Optimistic Rollups：以太坊擴容的現在和未來_TIM

原文作者：offchainlabs

當下大家常聽見很多關于ZKRollup如何被認為是通用智能合同系統未來的談論。而我們不同意——這篇文章解釋了原因。它借鑒了我們從運行一個開放、安全、與EVM兼容的L2鏈中學到的實踐經驗教訓，該鏈擁有數百個dapp、數十萬用戶和數百萬筆交易。

我們構建了Arbitrum作為OptimisticRollup，因為我們認為OR是滿足用戶對安全、無條件信任、與EVM兼容的L2的現實需求的最佳方式。我們選擇OptimisticRollup而不是ZK，因為系統固有的可伸縮性和成本優勢；我們今天仍然會做出同樣的選擇。如果你想了解原因，請繼續閱讀。

邁克爾約翰遜——最初以蘋果和橙子的形式發布到Flickr——他們不比較，CCBY2.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4289506）

等等！這個帖子有多長？

是的，這個帖子很長，在有些地方具有一定技術性。人們希望從鏈上得到的很簡單，但談論提供這些優勢所需的技術需要我們深入研究一些細節。我們希望技術界理解我們的觀點。

如果你不想閱讀整篇文章，這里有一個簡要大綱。

1、人們想要一條可以無條件信任的鏈提供安全、保證進度、可見性和快速性的屬性——并且他們想要低成本并與現有工具兼容。

2、與ZKRollup相比，我們深入研究了如何使用OptimisticRollup來提供這些屬性的細節。

3、由于ZK的鏈下成本非常高，Optimistic可以以更低的成本提供用戶想要的屬性。

4、由于ZK證明非常昂貴，充分參與ZK協議可能需要特殊用途的硬件和/或大規模并行性，使網絡有效地更加集中。

5、ZK聲稱的優勢要么也適用于OptimisticRollup系統，要么需要犧牲重要的安全性或可用性功能。

6、OptimisticRollup在操作成本上大獲全勝，因為執行代碼比計算復雜的加密證明要便宜得多。

從頭開始

我們先從以太坊開始。以太坊用戶創建一筆交易以部署或與智能合同交互。你可以用幾種不同的方式看待以太坊交易。一方面，可以將其視為不透明的數據。但如果看看它的內容，交易當然遠不止于此；它是一個請求，要求智能合同做一些事情：記錄一些信息，移動一些資產等。

Optimism 推出可定制 PFP 系列 “ Optimist NFT ”:12月16日消息，Optimism 宣布推出 Optimist NFT 系列，Optimist NFT 目前處于測試階段，首先面向在第二輪追溯性公共產品募資（RetroPGF 2）中投票的用戶開放鑄造資格，將于 2023 年年初開始每月邀請數百個活躍地址進行鑄造。[2022/12/16 21:48:35]

當交易發布在以太坊時，會發生兩件重要的事情。首先，它被包括在內，以太坊就一套有序交易達成了共識。其次，以太坊執行這些事務并計算由此產生的狀態更新。

Rollup：Optimistic和ZK的共同點

讓每個以太坊節點執行每筆交易都很昂貴，Rollup是一類擴容解決方案，可以顯著減輕此負載。交易的實際執行不是在以太坊完成的，而是轉移到第2層區域。

但等一下——Rollup應該由以太坊來保證。這意味著我們需要以太坊以某種方式保證交易執行的正確性，即使它發生在L2上。那么，以太坊如何將其批準印章授予Rollup狀態呢？

總之，答案是：證明。Rollup使用專有證明向以太坊證明其正確性，即使不執行交易，也可以驗證其正確性。

Rollup：Optimistic和ZK的不同之處

這些證明似乎相當神奇：允許以太坊在不實際執行的情況下驗證Rollup狀態。你可能想知道這些證明是什么樣子的，以及它們在實踐中是如何實現的。這就是各種Rollup與眾不同的地方。

ZKRollup使用有效性證明。ZK依賴于某方發布簡潔的加密證明，該證明確定該方知道以特定狀態結尾的有效鏈。這要求驗證方執行鏈，以便知道如何構建驗證，然后通過執行一系列復雜的加密操作來構建驗證。證明由鏈上的L1合同檢查。ZK證明很簡潔，驗證成本足夠便宜，可以通過以太坊交易完成。

OptimisticRollup使用不同類型的證明：欺詐證明。顧名思義，OptimisticRollup是樂觀的，當他們向以太坊發布更新的狀態時，他們根本不用發布任何證明。任何人都可以發布一個Rollup塊，其中包含關于執行某些交易的正確結果的索賠。其他節點執行相同的事務，如果他們不同意第一個節點的主張，可以發布挑戰。有效的爭議協議可以解決任何分歧，保證正確的一方將贏得挑戰。各方有強烈的動機只發布正確的索賠，而不是質疑錯誤的索賠，因此在通常情況下，所有節點都只是執行所有交易，并且永遠不需要調用證明代碼。整個過程由L1合約管理。

Optimism跨鏈橋Warp Speed將從Optimism Gateway中移除，并于11月14日完全停用:10月11日消息，以太坊二層解決方案Optimism的實驗性跨鏈橋Warp Speed將從Optimism Gateway中移除，并在11月14日完全停用。用戶無需采取任何行動，之前通過Warp Speed存入的資金仍然安全，停用后不久Warp Speed合約將被永久鎖定，發送到Warp Speed橋接合約的任何新資金都將無法收回。[2022/10/11 10:30:35]

好吧，那么哪種類型的Rollup更好呢？在接下來，我們將在幾個維度上比較ZK和OptimisticRollup，并解釋為什么我們認為未來是Optimistic的，而像Arbitrum這樣的OptimisticRollup本質上更具有可擴展性。

OptimisticRollup與ZK：成本

也許OptimisticRollup和ZK之間最重要的區別是成本。

OptimisticRollup要求節點簡單地執行合約。例如，如果合約執行添加操作，節點將執行該添加操作。

另一方面，ZK需要生成一個復雜的加密證明，該證明需要數百或數千個昂貴的橢圓曲線操作，才能將添加操作包含在證明中。ZK為每份合約中的每項指令承擔這筆費用。需要對每個指令生成復雜的加密證明，而不僅僅是執行指令，這對ZK來說是一個固有的成本劣勢——而且是一個很大的成本劣勢。

ZK倡導者有時認為，只需要一方當事人才能創建證明，而OptimisticRollup要求系統有很多節點。但是，如果你運行的是大型鏈，無論你使用哪種驗證系統，它都會有很多節點。真正的鏈需要許多節點來服務非變異調用事件日志，向用戶顯示交易數據，為用戶提供將資金撤回到L1所需的數據，等等。OptimisticRollup鏈的安全依賴于這些節點做他們已經需要做的事情——執行交易和跟蹤鏈的正確狀態。

另一方面，ZK構建昂貴的橢圓曲線證明是一個非常大的額外成本。你需要特殊用途的硬件設備或大規模并行性——或兩者兼而有之，才有可能用ZK進行大規模證明，但這很貴。

結論：OptimisticRollup系統具有固有的、巨大的成本優勢。

Optimism：嚴重低估流量，將提升溝通透明度與服務冗余:6月7日消息，Optimism 官方撰文反思OP空投中出現的高負載導致主網和遠程過程調用（RPC）出現嚴重延遲等現象，并表示內部團隊正在與合作伙伴和基礎設施提供商密切合作，以緩解問題并向所有嘗試訪問其代幣的用戶提供索賠。

關于此次問題，Optimism 反思問題在于大大低估了空投會產生的流量，而事后才發現需要將公共端點的容量提高 7 倍。而得到的教訓包括，定期執行負載測試、用過度供應取代drop、要求合作伙伴提前擴大容量、優先考慮并發批量提交等等。并表示，再遇到類似問題將在幾分鐘內快速更新狀態頁面，通過及時和透明的溝通來獲取社區信任。[2022/6/7 4:07:45]

OptimisticRollup與ZK：EVM兼容性

在構建Arbitrum時，我們的一個重要考慮因素是與EVM的兼容性。Arbitrum與EVM完全兼容；它具有相同的RPC接口，并接受與EVM相同的字節碼。在實踐中，這意味著為以太坊編寫的任何代碼都可以在Arbitrum上開箱即用。

我們已經運行開放的、與EVM兼容的鏈一年多了，我們已經了解了真正兼容是多么具有挑戰性。前95%的兼容性并不難，但這在實踐中還不夠好，做得更好既需要大量的努力，也需要一個不會妨礙的產品架構。

ZK系統在兼容性方面運行范圍很廣。有些人將其視為遺留工具，并鼓勵人們學習他們的自定義語言。

但一些ZK系統沒有試圖兼容。當然對于不在乎兼容性的開發人員和用戶來說，這很好。

我們并沒有爭辯EVM客觀上是有史以來最好的。我們認為的是，考慮到已經與EVM配合使用的開發人員、代碼和開發人員工具的數量，EVM具有很多實際優勢。考慮一個部署在以太坊上的項目，該項目如果希望擴展到Rollup，必須用新語言重寫代碼，委托進行新的安全審計，并維護多個代碼庫，這既麻煩又容易出錯。但即使對于尚未編寫任何代碼的新項目，EVM兼容性也是一個很大的優勢，因為它允許這些項目利用圍繞EVM存在的代碼、工具和人才庫。

一些ZK項目正在努力實現與EVM兼容的版本，但盡管它們的聲明含糊不清，但我們不知道迄今為止發布的任何代碼允許人們在ZKRollup時運行EVM合同。現有的初步的系統存在嚴重的不兼容性。例如，一個聲稱EVM兼容性的ZK系統未能實現ADDMOD、SMOD、MULMOD、EXP、SELFDESTRUCT和CREATE2操作碼；正在考慮刪除對XOR、AND和OR的支持；不支持標準事務格式；不支持任何預編譯；并可能限制事務中的合約調用次數。與ZK模型似乎存在根本性的不兼容，這保證了即使在最好的情況下，ZKEVM兼容性也會附帶詳細的打印頁面，而不支持OptimisticRollups實現的完全兼容性。

以太坊擴容方案Optimism將于3月推出主網:2月25日，以太坊擴容方案Optimism官方宣布，主網將于3月向公眾開放，稍后會公布更多細節。[2021/2/25 17:53:07]

值得澄清的是，今天存在幾個特定于應用程序的ZK系統的示例。事實上，其中一些系統運行良好。核心區別在于，這些只是微調的，并針對非常適合ZK實現的特定應用程序進行了特別優化。今天不存在的是通用編譯器，允許人們以兼容的方式實現從EVM到ZK轉換。雖然有一些團隊聲稱正在研究它，但沒有可用的公共代碼或用戶定義的ZK-EVM合同的證明成本的基準。根據我們的知識和所有公開的數據，我們認為它們的成本高得令人望而卻步。

結論：只有Optimistic支持完全的EVM兼容性，成本最低。

OptimisticRollup與ZK：無條件信任的可見性和壓縮性

我們在設計Arbitrum時的關鍵屬性之一是無條件信任的可見性。簡而言之，無條件信任的可見性意味著任何人都可以在無中心化的情況下看到或獲取鏈上的內容。重要的是，這不僅意味著每個人都能看到狀態快照；還意味著每個人都能看到鏈上的完整歷史——它是如何達到當前狀態的。實用鏈允許任何人運行一個節點，該節點可以支持非變異調用、搜索事件歷史記錄并查看每個事務——而無需依賴集中數據提供商。無法信任的可見性使這成為可能。

坦率地說，一些ZK系統在可見性方面有所減弱，并試圖圍繞它們沒有提供完整的區塊鏈功能這一事實進行交談。當你聽到關于“壓縮”的談論時，請好好聽一聽：他們是否說他們正在更有效地編碼鏈上的內容？還是他們說，除非集中數據提供商稍后愿意與你共享，否則鏈上歷史記錄的部分永遠不會可用？

回想一下，ZK證明只證明證明人知道有效的鏈。證明沒有告訴你該鏈是什么，即使你有足夠的數據來驗證證明，你可能也沒有足夠的數據來重建鏈的歷史。

例如，假設Alice連續向Bob提交1ETH的交易，Bob連續向Charlie提交1ETH的交易。稍后，你驗證了愛麗絲比以前少1個ETH的證明，Bob的余額沒有改變，Charlie比以前多1個ETH。

但發生了什么事？愛麗絲付錢給鮑勃了嗎？Bob付錢給Charlie了嗎？也許愛麗絲直接付錢給查理。也許愛麗絲燒掉了一個ETH，Charlie是由別人支付的。也許戴安娜是中介，不是鮑勃。Bob指望區塊鏈尋找證明，但一些ZKRollup無法提供鏈式可見性，他無法分辨區別。

V神：optimistic rollups可實現EVM合約簡單嵌入:金色財經報道，針對網友稱，需要找出是什么阻礙了團隊更多地使用或集成可擴展性解決方案，V神在推特回應稱，實際上，大多數開發團隊都想要一個簡單的嵌入解決方案，可以立即將現有的EVM合約重新部署到該解決方案中。這意味著是optimistic rollups方案，仍然還需要幾個月。[2020/8/13]

許多智能合同應用程序需要的不僅僅是偶爾知道一個檢查站。它們需要了解鏈上——知道發生了什么以及如何達到最終狀態。ZKRollups有時吹噓比OptimisticRollups有更好的“壓縮”，但事實上是隱藏了鏈的數據，以便只有證明人知道它不是壓縮——它刪除了重要數據。如果ZK提供商表示他們“不需要”發布鏈上歷史記錄，他們真正說的是，他們不能保證鏈可見性。放棄鏈式可見性保證不是我們愿意做出的妥協。

結論：OptimisticRollup系統以最低的成本提供無條件信任的可見性。

OptimisticRollup與ZK：無條件信任、及時的結局

考慮Rollup時的一個關鍵要求是它是否提供了無條件信任、及時的最終結果。簡而言之，這意味著在你提交交易后，你應該迅速、確定地向你和其他人知道該交易的結果，任何人都不應更改或撤銷它。

我們認為，實現及時終結的最佳方法是將交易的順序與其執行分開。排序生成一個最終的擬議事務序列，執行嘗試執行該序列中的事務。如果事務的執行是確定性的，就像在仲裁上一樣，那么完成事務的順序就足以最終確定結果，因為結果是事務序列的確定性函數。如果每個人都知道交易順序，那么每個人都可以輕松確定結果。

最終確定序列需要將序列發布到L1鏈中，并包含足夠的信息，以便任何人都可以自己執行交易，以便無條件信任地了解結果。理想的Rollup是盡可能頻繁地將序列交易數據發布到L1鏈。

在OptimisticRollup系統中，發布到L1鏈的開銷最小，事實上，Arbitrum通常每隔1分鐘左右都會向L1鏈發布序列化的交易數據，為用戶提供快速的最終結果，并保證沒有人可以撤銷他們的交易。大約每小時都會做出新的OptimisticRollup結果斷言，但由于序列已經完成，并且執行是確定性的，這不會減慢最終結果。

原則上，ZK系統可以以類似的方式運行；即將交易順序與稍后進行的驗證分開，偶爾會提供有效性證明。然而，以這種方式運行的ZKRollup要求將基本與OptimisticRollup系統發布的數據發布到L1鏈上；上面討論的“壓縮”技術都不會可用。為了使這些“壓縮”技術發揮作用，每次發布一批L2交易時，在同一筆L1交易中，必須實時驗證一系列L2交易的有效性。

因此，尋求使用吹捧的“壓縮”技術的ZKRollup留有兩種選擇：

1)每一分鐘左右發布序列交易以及執行證明：這保留了快速性，但要求每分鐘在鏈外生成ZK-Proof并在L1鏈上驗證。根據實施情況，在鏈上發布ZK證明的成本估計在50萬至500萬的gas之間。

2)每小時發布順序交易和證明：這使ZK證明檢查成本合理，但將最終時間延長到一小時。在用戶向ZK運營商提交交易到發布在鏈上的幾個小時內，用戶甚至不能保證他們的交易將被包括在內，而只是信任運營商的消息。

如果我們正在構建ZK系統，我們會發現這兩個選項不可接受——第一個太昂貴，第二個沒有提供及時的最終結果。因此，我們最終會使用與OptimisticRollup版本相同的序列器，并在ZK版本的Arbitrum中在線發布基本相同的數據。

如果你聽到有人吹噓ZK可以將數小時的數據壓縮到一個時間節點，請小心。如果他們只在很長一段時間結束時發布單個數據點，那么這意味著他們在此期間沒有提供終結。

結論：出于實際的考慮迫使OptimisticRollup和ZK系統以同樣的方式及時處理終結。

OptimisticRollup與ZK：無條件信任的活力

無條件信任的活力意味著任何人都可以迫使系統取得進展。

優化的Rollup允許任何節點聲明正確的執行。提出索賠只需要節點執行鏈上交易，然后存入股份，該股份可以在協議確認索賠后退還。

在ZK系統上，進度要求任何節點都可以創建和發布推進鏈狀態所需的ZK證明之一。這必須使用任何人都可以隨時可用的硬件和軟件。因此，它絕不能要求構建或購買特殊用途硬件，也不能進行大規模并行計算。必須有在普通設備上構建合適的ZK證明的途徑。不提供此服務的ZK提供商，或未發布為其系統生成證明的代碼，不提供無條件信任的進展，系統也沒有活力保證。他們的系統是集中的，因為只有擁有特殊裝備的各方才能迫使進步。

結論：在一個OptimisticRollup系統中，更容易有無條件信任的進步。

ZKvs.OptimisticRollup：橋接

ZKRollup確實具有優勢的一個領域是與以太坊的橋梁。OptimisticRollup系統預計將資金從Rollup到L1將延遲一周，而ZKRollup允許在ZK證明發布到L1后立即架起。在實踐中，這并沒有那么大的差異，因為OptimisticRollup用戶可以利用快速橋接服務，將L2資金換成低延遲的L1基金。因此，ZK的優勢主要是其用戶可以避免支付橋接服務收取的小額費用。這不只是理論上的：今天有很多實時快速橋接服務，可以提供從Arbitrum的即時提款。

重要的是，ZKRollups的橋接優勢相當狹窄：它僅適用于從L2到以太坊的橋接。從前，許多人認為Rollups將提供一兩個實時dapp的緩慢推出。在這樣里的世界里，Rollup用戶會不斷發現自己在L1和L2之間來回切換。但那不是我們所處的世界。Arbitrum擁有一個蓬勃發展的生態系統，數百個dApp遍布Defi的每個角落，許多用戶正在與Arbitrum建立橋梁，并長期停留在那里。此外，由于用戶跳過多個鏈，他們不僅僅是去以太坊。它們也會使用其他L1和側鏈，對于這種直接橋接，ZKRollups沒有比OptimisticRollups的優勢。

結論：ZK系統在與L1橋接方面略有優勢，但由于快速橋接和多鏈使用模式，它在實踐中很大程度上被消解了。

總結

將OptimisticRollup和ZK系統相比，我們認為OptimisticRollup系統顯然是贏家。Optimistic便宜得多，與EVM和現有工具完全兼容，在實踐中唯一真正的缺點是，如果沒有快速橋接服務，L1橋接速度會更慢。ZK的其他假設優勢需要犧牲鏈的可見性或快速性，我們認為這不是用戶想要的權衡。

這些都不太可能有改變。ZK證明與EVM兼容的合約執行仍將比OptimisticRollup執行昂貴得多，實現保證進展、鏈式可見性和分散化的要求也將保持不變。雖然如果情況發生變化，我們總是愿意將Arbitrum切換到基于ZK的執行，但我們認為他們不會。

最后，我們謹慎地進行總結。人們傾向于將Arbitrum今天提供的內容與ZK系統表示的未來提供內容進行比較。但這種比較毫無意義，因為如果我們比較當今存在的系統，像Arbitrum這樣的OptimisticRollup是唯一支持開放部署一般智能合約的系統。或者，如果我們比較未來的系統，那么我們應該比較未來的Arbitrum和未來的ZK系統。我們正在不斷改進Arbitrum——例如，我們即將發布的Nitro版本包括降低成本和更好地優化鏈上數據的無損壓縮。我們正在不懈努力改進Arbitrum，并將成本降至理論極限。正如我們在這篇文章中表明的那樣，我們認為，當考慮當今存在的系統及其各自的理論限制時，OptimisticRollup顯然是贏家。

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