ROLL:如何理解 layer 2 數據可用性解決方案 ZK Rollup？

作者注：ZKRollup不是一個新的提案，大約在一年前被BarryWhitehat所提出，同時間Vitalik在以太坊研究員的論壇有一篇比較完整的文章解釋，現在由MatterLab在開發。研究完zk-SNARKs之后，一直沒空來看，直到最近才有機會來深入了解。除了ZKRollup，也會簡單帶一下前陣子在PlasmaGroup所提出的OptimisticRollup。

ZKRollup一開始提出來的時候，是被定義為layer2的解決方案，年初的時候一度以PlasmaIgnis這個名稱作為發表。應該是因為去年Plasma很紅，一直不斷有新的提案跟進展，加上這當時也被定義為layer2的解決方案，這些種種原因，開發者就冠上了Plasma的名稱，不過因為這項技術跟Plasma的精神完全不一樣，被社群抗議，后來就恢復到Rollup這個名稱，所以搜尋‘PlasmaIgnis’會找不到什么東西。到最近，Rollup被更名為semi-layer2的解決方案，就是有一點layer2但又沒這么layer2…XD

簡單一句話解釋ZKRollup就是，數據放在鏈上的layer2解決方案。

Polychain Capital實習生展示如何使用100美元對CheapETH進行51％攻擊:風險投資公司Polychain Capital的18歲實習生Anish Agnihotri展示了51％攻擊的工作方式，以達到教育目的。Agnihotri選擇了CheapETH來進行實驗。為了發動攻擊，Agnihotri租用了能夠每秒執行14.4億哈希的挖礦設備。這樣一來，他就可以占據該網絡哈希率的72％左右。此外，他還租用了虛擬機來運行區塊鏈。總費用不到100美元。（The Block）[2021/5/18 22:12:59]

在了解ZKRollup之前，先來解釋原本layer2有什么問題。以Plasma為例，Plasma鏈只把Plasma區塊的hash放上Ethereum主鏈上做公正，也就是在鏈下交易了數百或數千筆的交易，最后上鏈只有幾十個bytes，這是鏈下交易的精神，但也是設計上最麻煩的地方——數據的可取得性。

就是當有人要離開這個鏈時，需要一個額外的游戲規則，在Plasma叫做挑戰期，這衍生了有數據才能挑戰，所以大家都要存一定數量的數據，相較于跟主鏈的互動，只需要裝一個錢包，并不需要下載區塊數據，用戶體驗上差異很大。挑戰期的另一個問題是，使用者需要保持上線狀態，不然錯過挑戰期，就代表默認了交易。簡單來說，因為數據的可取得性問題，衍生了

美國空軍和雷神公司正在研究如何利用DLT技術幫助指揮天空:金色財經報道，美國空軍（USAF）持續進行的一系列區塊鏈投資正在進入戰斗管理系統領，其已與美國大型國防合約商雷神（Raytheon）簽訂了近50萬美元的合同。該合同的標題是“描述DLT（分布式分類帳技術）在Air C2中的適用性和相關性”。合同的標題表明，雷神公司的先進技術研究人員將考慮DLT如何可以使指揮官密切注視天空以及飛行員。[2020/9/4]

使用者需要常常在線

需下載部分數據

而造成使用者體驗很糟

如何將數據放在鏈上，又不會造成數據過大呢？

首先，先介紹整體架構。跟Plasma一樣，有一個智能合約做擔保，有中繼者(relayer)幫忙送交易到智能合約，中繼者除了送交易外，還需要產生SNARK證明，一起送上鏈做驗證。

智能合約的部分，可以想象跟ERC20一樣，在合約里記每個參與者的帳，差別在于，標準的ERC20交易是由Ethereum這系統做驗證，也因此不能合并，而Rollup中，是把好幾筆交易包成一個標準交易，對Ethereum這個系統，就是一個交易，而驗證交易的有效性則由智能合約做驗證。

聲音 | 礦海學院創始人Andy：如何利用金融工具鎖定利潤是新時代礦工必須補的一門課:在今日TokenInsight對話首席第20期《比特幣挖礦，你真的懂嗎？》的直播中，針對“是否在未來會出現更加智能的豐枯水期預測工具以輔助礦工進行決策？的提問，礦海學院創始人Andy指出：枯水期來臨，電力資源減少，勢必會淘汰小算力的機器，受影響的將是這部分礦工群體。2019年四川灃水期延遲，這讓很多礦工機器停放在礦場無電可挖，如果有準確的灃枯水期預測工具，相信會為礦工提供更好的決策參考。現在大部分礦工考慮的是如何能夠找到低價合規穩定的電力資源，然后大部分礦工應該都希望比特幣的價格可以漲起來，早期礦工依靠囤幣就可以賺錢，這在幣價上漲行情下可行，可是2018年持續下行，如何利用金融工具鎖定利潤是新時代礦工必須補的一門課。[2019/9/6]

實際在智能合約里，用兩個merkletree做紀錄，一棵樹是紀錄地址，所以只需要樹的索引值就可以代表一個地址，因此地址的數據量就從原本的20bytes減少到只有3bytes，另一棵樹則記錄balance跟nonce。

動態 | 馬耳他研討會探討如何改進涉及區塊鏈的反洗錢法:據Times of Malta消息，馬耳他區塊鏈協會主席Patrick Young和管理者Max Ganado發文稱，近日在由馬耳他區塊鏈協會和馬耳他財政部共同組織的Blockfinance研討會中，包括馬耳他金融服務管理局（MFSA）、馬耳他金融情報分析部門（FIAU）和在內的利益相關者參與了活動。發言者初步進行了差距分析，使行業參與者可以就涉及區塊鏈的反洗錢法（AML）的進一步發展提出具體建議。 文章指出，這個新興產業需要表現出高標準的誠信以及合規性。此外，區塊鏈行業參與者需要為AML-CFT戰略做出貢獻。[2019/4/7]

-地址的默克爾樹-

這是數據格式，

因為用索引值當地址的代表，所以只需要3bytes，Value的部分是以10^-6當作基底，這樣只需要15bytes就可以代表一筆交易，而儲存這樣一筆交易大約只需要892gas，而一般ether的轉移需要21Kgas，因此交易速度能提升。

國際貨幣基金組織主席：最終幸存下來的加密資產可能會對人們如何儲蓄產生重大影響:據bitcoinist消息，國際貨幣基金組織（IMF）主席拉加德（Christine Lagarde）在其新的博客文章中表示，最終幸存下來的加密資產可能會對我們如何儲蓄，投資和支付賬單產生重大影響。拉加德指出了加密貨幣能夠進行快速和廉價的跨境金融交易的好處，并稱比特幣的基礎技術——分布式賬本技術可能會改變金融市場的運作方式。此外，拉加德指出，智能合約的革命性，可以移除中間商，而區塊鏈技術能夠安全地存儲重要文件。最后，拉加德指出，在發展中的經濟體，這種進步可以幫助確保產權，增加市場信心并促進投資。[2018/4/18]

-https://vitalik.ca/general/2019/08/28/hybrid_layer_2.html-

為什么交易速度能提升？也順便來了解一下交易速度

現今以太坊每個區塊的gas上限約8M，所以若單純ether交易，速度約略是

8M/21K/15~=25tps

所以現在的交易瓶頸其實是gas的問題，下降交易手續費或是提升區塊gas上限，都能適時紓困，而ZKRollup就是藉由交易數據量(size)的減少，進而能增加交易速度。那來看一下使用ZKRollup后交易速度能到多快

(8M—600K(zk-SNARK驗證)—50K)/892/15~=550tps

這個數字就是Vitalik文章的標頭“On-chainscalingtopotentially~

500tx/sec”。但實際上并沒有這么理想，在作者Barry的實作中，大約只有268tps，因為每次資產的更新都會留下event，所以有多余的gas花費，然而，這樣的設計在應用上也是比較親切的。

數據都在鏈上，而且透過zk-SNARK做驗證，代表著上鏈的數據都是被驗證過的，因此就沒有一開始layer2遇到的問題，需要挑戰、需要下載數據等等。這也隱含著不需要信任中繼者，因為他們無法作壞，最多就是不幫你送交易。

事情沒有這么美好…

大家都覺得zk-SNARK像個萬靈丹一樣，用了好像什么事都解決了，不過實際上并沒有這么完美。zk-SNARK除了需要初始設定之外，最大的問題就是需要大量的運算力，在Barry提供的數據中，中繼者的計算機若是一臺8G內存加上20G的硬盤swap，大概只能產生20tx/sec，遠遠不及預期的500tps或是實作的200多tps。所以這個方案最大的問題在于要怎么解決算力問題。

平行運算！

MatterLab使用了多中繼者模型跟平行運算。多中繼者的模型，很像小型的區塊鏈，使用了DPOS(DelegatedProofofStake)，還有隨機挑選區塊產生者，所以被挑選到的區塊產生者，就可以收集交易、產生證明并且上鏈。這樣的方法避免了中心化，若中繼者被惡意攻擊，整個網絡還是能運作得下去，另一方面，也為平行運算做了鋪路。零知識證明的產生非常花時間，因此基于多中繼者模型，MatterLab提出了“上鏈-驗證”兩階段的方式，也就是中繼者先把數據上鏈，下一個階段再上傳證明做驗證，進而達到平行運算。再加上一些數據的優化，測試結果可達到1600tps。

-https://medium.com/matter-labs/introducing-matter-testnet-502fab5a6f17-

延遲…

聽似很美好，但是因為你的交易被分兩階段上鏈，也就是從送出到到被驗證，會是好幾個區塊，時間比原本單純上鏈時間會更久。當然，延遲多久是使用者可接受的，這目前也無從得知。這是一個取舍，省了手續費，增加了交易速度，卻也增加了時間的延遲，這一切也要等上線后才會知道。

今年初，Vitalik在臺北的線下聚會中分享了ZKRollup的進階版—ZKZKRollup，有興趣的人可以參考這篇文章，記錄的很詳細。

Plasma&OptimisticRollup

OptimisticRollup在設計上跟Plasma相關，所以只會簡單帶一下差異。

Karl基于ZKRollup的設計，在上個月提出OptimisticRollup，概念上也是把數據都放鏈上，但不是用zk-SNARK做驗證，因為希望能達成更普遍性的應用。而不一樣的地方有，把from的部分，改為使用者的簽章，因為數據量變大的，可想而知，花的gas會更多，交易速度就會不及ZKRollup。另一部份是，因為不是用zk-SNARK做驗證，就需要數據驗證的輔助方法，這邊就不詳細介紹，有機會再寫一篇Plasma/OptimisticRollup的詳細介紹。

在估算上，交易速度約是100tps，若簽章方式改為BLS，約可提升到450tps。而在10月的硬分岔后，gas會下降，預估的交易速度也會分別到達400/2000tps。

注：在中文的媒體文章中，都稱他是Casper的核心研究員之一，但是從我一開始知道這個人，都是在大力宣揚Plasma，他的部落格、twitter都是跟Plasma相關的文章，不確定他在PlasmaGroup的角色，但我是把他定位成PlasmaGroup的leader

文章內容若有錯誤或是不同觀點，歡迎指教

references:

On-chainscalingtopotentially~500tx/secthroughmasstxvalidation

IntroducingMatterTestnet

OptimisticRollup

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