ROLL:Vitalik：Rollup 不完全指南

Rollup最近在Ethereum社區風靡一時，有望在未來成為Ethereum的主要擴容解決方案。但這項技術到底是什么樣的呢？它可以給我們帶來什么變化？我們如何使用這項技術？這篇文章將試圖回答其中的一些關鍵問題。

背景：什么是Layer1和Layer2擴容？

目前主要有兩種區塊鏈擴容方式。

首先，你可以直接提高區塊鏈交易吞吐量，但這類技術主要挑戰為「當區塊容量越大時，區塊鏈將更難以驗證，而且很可能逐漸變得更中心化」。為了避免這樣的風險，開發者可以提高客戶端軟件的效率，或者使用Sharding技術讓構建和驗證工作分散到許多節點上，目前Ethereum準備借助Eth2升級引入Sharding技術。

其次，你也可以改變使用區塊鏈的方式。用戶不必將所有交易放在區塊鏈上，而是可以通過Layer2協議在鏈下執行大部分交易。即鏈上的智能合約只需執行兩個任務：處理存取款和驗證鏈下交易的有效性。由此減輕鏈上負擔，提高交易處理效率。

Statechannelsvsplasmavsrollups

目前主要有三種Layer2擴容方案：Statechannels、Plasma和Rollups，這三種各有優劣。

譯者注：譯文中省略Statechannels和Plasma科普內容，主要講述Rollups部分。

術語說明

Batch：批處理交易，指將Layer2交易批量打包并提交到Layer1的Rollup合約。

Sequencer：排序者，指在Layer2上打包排序交易的角色，類似Layer1的礦工。

Stateroot：狀態根，指Layer2上所有狀態通過MerkleTree生成的哈希值。

Rollups

參考：Optimisticrollups和ZKrollups。

Plasma和StateChannels是「完全」的Layer2方案，因為它們試圖將數據和計算都轉移至鏈下。然而，由于存在「數據可用性的博弈問題」，意味著這兩種方案不可能安全地滿足所有應用場景。

Plasma和StateChannels通過依賴所屬權的owner來解決該問題，但這使它們無法完全通用化。

另一方面，Rollups是一種「混合」的Layer2方案。Rollups將計算轉移至鏈下，但同時將每筆交易的部分數據保留在鏈上。

Vitalik Buterin：加密開發人員將從“加密冬天”中受益:2月22日消息，在面臨包括以太坊在內的所有主要加密貨幣的價格和市值快速下跌的情況下，Vitalik Buterin表達了他對這種情況的看法。Vitalik Buterin聲稱，許多開發商贊成熊市，因為它允許專注于開發技術最先進的產品和服務，而不會被金融和投機問題分心。V神認為，通過獲得加密社區的適當認可，最可持續和最有效的加密項目可以從“加密冬天”中顯著受益。

Vitalik Buterin 表示，他無法可靠地預測加密行業的未來動態。他考慮了以下兩種主要情況。第一個是“加密貨幣冬天”，長期衰退將影響所有主要加密貨幣的資本化，包括比特幣、以太坊等。（crypto.news）[2022/2/22 10:07:15]

為了提高效率，他們使用了不少fancy的壓縮技巧，盡可能地使用「計算」代替「數據」。其結果是系統的擴容仍然受限于底層區塊鏈的數據帶寬，但效率是可觀的：EthereumERC20代幣轉賬成本約為45,000gas，而Rollup中的ERC20代幣轉賬僅使用16字節的鏈上空間，成本低于300gas。

事實上，數據上鏈是關鍵。將數據放在鏈上并獲得共識，如果任何人愿意，他們可以在本地處理rollup中的所有操作，從而允許他們監測欺詐交易，請求提款，或親自生成transactionbatches。

因為沒有數據可用性問題，所以惡意或離線運營者所造成的損失會更少，從而為誰有權發布batches打開了更大的設計空間，并簡化rollups系統。最重要的是，沒有數據可用性問題也意味著不再需要將資產映射到owners。

這是Ethereum社區對rollups比以往的Layer2擴容方案更興奮的關鍵原因：Rollups是完全通用的，我們甚至可以在rollup內運行一個EVM，使得現有的Ethereum應用不必編寫過多新的代碼就可以遷移到rollups上。

那么Rollup到底是如何工作的呢？

鏈上會有一個智能合約維護著stateroot：rollup狀態的Merkleroot。

任何人都可以發布一筆batch交易，這是一個高度壓縮的交易集合，包含舊的stateroot和新的stateroot。合約會檢查batch中的舊stateroot是否匹配當前的stateroot，如果匹配，則將stateroot更新到新的stateroot。

Vitalik在Synthetix L2上質押了562枚SNX:瀏覽器信息顯示，Vitalik在昨日在Synthetix的Layer2上質押了562枚，價值9700美元的SNX。[2021/1/26 13:33:07]

為了支持存款和提款，我們增加了交易的能力，其輸入或輸出是「外部」的rollup狀態。如果一個batch來自外部的輸入，那么提交該batch的交易也需要將這些資產轉移到rollup合約中。如果一個batch有對外的輸出，那么在處理該batch時，智能合約將會執行「提現」操作。

這一切就這么簡單!除了一個主要的細節：如何知道batch中的post-stateroots是正確的呢?如果有人可以用任意post-stateroot提交一個batch而沒有任何懲罰，他們就可以直接將rollup內的全部資產轉給自己。這個問題有兩種截然不同的解決思路，從而衍生出兩種「口味」的rollup方案。

OptimisticrollupsVSZKrollups

以下是這兩種「口味」的rollups方案描述：

Optimisticrollups，采用欺詐性證明：rollup合約會跟蹤歷史的stateroots和每一個batch的哈希值。如果有人發現某個batch的post-stateroot不正確，那么他們可以向合約提交證明，證明該batch計算錯誤。合約驗證該證明有效后，會對該batch和之后的所有batch進行回滾。

ZKrollups，采用有效性證明：每一個batch都包含一個稱為ZK-SNARK的密碼學證明，它可以證明post-stateroot是執行該batch的正確結果。無論計算量有多大，合約都可以迅速地在鏈上驗證證明。

但兩種「口味」的rollup之間有著復雜的權衡：

方案權衡

總的來說，我的觀點是：

短期內，Optimisticrollups很可能在通用的EVM計算中勝出，而ZKrollups則可能在簡單的支付、交易和其他特定應用場景中勝出，但最終從中長期來看，隨著ZK-SNARK技術的改進，ZKrollups將在所有場景中勝出。

動態 | Gravity Earth利用區塊鏈改變難民生活:據TechCrunch報道，總部位于肯尼亞的分布式賬本技術(DLT)初創公司Gravity Earth正利用這項突破性技術，管理難民的數據，并通過區塊鏈技術讓他們獲得金融服務，從而改變難民的生活。[2018/12/4]

欺詐性證明剖析

Optimisticrollup的安全性主要取決于：如果有人將一個無效batch發布到rollup合約中，那么保持跟蹤鏈上信息并發現欺詐的任何人都可以發布欺詐性證明，向合約證明該batch無效并回滾。

如圖所示，聲稱某batch無效的欺詐性證明將會包含這些綠色數據：該batch本身和Merkletree的部分內容，從而證明該batch讀取或修改特定賬戶。

而該樹中的黃色節點可以從綠色的節點重建，所以不必提供。這些數據足以執行該batch并計算post-stateroot。如果計算出的post-stateroot和該batch中提供的post-stateroot不一樣，那么說明該batch具有欺詐性。

如果一個batch存在錯誤，但之前所有的batches都是正確的，那么就可以創建一個欺詐性證明以表示該batch是錯誤的。

請注意對舊的batches聲稱無效的處理：如果存在多筆無效batches提交到rollup中，那么最好盡量證明最早無效的batch。當然，如果一個batch是正確的，那么永遠不可能創建一個欺詐性證明以表示其無效。

Rollups是如何壓縮數據的？

一筆簡單的Ethereum交易通常消耗約110字節。然而，在Rollup上發送ETH僅僅消耗約12字節。

字節消耗對比

為了達到這樣的壓縮效果，一方面是采用了更簡單高級編碼，而目前Ethereum的RLP在每個值的長度上都浪費了1字節。另一方面，還有一些巧妙的壓縮技巧：

Nonce：該參數的目的是為了防止「重放」。如果賬戶的當前nonce是5，那么該賬戶的下一筆交易必須使用nonce5，但一旦交易被處理，那么該賬戶中的nonce就會被遞增到6，這樣采用nonce5的交易就不會被執行。在rollup中，我們可以完全省略nonce，因為我們只是從pre-state中恢復nonce。同時由于簽名會采用最新的nonce進行檢查，如果有人試圖使用舊的nonce重放交易，那么簽名將無法通過驗證。

金色財經現場報道 以太坊創始人Vitalik Buterin：驗證節點的“4個不要”:金色財經6月3日現場報道，在今天的以太坊技術及應用大會上，以太坊創始人Vitalik Buterin做了題為“Casper與分片技術最新進展”的主題演講。V神介紹說，驗證節點不要加入跟別人一樣的權益池，不要用跟別人一樣的VPS，不要使用跟比人一樣的操作系統；不要用跟別人一樣的客戶端。[2018/6/3]

Gasprice：我們可以允許用戶使用固定范圍的gasprices進行支付，例如2的16次冪。或者，我們也可以在每筆batch中收取固定費用，甚至可以將gas支付完全移到rollup協議之外，讓交易者通過特定渠道向batch創建者支付費用。

Gas：我們同樣也可以將gas設置為2的多次冪。另外，我們也可以在batch層面設置gas限制。

To：我們可以使用「索引」來代替20字節的地址。

Value：我們可以用科學計數法存儲value。在大多數情況下，轉賬僅需1～3有效位。

Signature：我們可以使用BLS聚合簽名，它允許許多簽名聚合成一個約32-96字節的簽名。然后，這個簽名可以一次性對整個消息集和發送者進行batch檢查。表中的~0.5表示一個區塊中可驗證的聚合簽名的數量是有限制的，因為它需要在一次欺詐證明中驗證簽名。

ZKrollups特有的一個重要壓縮技巧：如果交易的一部分僅用于驗證，并與計算狀態更新無關，那么這部分可以省略。這在Optimisticrollup中是做不到的，因為該數據仍然需要包含在鏈上，以防將來欺詐性證明檢查所需，而在ZKrollup中，證明數據正確性的SNARK已經提供了任何驗證所需的數據。

一個重要的例子是隱私保護rollups：在Optimisticrollup中，每筆交易中～500字節用于隱私的ZK-SNARK需要上鏈，而在ZKrollup中，覆蓋整個batch的ZK-SNARK已經足以表明「內部」的所有ZK-SNARKs是有效的。

這些壓縮技巧是rollup擴容的關鍵，如果沒有這些技巧，rollup或許只能在基礎鏈的擴容上有大約10倍的提升，但有了這些壓縮技巧，幾乎所有應用的擴容系數都可以超過100倍。

誰可以提交batch？

關于哪些人可以在Optimisticrollup或ZKrollup中提交batch的問題存在許多流派。一般來說，大家都認為提交batch的用戶必須先交納一大筆押金，如果該用戶提交欺詐性的batch，那么這筆押金的一部分將被燒掉，另一部分作為獎勵給到提交欺詐性證明的用戶。但除此之外，還存在許多可能性：

Vitalik Buterin提出加密經濟學提案對抗虛假信息:2月25日，在泰國曼谷舉辦的亞太以太坊社區大會上，以太坊創始人Vitalik Buterin進行了題為Cryptoeconomics to Save the Internet的演講。在演講中，他將目光放在了最近推特冒充本人賬號詐騙以太幣的虛假消息事件，提出賦予用戶代幣的提案來審查辨別虛假信息并加以懲罰的加密經濟學提案。Buterin指出，這群狡詐的騙子通過在推特上冒充他本人及其他區塊鏈業內人士，并用虛假的點贊、轉發和評論來偽裝這些虛假賬戶的有效性，以此來騙取個人用戶的虛擬貨幣。他認為，這些虛假新聞引起的詐騙行為能夠以自區塊鏈行業發展起來的加密經濟學來進行對抗。[2018/2/27]

Totalanarchy：任何人都可以在任何時候提交batch。這是最簡單的方法，但它有一些嚴重的缺點，比如存在這樣的問題：多個參與者同時生成并試圖提交batch，而其中僅有一個batch可以成功被收錄。這將導致大量的浪費，比如沒有意義的生成batch證明或者提交batch到鏈上。

中心化的Sequencer：通過Sequencer這樣的角色提交batch。這是最「高效」的，但它依賴于一個中心化的角色。

Sequencer拍賣：通過拍賣來決定誰有權利成為第二天的Sequencer。這種方案的優點是可以籌集資金，而這些資金可以通過rollup的DAO來分配。

從PoS集合中隨機選擇：任何人都可以將ETH存入rollup合約中，每一個batch的sequencer都會從其中一個存款人中隨機選擇，被選中的概率與存款金額成正比。這種方案的主要缺點是大量資產被鎖定，導致資金效率低。

DPoS投票：Sequencer通過拍賣選中，但如果他們表現不佳，那么代幣持有者可以投票將其踢出，并舉行新的拍賣來替代他們。

改進提交batch和stateroot的方式

目前一些正在開發的rollup方案采用的是“splitbatch”模式，即提交Layer2batch的動作和提交一個stateroot的動作分開執行，這會有一些關鍵優勢：

你可以允許許多sequencers并行發布batch，以提高抗審查能力，而不用擔心一些batch會因為其他batch已經被打包而無效。

如果一個stateroot存在欺詐，你不需要回滾所有batch，僅恢復該stateroot即可，并等待有人為該batch提供新的stateroot。這樣可以更好地保障交易發送者的交易不會被回滾。

總的來說，這是一個相當復雜的技術組合，它們試圖在涉及效率、簡單性、抗審查和其他目標的復雜權衡中獲得平衡。但現在談哪種組合最有效還為時過早，而時間會證明一切。

Rollups將會帶來多大的擴容？

目前Ethereum的gaslimit是1,250萬，交易中每個字節的數據需要消耗16gas。那么如果一個區塊僅包含一個batch，那么該batch會有=75萬字節。如上圖所示，每一位用戶轉賬ETH僅消耗12字節，那么也就是說，該batch最多可以包含62,500筆交易。

在平均區塊時間為13秒的情況下，這相當于達到約4,807TPS。

部分用例擴容提升規模

那么擴容上限可以這么計算：

(L1gascost)/(bytesinrollup*16)*12million/12.5million

現在值得注意的是這些數字還是過于樂觀，原因有幾個：

首先，最重要的是一個區塊幾乎永遠不會僅包含一個batch，因為將可能會存在多個rollup方案同時運作。第二，存款和提款將持續存在。第三，短期內使用量會很低，所以固定成本成為主要消耗。但即使將這些因素考慮在內，預計擴容規模也會超過100倍。

現在，如果我們想要超過~1,000-4,000TPS，該怎么辦呢？這就是ETH數據分片的意義所在，sharding建議每12秒開辟一個16MB的空間，這個空間可以被任何數據填滿，系統保證對這些數據的可用性達成共識，而這些數據空間可以被rollup使用。

這個約1,398kB/s的數據量比當前Ethereum60kB/s提高了23倍，從長遠來看，數據容量有望進一步增長。因此，使用Eth2分片數據的rollup可以處理高達約100kTPS，未來甚至會更多。

Rollup還有哪些尚未解決的挑戰？

雖然現在Rollup的基本概念已經被大家所熟知，我們也很確認它們從根本上是可行的、安全的，以及已有多個rollup方案被部署到主網上，但rollup的設計仍然存在許多地方沒有被很好地探索，將Ethereum生態系統的大部分內容完全遷移到rollup上以利用其擴容能力也存在不少挑戰：

Userandecosystemonboarding-使用rollups的應用不多，用戶對rollups也不熟悉，目前很少有錢包開始整合rollups，而商家和慈善機構還不接受它們用于支付。

Cross-rolluptransactions-有效地將資產和數據(例如oracle輸出)從一個rollup轉移到另一個rollup中，而不會產生經過Layer1的費用。

Auditingincentives-如何最大限度地提高至少一個誠實節點會真正全面驗證一個Optimisticrollup的概率，以便出錯時他們會發布欺詐性證明。對于小規模的rollup來說，這不是一個重要的問題，可以簡單地借助利他主義，但對于更大規模的rollup來說，需要更嚴謹地推理這個問題。

Exploringthedesignspaceinbetweenplasmaandrollups-是否存在一些方法可以將狀態更新的相關數據放在鏈上，而不是所有的數據。

Maximizingsecurityofpre-confirmations-許多rollup為了更快的用戶體驗，提供了一個「預確認」的概念，即sequencer立即給予一個承諾，交易將被包含在下一個batch中，如果他們食言，sequencer的押金將被銷毀。但這種方案的經濟安全性是有限的，因為可能同時向許多用戶做出承諾，這種機制能否獲得改進？

Improvingspeedofresponsetoabsentsequencers-如果一個rollup的sequencer突然下線，那么快速和經濟地從這種情況中恢復過來將是非常有價值的：要么快速且經濟地大規模退出到另一個rollup，要么更換sequencer。

EfficientZK-VM-生成通用EVM代碼的ZK-SNARK證明可以被正確執行，并且有一個明確結果。

結論

Rollups是一種強大的Layer2擴容范式，預計將成為Ethereum短期和中期擴容的基石。我們已經看到了Ethereum社區對此感到大大的興奮，因為這與之前的Layer2擴容方案不同，它們可以支持通用的EVM代碼，允許現有的智能合約輕松遷移。

這是通過一個關鍵的妥協來實現的：放棄將數據和計算完全放在鏈下，而是將每筆交易的少量數據留在鏈上。

Rollups方案有很多種，在設計空間上會有很多選擇：可以采用欺詐性證明的Optimisticrollup，或者采用有效性證明的ZKrollup。Sequencer可以是一個中心化的角色，也可以是一個去中心化的角色，或者是介于兩者之間的其他選擇。

總的來說，Rollup仍然是一項早期階段的技術，一切仍在迅速發展，特別是Loopring，ZKSync和DeversiFi已經運作了幾個月。

期待在未來的幾年內，Rollup領域會出現更多令人興奮的工作成果。

原文：AnIncompleteGuidetoRollups

作者：Vitalik

譯者：阿樹

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