup 可以擴展網絡，并仍然從以太坊共識中獲得安全性。整個過程本質上是執行交易、獲取數據、壓縮數據，并將其以單個批次的形式匯總到主鏈上，因此得名「Rollup」。

實際上，Rollup 的研究熱度與以太坊近年來的發展息息相關。以太坊擴容一直是加密領域討論最多的話題之一。無論是 2017 年的 CryptoKitties 熱潮，還是 2020 年的 DeFi 夏季、 2021 年初的加密貨幣牛市，對以太坊需求的高漲使得擴容辯論不斷升溫，Gas 費用飆升讓用戶支付的交易費用更加昂貴。

與此同時，在 Web3 高速發展的背景下，以太坊日益成為了數千個 DApp 的宿主。龐大的交易量勢必會帶來運行速度的限制，使得以太坊上項目交易速度越來越慢，用戶也留存度逐漸下滑。

基于此，尋找完美的擴容方案，成了多個團隊和整個以太坊社區的重要目標。一般而言，以太坊的擴展方案一共有 3 種主要方式：擴展區塊鏈本身——第 1 層（Layer 1    ）擴容；在第 1 層之上構建——第 2 層（Layer 2    ）擴容和在第 1 層一側構建側鏈。

Optimism正開發OP Stack故障證明系統，含防錯程序、防故障虛擬機等組件:7月25日消息，Optimism生態開發人員正開發OP Stack的故障證明系統，包括防錯程序（FPP）、防故障虛擬機（FPVM）、Dispute Game等組件，此外FPP和FPVM的分離使得相同的操作程序既可以在FPVM中運行，也可以在ZKVM中運行，以幫助OP Stack ZKP實現基于ZK的有效性證明，并為不同網絡之間的低延遲跨鏈橋提供支持。[2023/7/25 15:56:25]

那么 Rollup 的擴容原理就是將數百個已處理的交易匯總成一個批次并在與以太坊主網平行的 L2 鏈上執行交易，最終完成的交易再按批次發布到底層（L1, Layer 1 ）區塊鏈，以此來提升交易速度，降低 Gas 費用。

在一眾 Rollup 方案中，Optimistic Rollup 和 ZK Rollup 都有著不俗的表現。事實上，Optimistic Rollup 和 ZK Rollup 的執行原理大同小異，區別在于驗證方式。今天，就讓我們走近這兩種卓越的擴容方案，比較它們在具體執行過程中的優劣勢，并積極展望下一代以太坊擴容方案的理想模式。

Optimistic Rollup，如其名所言采取的是“樂觀”機制 ——欺詐證明（Fraud proofs）。系統默認執行交易數據的可靠性，無需經過有效驗證便會直接進入等待期，等待期里有任何節點提出異議并佐證為惡意交易，則取消交易；若無異議，等待期結束即交易完成并寫入區塊。“欺詐證明”的交易方案省去了大規模的部署驗證，從而節省了計算資源，保證了交易的確切性。

支付巨頭Visa加密負責人：自去年1月波場月活用戶量一直高于以太坊、Polygon、Optimism與Arbitrum之和:金色財經報道，據支付巨頭Visa公司加密負責人Cuy Sheffield在社交媒體披露數據顯示，波場在新興市場已得到廣泛采用，此外2022年1月至2023年1月期間，波場月活用戶量一直高于以太坊、Polygon、Optimism與Arbitrum月活用戶量之和。此外，Polygon、Optimism與Arbitrum三個以太坊L2鏈上穩定幣支付的活躍用戶量同比增長超500%，說明當前仍處于穩定幣支付的早期階段。[2023/2/27 12:31:41]

在 Optimistic Rollup 中，突出的方案為 Arbitrum 和 Optimism。Optimism 雖為第一個發明與 EVM 兼容的 Optimistic Rollup 協議，但囿于主網啟動延遲讓 Arbitrum 獲得了后發優勢。

Optimism：單輪非交互式欺詐證明

Optimism 使用智能合約，將交易數據從以太坊主鏈轉移到 Layer 2 ，定序器可以將多個交易捆綁成一個批次，然后通過單個交易將該批次提交回主。定序器在所有交易都有效的假設下，樂觀地執行相應流程。系統設置一周的等待期，在此期間任何質疑都可被提出，如有異常就會生成欺詐證明。

Optimism上的DAI在5天內從3000萬枚漲至1.4億枚:8月10日消息，Maker發推稱Optimism上的DAI在5天從枚漲到1.4億枚。此外，Maker表示，目前所有流通中的DAI中約有50%存放在外部賬戶(EOA)中，這意味著大約50%的DAI保存在用戶的以太坊錢包中。存放在外部賬戶DAI的指標在過去兩年中一直在上升，DAI的供應量增加了1600%。[2022/8/10 12:15:24]

Arbitrum：多輪交互型欺詐性證明

Arbitrum 于 2021 年 5 月 28 日在以太坊主網上啟動。整體上執行的流程差別不大，主要是在于 Arbitrum 的驗證人和挑戰者在鏈下通過二分法的方式不斷拆分存在爭議的步驟，直至將爭議范圍縮減到某個具體步驟，再到 L1 鏈上對相應步驟進行判定，高效解決爭議。因此，相比 Optimism 來說， Arbitrum 能承載更高的交易容量，實現更徹底的“追根溯源”。

ZK Rollup（零知識證明），這一概念在 1980 年時被麻省理工的研究人員引入，一度將其稱為“月亮數學”。

ZK Rollup 是通過零知識有效性證明的擴容方案。它分批處理鏈下交易，并生成加密有效性證明來驗證交易真實性。這些有效性證明將批量交易添加到 L1 區塊鏈，可被 L1 合約快速驗證，而無效批次則會被直接拒絕。

如果說 Optimistic rollups 假設每個參與交易的人都出于善意做事，那么 ZK Rollup 則竭力確定情況確實如此。目前，ZK Rollup 版圖主要有 Hermez、ZKSync 等。

Synthetix將在Optimism上進行Avior版升級，支持包裝合約部署:10月29日消息，合成資產項目Synthetix將于今日晚些時候在Optimism上進行Avior版本升級。本次升級為Optimism上的版本升級，Synthetix在Optimism上的版本將會進行兩至三小時的停機，L1版本不受影響。該新版本添加了一個新的WrapperFactory合約，可以部署新的包裝合約來支持任何ERC20代幣，最初支持以太坊，未來將增加更多的包裝資產。[2021/10/29 6:18:56]

Hermez：生成簡潔的非交互式知識論證

Hermez 可以生成 SNARK（簡潔的非交互式知識論證）的密碼證明，具備將以太坊擴展到每秒 2000 筆交易的能力。該體系主要依靠協調員處理并生成有效性證明，協調員通過拍賣程序選出，注冊的網絡節點會出價成為下一個協調員。目前，Hermez 團隊已宣布他們正在開發零知識的以太坊虛擬機 (ZKEMV)，旨在實現完全的操作碼兼容性。

ZKSync：生成簡潔的非交互式知識論證

ZKSync 將自己的項目描述為一個擴展和隱私引擎，支持在以太坊中進行 Ether 和 ERC-20 代幣的低 Gas 傳輸。在 ZKSync 中，只有一個驗證者處理批次并生成有效性證明。現已推出 ZKSync 2.0 ，作為鏈下數據可用性解決方案，確認質押和數據可用性，同時保障監護人無法竊取資金。

Rollup跨鏈橋HopProtocol推出跨鏈橋Hoptimism:Rollup跨鏈橋HopProtocol推出連接以太坊擴容解決方案Optimism和以太坊以及其他擴展解決方案的跨鏈橋Hoptimism，可以在幾分鐘內將資產轉入和轉出Optimism。[2021/8/26 22:38:08]

Optimism 和 ZK 從踏入市場開始，便走入了兩條不同的擴容方案道路。欺詐式證明和有效性證明，對應的是開發者和用戶不同的使用需求，從而在吞吐量、時效性、成本等各方面展現各自的“高光屬性”。具體可以從以下幾個方面思考不同的開發場景需求，在這兩者間做出相應的選擇。

Optimism 無需大規模部署驗證，在假設所有交易都是有效的前提下，節省了大量開發步驟，并將這些驗證信息發布到基礎層。這種得益于在樂觀的情況下，不需要做任何額外的工作，就能極大降低了技術人員的開發門檻，節省了大量時間、精力、金錢成本。如果開發者想在短時間內上手 Rollup 解決方案，Optimism 當是首選，數據表明 Optimistim 可以提供高達 10-100 倍的可擴展性改進。

相較而言，ZK Rollup 需要提供有效性證明并一一提交給主網，這一步驟帶來的技術開發難度遠高于 Optimism。常有新手開發者嘗試使用 ZK Rollup 時面臨錯誤百出的情況，反而降低了擴容效率和運行速度。

Optimism 的互操作性很強，也可以執行智能合約。這讓 Optimism 在 L2 上具備更多靈活操作的空間，以用戶共同參與的行為，讓 Optimism 的運作更具備“信任度”，從而贏得了更好的數據保護、確定的交易雙方權利等附加優勢。值得一提的是，如 Fuel、OMGX、Cartesi 等團隊中的大多數人也試圖為他們的 Rollups 開發一個與 EVM 兼容的版本，讓 Optimism 的可適性更強，性能更出眾。

而 ZK Rollup 目前大多限于簡單的交易，這給 ZK Rollup 的擴展帶來了諸多局限。因此，目前 ZK 只能通過 ZKSync 開發的兼容 EMV 虛擬機，來支持任何用 Solidity 編寫的智能合約，開拓其應用空間。或者憑借 Loopring、Hermez 和 ZKTube 來擴展支付規模，引入隱私功能等。

作為保障用戶交易和提供確權證明的機制，交易后資金的提取速度也是開發者和用戶選擇的關鍵。而在這個角度上，ZK Rollup 反倒更有優勢。Optimistim 的爭議解決過程繁瑣，必須給所有參與者足夠的時間來提交欺詐證明，然后再最終確定交易。這段時間相當長，畢竟在確保最壞的情況下，欺詐性交易仍有可能被申訴。從 Optimistim 中提取資金的時間長達一兩周。

相較之下，ZK Rollup 不存在長時間提現的問題，因為只要將 Rollup 批次連同有效性證明提交到第 1 層，資金就可以提現。這無形中節約了用戶的時間成本，也促使更多交易流通加快實現，提升了交易環境的整體效率。

目前，ZK Rollup 使用復雜的數學計算和密碼學來確保交易在 ETH 主鏈上被 "結算"，這在驗證本質上不同于 Optimistim。像 SNARK、STARK、PLONK 和 DARK ，這些部署在 ZK Rollup 上的證明策略都包括數據足跡、證明時間、驗證時間、串通風險等方面各自安全強度和風險證明。

可見，相比單純的欺詐性證明來說，ZK 在安全隱私保護上設置了多重保障與驗證機制，確保交易驗證的嚴謹周到。還有如 Aztec 正專注于將隱私功能引入其 ZK Rollup 技術，從而完善 ZK Rollup 的隱私機制。

正如我們所看到的那樣，Optimism 和 ZK 作為 Rollup 解決方案上“各有千秋”。新的一年，它們仍將在各自的道路上革新迭代，或許我們可以期待 2023 年 Optimism 和 ZK 這兩種擴容方案會應用到更多實際項目中去，持續為以太坊的發展賦能加碼。

目前來說，我們只能得出 Layer 2 將在使以太坊更具可擴展性方面發揮重要作用的結論，但是何種 Rollup 解決方案更勝一籌？則不能有明確的說法。毫無疑問的是，Optmism 與 ZK 會朝著成為 Web3 世界 Rollup 方向的“黑馬”推出更多優化舉措。

長期來看，或許隨著 ZK 相關技術的不斷發展，ZK Rollup 的局限性會被打破，迸發出強勁的應用潛力。我們也希望在未來的時光里，這兩種 Rollup 方案能夠實現優勢互補，將安全隱私、時效成本、開發門檻等因素的融合為更加優質的產品，打開一個新世界。正如我們所看到的那樣，Optimism 和 ZK 作為 Rollup 解決方案上“各有千秋”。新的一年，它們仍將在各自的道路上革新迭代，或許我們可以期待 2023 年 Optimism 和 ZK 這兩種擴容方案會應用到更多實際項目中去，持續為以太坊的發展賦能加碼。

參考文獻：

Optimistic、zk-Rollups、L3...以太坊的可擴展性研究現在已經走到了哪一步？

以太坊的擴容之路

深度｜如何理解 ZK 和 Optimistic Rollup 的前景和區別？

Optimistic Rollups VS ZK Rollups ：六個最令人興奮的以太坊 Layer 2 擴展項目

Optimism 的未來：Bedrock 升級，Rollup 去中心化以及融合 ZK 方案

科普 | ZK Rollup & Optimistic Rollup

L2 Rollup 的競爭現狀和挑戰

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