以太坊:歐易OKEx研究院：以太坊中場戰事---Rollup的實與虛

自以太坊誕生以來，其低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且 Gas 費用高漲，嚴重地限制了以太坊生態的發展。為此，以太坊擴容問題一直被市場所關注，在 DeFi 大爆發的背景下，側鏈、狀態通道、Plasma 等 Layer 2 擴容方案都無法滿足市場的要求， Rollup 成為了時代的寵兒。

當然，Rollup 并不是一種純粹的 Layer 2 方案，而是更像 Layer 1 和 Layer 2 的混合體：數據在鏈下進行計算并打包壓縮，隨后鏈上進行存儲。此外，為了解決數據的真實性和有效性，保障資產安全，Rollup 推出了使用「有效性證明」的 ZK-Rollup，以及沿用 Plasma「欺詐證明」的 Optimistic Rollup。

綜合而言，ZK-Rollup 和 Optimistic Rollup 各有優劣，ZK-Rollup 適用于支付、交易等非合約領域，成本低且速度快；而 Optimistic Rollup 因為 OVM 的存在，目前適用于智能合約應用領域；但隨著 ZK-Rollup 類項目推出圖靈完備的 EVM，未來 ZK-Rollup 可能會取代 Optimistic Rollup。

但是，Rollup 的擴容上限取決于區塊 Gas 消耗量的上限，因此只能成為以太坊在未來短中期的擴容方案，以解決 DeFi 生態的燃眉之急，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰仗以太坊 2.0 分片技術的順利實現。

不過值得注意的是，Rollup 協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。可以預見的是，Rollup 項目發行的代幣將具有巨大的投資潛力。

經過近兩年的蟄伏，以太坊的 Rollup 擴容方案終于走到了要開花結果的黎明前夕：今年 2 月，Optimism 宣布完成了 A 輪融資，并將于三月上線主網；來自 Matter Labs 的 ZkSync，其主網也于去年上線，并將在今年推出支持圖靈完備的智能合約；此外，另一個受行業矚目的 Rollup 方案---Arbitrum，也將于今年上線主網。

表 1. Rollup 方案進展情況，資料來源：歐易 OKEx 研究院

歐易OKEx交易大數據：BTC合約多空持倉人數比1.45，合約持倉總量為13.86億美元:截至6月3日10:30，根據歐易OKEx交易大數據，BTC合約多空持倉人數比為1.45，市場做多人數占高；季度合約基差在100美元上方，永續合約資金費率為正，交割及永續合約持倉總量為13.86億美元，總體多軍占優；BTC交割及永續合約精英持倉方面，精英賬戶多頭持倉19.50%，精英賬戶多頭占優，繼續關注大戶持倉變化。從期權合約數據來看，看漲/看跌主動買入量比為1.74，看漲/看跌主動賣出量比為2.22，主動看漲看跌賣出量占據優勢。[2021/6/3 23:07:29]

在 Rollup 夜盡天明之時，市場也對其充滿了期待與追捧。但從實際情況看，很多投資者和以太坊用戶對 Rollup 的認知并不清晰，不過在總體上達成了共識：Rollup 很重要，是以太坊的未來。

這句話的前半部分是對的，Rollup 對當前的以太坊而言，確實是重要的；但后半部分卻是不準確的，Rollup 并不是以太坊的未來。更切確地說，Rollup 只代表了以太坊的中短期擴容方案，是以太坊解決網絡擁堵問題的中場戰事，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰仗以太坊 2.0 分片技術的順利實現。

想要正確地理解、預測 Rollup 的未來，把握其中的財富機會，我們還需要從 Rollup 的歷史脈絡、原理機制方面進行剖析。

自以太坊誕生以來，其低效的性能就不斷受到市場的病垢：以太坊網絡的 TPS （交易處理能力）約為 15 筆 / 秒，而 Visa 網絡則是 2000 筆 / 秒，雙十一期間支付寶更是達到 50 萬筆 / 秒。低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且 Gas 費用高漲，尤其是在 2017 年的大牛市，以及自 2020 年興起的 DeFi （去中心化金融）浪潮期間這一現象尤為突出，嚴重地限制了以太坊生態的進一步發展。

圖 1. 以太坊網絡日均交易筆數和 Gas 消耗量變化，資料來源：Etherscan，歐易 OKEx 研究院

解決區塊鏈網絡的擁堵，提升公鏈的可擴展性，逐漸成為行業關注的重點。各種區塊鏈的擴容方案也紛至沓來，主要包括兩大類：

歐易OKEx熱門幣種播報：LMCH逆勢拉升，日內漲幅125.33%:據歐易OKEx平臺數據顯示，今日行情漲跌各異，主流幣集體下挫，BTC日內跌幅4.79%，現橫盤于55000USDT上下；

據歐易OKEx行情顯示，歐易OKEx日內漲幅榜中，漲幅前三的幣種是：LMCH、YFII、YEE;波卡生態類最抗跌的是MXC；NFT生態類最抗跌的是MEME；

截至5月11日15:30熱門幣種行情如下：[2021/5/11 21:48:16]

鏈上擴容方案，也叫 Layer 1 方案，主要通過提高區塊鏈本身的交易容量來實現擴容。常見的 Layer1 方案有增大區塊容量（如 BCH 使用 32M 容量的大區塊），隔離見證（BTC，將數字簽名與交易數據分開，改變原區塊結構以實現擴容），分片技術（以太坊 2.0，將主鏈的狀態和歷史記錄劃分到不同分片上實現擴容）。

鏈下擴容方案，也叫 Layer2 方案，主要通過第二層協議在鏈下執行大部分交易，以降低成本提高效率。目前主流的 Layer2 方案包括狀態通道、側鏈、Plasma。

圖 2. 區塊鏈擴容主要方案，資料來源：歐易 OKEx 研究院

在以太坊發展早期，人們普遍認為側鏈（Sidechain）技術是解決區塊鏈擴容問題的最佳方案。所謂側鏈，即平行于主鏈的另一條獨立的區塊鏈，通過將部分交易以托管的方式轉移到側鏈，以此實現主鏈擴容，但這帶來兩個嚴重問題：首先，側鏈上的資金安全得不到保障，一旦黑客控制住了某條側鏈，就可以將側鏈上的資金盜走；其次，側鏈不能保證數據的可得性，只要黑客控制了側鏈，就可以拒絕分享底層交易數據，對主鏈安全性造成重大打擊。

圖 3. 側鏈技術方案原理，資料來源：歐易 OKEx 研究院

為了解決側鏈存在的問題，并實現以太坊擴容，以太坊創始人 Vitalik 在 2017 年推出了名為「Plasma」的 Layer 2 擴容方案。Plasma 的特別之處在于設計了一套欺詐證明機制：Plasma 將特定的底層數據發送給用戶自己進行保管，解決了數據可得性問題；此外，Plasma 有一個「退出期」設計，即便黑客取得側鏈的控制權并嘗試取款時，任何用戶都可以在「退出期」內提交證據來進行挑戰，如果挑戰成功，任何人都不能提取這筆資產，并且運營方也將被罰款，由此保證了數據的真實、有效和準確性，解決了資金安全性問題，。

歐易OKEx Layer2概念幣板塊播報：OMG異軍突起:據歐易OKEx平臺數據顯示，受市場大行情影響，幣幣交易專區-Layer2概念幣板塊走下跌趨勢，但OMG、ZRX分別以28.49%、14.81%的漲幅領跑該板塊。據了解，Layer 2 通常被稱為“鏈下”解決方案，其主要目的是擴展區塊鏈的性能，同時保留分布式協議的去中心化優勢。Layer2板塊幣種行情如下：[2021/5/7 21:34:16]

然而，Plasma 解決了側鏈的問題，卻產生了新的問題：首先，用戶必須每兩周上線一次，以實現對 Plasma 鏈的監控，否則錯過了「退出期」，黑客就可以取出資產；其次，用戶必須自己保存底層交易數據，以保證數據的可獲得性，但卻給用戶帶來巨大的存儲成本。因此，Plasma 對用戶并不友好，體驗極差。在 2018 年的大熊市背景下，曾經被以太坊社區基于厚望的 Plasma 方案也逐漸被拋棄。

事實上，即便沒有 2018 年的大牛市，Plasma 也難以適應以太坊生態的發展---從 2019 年開始，DeFi 逐漸興起，以 Uniswap 為代表的 AMM 更是成為其中的佼佼者。對于 Uniwap 上的流動性提供者（LP）而言，其存放在交易池中的資產，很容易發生改變，不可能滿足 Plasma 方案中對 LP 每次交易時都進行挑戰驗證的要求。事實上，大量的 DeFi 協議都可以在不經用戶同意下改變賬戶狀態，因此 Plasma 在 DeFi 時代是注定沒落的。

圖 4. Layer 2 擴容方案的演化發展，資料來源：歐易 OKEx 研究院

同樣地，狀態通道也存在側鏈和 Plasma 面臨的問題：狀態通道不能代表那些邏輯上沒有明確所有者的對象 (如 Uniswap)，需要對象都是明確的資產所有者。

因此，在 DeFi 對于以太坊生態越來越重要的今天，無論是狀態通道、側鏈，還是 Plasma，都無法滿足以太坊的現實需求。與其說是 V 神對 Rollup 起到了決定性的推動作用，不如說是時代選擇了 Rollup。那么 Rollup 的特殊之處在哪呢？

在解析 Rollup 之前，我們不妨了解 Plasma 的擴容方式：在鏈下，由 Plasma 運營者將等待批量處理的交易匯總起來，生成一個梅克爾樹（Merkle Tree），樹中每個葉子可以代表一筆交易資產的信息，如果沒有交易，則葉子值為 0。隨后，Plasma 將梅克爾樹的樹根發送給主鏈上鏈，同時將梅克爾樹的分支發送給用戶保管。

歐易OKEx將于今日20:00暫停FLOW充提業務:官方消息，由于FLOW主網升級 ，歐易OKEx將于2021年04月7日20:00 暫停FLOW的充提。[2021/4/7 19:55:07]

因此，主鏈實際上只保存了梅克爾樹根的哈希值，而通過梅克爾樹根的引索，可以找到分支葉子中的具體交易信息，但這些具體的交易信息，而是由用戶在鏈下存儲，因此節省了鏈上區塊大量的空間，實現了主鏈的擴容。

圖 5. Plasma 擴容原理，資料來源：Plasma 白皮書，歐易 OKEx 研究院

但正如前面所言，由用戶在鏈下保存具體的交易信息，在數據可用性上打了折扣，也不適用于 DeFi 應用。為此，以太坊社區提出了一種新方案：將交易數據壓縮并放在鏈上，這就是 Rollup （聚合）方案。

具體而言，Rollup 將交易數據進行壓縮編制成梅克爾樹，并存儲在鏈上；同時在智能合約中保存梅克爾樹的樹根（狀態根）。Rollup 的運營方可以將發布一批匯總交易（Batch），該交易即壓縮過的交易集合，而且包含之前的狀態根和新狀態根 (處理交易之后的新梅克爾樹根)。智能合約會對狀態根進行檢查并更新，由此實現資產的轉移。

當然，從上我們可以看出，Rollup 并不是一種純粹的 Layer 2 方案，而是更像 Layer 1 和 Layer 2 的混合體：數據在鏈下進行計算打包，但在鏈上進行存儲。因此將 Rollup 稱為半鏈下擴容或 semi-layer 2 方案更為合適。

圖 6. Rollup 擴容原理，資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易 OKEx 研究院

用一個形象的比喻，現在我們要保存很多電影，Plasma 類似于我們將電影存儲在電腦上，然后只在 U 盤上保存一個目錄文件，根據這個目錄文件的指引，我們可以方便地找到任何一部電影在電腦中的位置；而 Rollup 的方法則是先將電影進行壓縮，隨后再全部保存到 U 盤中。這樣一來，我們就可以在 U 盤中存儲更多的電影。

歐易OKEx將于今日18時開放STX/USDT市場交易:據官方公告，歐易OKEx上線Stacks (STX)， 具體時間如下：1. STX充值: 3月4日15:00；2. STX/USDT的市場交易: 3月4日18:00； STX/BTC的市場交易: 3月4日18:00；3. STX提現: 3月5日18:00。[2021/3/4 18:14:43]

那么 Rollup 是如何實現壓縮的呢？---主要是對交易的參數進行壓縮，主要包括 Nonce，Gasprice，Gas，To，Value，Signature，如下表所示：

表 2. Rollup 壓縮方式，資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易 OKEx 研究院

在過去，一筆交易需要占用 112 字節的存儲空間，現在只需要 12 字節的空間，一個字節大約花費 16 Gas；而在以太坊上，Gas 上限是 1250 萬，我們假設 Rollup 需要花費 50 萬 Gas，那么在 Rollup 上，其交易處理能力是：

（區塊 Gas 消耗量上限 – Rollup Gas 消耗量）/ 每字節的 Gas 消耗量 / 一筆交易字節數 / 出塊時間 =（12,500,000 – 500,000）/ 16 / 12 /14= 4464 筆 / 秒

目前在以太坊上進行一次轉賬需要消耗約 21,000 Gas，這意味著如果全部用來轉賬，那么以太坊的最大交易處理能力為：區塊 Gas 消耗量上限 / 單筆轉賬 Gas 消耗量 / 出塊時間 = 12,500,000 / 21,000 /13 = 45 筆 / 秒

這意味著 Rollup 在轉賬場景下降以太坊的 TPS 提升了 100 倍。同樣地，根據 Vitalik 的計算，在 ERC20 轉賬、Uniswap 運用場景，可實現同條件下以太坊 TPS 擴展 100-400 倍。

前面的分析一直很順利，但我們忽略了一個與側鏈技術類似的重要問題：如何防止 Rollup 運營方偽造數據進行盜取資產呢？以太坊社區提出了兩個方案：使用「有效性證明」的 ZK-Rollup，以及沿用 Plasma「欺詐證明」的 Optimistic Rollup。

首先我們看實現有效性證明 ZK-Rollup 方案。ZK-Rollup 即采用 ZK-SNARK （簡明的非交互式零知識證明，zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge）來保證交易的安全性。

" 零知識證明（ZKP）" 是由 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 在 20 世紀 80 年代初提出，指證明者能在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。

一個經典的例子：有一個缺口的環形長廊 ，出口和入口距離非常近（在目距之內），但走廊中間某處有一道只能用鑰匙打開的門，Alice 要向 Bob 證明自己擁有該門的鑰匙。采用零知識證明，則 Bob 看著 Alice 從入口進入走廊，然后又從出口走出走廊，這時 Bob 沒有得到任何關于這個鑰匙的信息，但是完全可以證明 Alice 擁有鑰匙。

圖 7. 零知識證明案例，資料來源：歐易 OKEx 研究院

從上我們可以看出，ZKP 具有計算的不對稱性。在 ZK-Rollup 的方案中，由 Rollup 運營方投入大量資源以執行 ZK-SNARK 計算并放在匯總交易（batch）中，而智能合約（驗證方）可快速低成本低證明交易安全性。因此 ZK-Rollup 有諸多好處：能在保護隱私的同時簡潔快速地驗證數據的真實有效性；但其缺點是計算量大，技術難度高且難以支持虛擬機。

在前面的 Plasma 方案中，我們已經介紹過其設計的「欺詐證明」機制，可實現交易數據的真實、有效和準確性，保證了資產的安全。Optimistic Rollups 正是沿用了該機制：這類 Rollup 會追蹤所有歷史狀態根以及每個 batch 的哈希值。如果任何人發現某個 batch 的后狀態根不正確，都可以向區塊鏈發布一個證明，證明該 batch 計算錯誤。智能合約會對證明進行驗證，并且對該 batch 及其之后的 batches 進行回滾。

Optimistic 選擇了 Plasma 的欺詐證明機制，即意味著有像 Plasma 一樣漫長的「退出期」（約一周時間），這極大地降低了資金的利用效率，但好消息是，隨著 DeFi 生態的成熟，可以有大量的流動性提供者為用戶在「退出期」內提供資金，可有效解決資金利用抵消的問題。此外最重要的是，Optimistic Rollup 也繼承了 Plasma 的 OVM，這意味著可在 Optimistic Rollup 網絡部署兼容以太坊 EVM 的智能合約，這一點對 DeFi 尤為重要。

表 3. ZK-Rollup 和 Optimistic Rollup 性能對比，資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易 OKEx 研究院

從上面我們可以看出，相較于其他 Layer2 方案，Rollup 能更好地保證數據的安全性和數據的可得性，然而 Rollup 真的是以太坊的未來嗎？

并不是，從 Rollup 的擴容方案可以看出：區塊 Gas 消耗量的上限即是 Rollup 方案的上限。這類似于早高峰時乘坐地鐵，為了使地鐵車廂（區塊）能裝更多的人，我們可是再擠更多的人進車廂（壓縮）。然而，再怎么壓縮，也是有上限的。在未來隨著區塊鏈應用的不斷發展，我們僅僅會為了最多擴容 100 倍而滿足嗎？所以從長期看，以太坊擴容的未來還是取決于以太坊 2.0 分片技術的順利實現。

然而，根據以太坊官方的規劃，以太坊 2.0 分片的實現可能要等到 2030 年了。但即便在目前，由于 DeFi 的大熱，以太坊早已擁擠不堪，Gas 費高企。幾年前的狀態通道、Plasma 等 Layer 2 方案無法滿足 DeFi 的要求，分片技術又是一個遙遠的目標。正是「往者不可諫，來者也不可追」，Rollup 自然而然成為了在短中期應對以太坊擴容方案的最佳方案，成為邁向以太坊 2.0 的中場接力手。

當然，Vitalik 主推 Rollup 的另一個原因在于：Rollup 協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。

先談經濟價值，Rollup 可以緩解以太坊的擁堵，降低 Gas 費。節約出來的成本，其中的部分就可以轉化為 Rollup 協議的收入（如收費和 MEV 的方式），并具有經濟上的可持續性。

那么 Rollup 為什么可以捕獲價值呢？這與 Rollup 的特殊性有關：數據放在主鏈上，僅僅是在鏈下進行數據計算。這種介于 Layer1 和 Layer2 的混合方案，使得 Rollup 成為主鏈上一個特殊 Dapp 應用，因此 Rollup 項目是可以在主鏈上發行基于該 Rollup 協議的代幣，能通過代幣來捕獲協議的價值。

可以預見的是，在未來幾個月 Rollup 大爆發后，將會有眾多 Rollup 發行項目代幣，那些愿意將協議經濟價值附著在代幣上的項目，其代幣將具有很大的投資潛力。

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