一文讀懂ZK Rollup和Optimistic Rollup：以太坊重要的擴展方向_ROL

（群山，梵高）

前言：多年來，擴展性一直困擾著公鏈。關于擴展性的解決方案有的在概念論證中，有的在研發中。Optimistic Rollup和Zk Rollup也是擴展性的解決方案，并引起了加密社區的濃厚興趣。那么，到底什么Optimistic Rollup和ZK Rollup？哪一種技術路線會贏得以太坊擴展的未來？不管道路如何曲折，之前的努力是否有用（如plasma等技術解決方案），但以太坊的擴展之路一直在前進，滿足主流場景并非遙不可及。本文作者Alex Gluchowski，由藍狐筆記社群的“JOKO”翻譯。

簡介

Optimistic Rollup是一種很有希望在短期內擴展以太坊上通用智能合約的技術。如果構建足夠快，它能夠提供可以輕松遷移現有dApp和服務的方法，且能合理權衡安全和可擴展性。這將使得ETH1.0能夠滿足不斷增長的需求。

ZK Rollup是一種更加復雜的技術。它如今可以用于代幣轉移和特定應用。然而，要在通用智能合約上實現還需要更長一些時間，并且要想高效地將EVM包裹于ZKP中甚至還需要更多的研究工作。（藍狐筆記：ZKP是指零知識證明）

不過，一旦ZK Rollup完全開發出來，所有現有的以太坊dApp和服務都能夠平滑且輕松地遷移過去。

ZK Rollup將會解決Optimistic Rollup上的幾個基本問題：

消除讓人討厭的尾巴風險：通過復雜但可行的攻擊向量盜取資金；

將提取資金時間從1-2周減少至幾分鐘；

支持快速交易確認并以無限制的數量退出；

默認引入隱私。

Optimistic Rollup對ZK Rollup來說是個好消息。向Layer 2擴展的過渡要求對錢包、預言機、dApp、用戶習慣的重大改變。Optimistic Rollup有助于為這一行動做好生態系統的準備，將擴展性帶入這些尚不能基于ZK Rollup構建的dApp。這給予ZK Rollup足夠的時間發展成熟，并使其實現完全無縫的采用，與此同時維持以太坊的增長勢頭。

Rollup 101

*什么是Rollup？

Rollup是類似于Plasma的Layer-2擴展性解決方案：單個主鏈合約持有所有資金，并對較大的“側鏈”狀態（通常是賬戶、余額及其狀態的Merkle樹）進行簡潔的加密承諾。側鏈狀態由用戶和運營商鏈下維持，且不依賴于Layer 1的存儲（這是最大的擴展性勝利的源頭）。

加密貨幣總市值為1.11萬億美元:金色財經報道，據CoinGecko數據顯示，當前加密貨幣市值為1.11萬億美元，24小時交易量為616.21億美元，當前比特幣市值占比為40.9%，以太坊市值占比為17.6%。[2023/1/30 11:35:26]

將Rollup和Plasma區分開來的是它解決了Plasms的巨大問題：數據可用性，其方式是通過Layer 1網絡為每筆交易發布一些數據（在以太坊，專門為此目的使用tx CALLDATA）。

因此可以在單個Rollup區塊中將數千個交易捆綁在一起。盡管此方法的成本嚴格地呈線性增長（交易數量的O(n) ），但它在吞吐量上實際可提升100倍，因為CALLDATA比Layer 1存儲和計算要便宜。

Rollup已經被Vitalik Buterin反復認可為其最喜歡的Layer 2可擴展性解決方案。根據如何確保狀態轉換的正確性，有兩種Rollup方式：ZK Rollup和Optimistic Rollup。

*什么是ZK Rollup？

在ZK-Rollup中，運營商必須為每個狀態轉換生成一個SNARK（藍狐筆記：簡潔非互動的知情證明，Succinct Non-interactive ARgument of Knowledge），并由主鏈上的Rollup合約進行驗證。此SNARK證明存在一系列由所有者正確簽名的交易，這些交易以正確的方式更新了賬戶余額，并使得Merkle root從舊到新。因此，運營商不可能提交無效或操縱的狀態。

*什么是Optimistic Rollup？

在Optimistic Rollup中，新狀態根由運營商發布，且無需每次都由Rollup智能合約檢查。相反，每個人都希望狀態轉換是正確的。但是，如果發布了不正確的狀態轉換，其他運營商或用戶（必須觀察在Layer 1 Rollup 合約中的情況，執行每個單筆交易）將能夠指出錯誤的交易，并還原錯誤的區塊，消減惡意運營商的押金。Optimistic Rollup的概念最初由John Adler提出的。

接下來，讓我們比較一下ZK Rollup 和Optimsitc Rollup。

靈活性：通用計算

*Optimistic Rollup

盡管Optimistic Rollup可用于特定的應用，但是Plasma Group最重要的創新是OVM（Optimistic Vitual Machine）。OVM支持任意智能合約邏輯的實現。

幾乎任何在以太坊上能實現的同樣可以在OVM上實現，這其中包括智能合約的可組合性。它基于EVM，EWASM或任何其他虛擬機。關于OVM的好處是，如果它與EVM一起使用，它將支持用Solidity編寫代碼。因此，大部分現有的代碼庫都可以輕松移植到Optimistic Rollup上。

多邊央行數字貨幣橋成功完成首次真實交易試點測試 深圳企業交易量占三分之一:10月10日消息，從深圳市地方金融監督管理局獲悉，近期，多邊央行數字貨幣橋（m-CBDCBridge）平臺成功完成了基于四個國家或地區數字貨幣的首次真實交易試點測試。中國內地5家試點銀行在深分支機構均組織各自企業客戶參與到首批試點測試工作中。據悉，在中國內地參與此次試點測試的所有交易中，來自深圳地區企業的交易量占比達三分之一，成為業務場景最豐富、交易發生量最多的地區。(上證報)[2022/10/10 10:29:04]

如果OVM可以直接重用現有的EVM字節碼，那會是理想的選擇，但這可能不是那么簡單。正確的實現方式將要求更改交易數據（CALLDATA）格式，并要求復雜的Truebit/Plasma Leap風格的挑戰/響應協議的實現，以提供欺詐證明。

這可能會導致與EVM產生分歧，從而導致無法正確處理邊緣情況，這意味著仍然需要做一些工作才能適應當前的OVM合約。實施的另外一個挑戰在于，大型區塊的欺詐證明可能需要比Layer 1區塊gas limit所允許的更多的gas。那么，這些欺詐證明必須被分解為多個ETH交易。

*ZK Rollup

迄今為止，所有現有的ZK-Rollup實現聚焦于特定的操作，例如代幣轉移或原子交換。這其中有幾個主要原因。

首先，沒有一種有效的技術可用于針對不同ZKP的簡潔遞歸證明組合，這需要將不同智能合約的執行匯總到一個區塊中。我們最好的方法是在橢圓曲線的循環上使用Groth16（由Coda使用），這需要在較長的字段上進行計算，并且對于大型計算完全沒有效率。

其次，即使我們的字段較短，Groth16也會為每個智能合約和每個新版本要求一個單獨可信的設置儀式。顯然，這絕對是不現實的。無須可信設置的唯一有效的ZKP技術是基于FRI的STARKs。但是，驗證程序僅對有限的一類問題（可以表示為簡潔的算術電路）是簡潔的。

STARK驗證程序必須對被證明的計算語句的每個約束至少執行一次，這意味著我們無法迭代異構智能合約的集合。

隨著SNORKs的出現，一切都發生改變。SNORK是基于稍微不同的一組加密原語（著名的多項式承諾方案）的新一代ZKP。由Sean Bowe在Sonic中率先開發，在2019年夏季PLONK和Marlin緊跟其后。所有這些都有一個共同點：盡管依然需要可信設置，但現在它是通用且可更新的。完成一次之后，它可以隨時將其重用于任何數量的不同程序。

然而，在這些證明系統中使用的Kate多項式承諾方案依然需要高效的橢圓曲線循環來進行遞歸，而目前尚不可用。這就是我們為什么對最新的完全簡潔和透明（無可信設置）的證明系統感到興奮，例如Halo、SuperSonic、Fractal，以及Matter Labs團隊最近在折騰的讓人興奮的事情。

Web3游戲公司Immortal Games完成1220萬美元A輪融資:9月21日消息，Web3游戲初創公司Immortal Games已于7月完成1220萬美元A輪融資，此輪融資由TCG Crypto領投，Cassius、Greenfield One、Sparkle Ventures、Kraken Ventures 和 Spice Capital等機構和投資人參投。此輪融資后，其總融資額已達1550萬美元。（TechCrunch）[2022/9/21 7:10:51]

長話短說：在ZKP上構建通用智能合約的障礙現在已經被移除。ZK Rollup完全能夠支持與EVM相同的編程模型，包括無縫可組合性和可互操作性。盡管Solidity開發者的學習曲線不會超過一天，但最初的合約可能需要專用的DSL。最終，鑒于ZKP證明者技術的當前發展步伐，我們期望所有的現存ETH（甚至EWASM）合約都能以最小的努力有效地移植過來。

可擴展性&交易成本

*Optimistic Rollup

根據John Adler的說法，在EIP2028/伊斯坦布爾之后，目前的估算是每筆轉賬tx大約4k的gas。

這意味著，相當于大約100tps。

使用BLS聚合簽名，此數字最多可以上升到大約500tps（為了不破壞EVM兼容性，tx參數將可能會保留很長時間）。

如果EVM兼容性遭到破壞，則理論上吞吐量可能會增長到ZKP的極限。

實際吞吐量上限（代幣轉移）：500tps

目前可能還不錯。

*ZK Rollup

在Matter Testnet中每筆轉移tx的公共數據成本當前是16bytes，這將在EIP2028/伊斯坦布爾后花費272gas費用。

此外，將會有證明的攤銷費用，預計大約為30萬gas。

即使我們假定最壞的情況，需要100萬gas證明成本，但估算的轉賬上限仍將超過2140tps。

在一些討論中，可以聽到人們爭論說ZKP會產生大量的計算開銷，由此價格昂貴。實際上，與gas成本相比較，計算成本可以忽略不計，這是真正的瓶頸，因為抗審查的分散化。我們也期望這個因素會隨時間的推移而顯著下降。

實際吞吐量上限（代幣轉移）：超過2000tps —— 類似于Visa的規模。

但是，在許多用例中，ZK Rollup將節省更多，因為可以從公共數據中省略大塊部分（通過將它們移至ZK電路證明），而無須重構狀態轉換增量。

核心見解是：盡管Optimistic Rollup始終要求用戶發布完全的交易輸入，而在ZK Rollup中，我們可以靈活地在如下兩者間選擇：1）交易輸入減去不影響狀態轉換的見證人 2）僅交易輸出。可以非常優雅地實現這一選擇，而無須太多復雜性。

Uniswap創始人：攻擊和Uniswap協議無關:金色財經報道，Binance首席執行官趙長鵬今日在社交媒體披露在以太坊檢測到Uniswap V3的潛在漏洞，到目前為止黑客已經竊取了4295枚ETH。對此，Uniswap創始人Hayden Adams發文解釋稱，本次遭到的攻擊是一種釣魚網絡攻擊，一些LP NFT會因為誤點批準交易而被竊取，與Uniswap協議本身無關。Hayden Adams提醒用戶要保護自己免受網絡釣魚，不要點擊惡意鏈接。[2022/7/12 2:06:44]

著名的例子：

在多簽錢包，具有Argent風格賬戶抽象的錢包或去中心化交易所，用戶需要提交簽名以獲得合約的驗證。這些簽名對于狀態增量更新是非必需的，可以從公開數據中省略。

像Gnosis的Dfusion Dutch DEX這樣的合約要求大量的數據集輸入，這些輸入不會直接影響存儲，但僅用于驗證計算結果。

*ETH 2.0之后

由于任何Rollup將位于單個分片中，因此，CALLDATA的成本（以及Rollup交易成本）不太可能發生很大的變化，除非帶寬通常變得更便宜。

元交易

兩種類型的Rollup都非常適合支持元交易和賬戶抽象。

安全

*Optimistic Rollup

與支付通道不同，Rollup中的所有資金都由單個智能合約持有。既然Rollup是最有希望的擴展方向，我們應該看到大量的用戶遷移其中，且很多價值集中于這類合約。持有數千萬上億（甚至數十億）美元價值的資產，對于知名黑客來說，Rollup合約正變成非常有吸引力的蜜罐，如果攻擊有機會，那么，無論多么復雜，都有可能會嘗試進行。

Optimistic Rollup的安全模型基于兩個假設：

1.至少在n個節點中有1個誠實節點執行所有Optimistic Rollup交易，并且在無效狀態轉換發布時提交欺詐證明；

2.底層Layer 1網絡有強大的抗審查性

*N個節點中至少有一個誠實節點參與者

對于第一點，現實的期望是，只有Rollup的運營商才會實際監控和執行交易。普通用戶既沒有動力也沒有技術能力來處理高負載的交易（如果他們可以，擴展來源于哪里？）幸運的是，運營商自然地有動力去檢查彼此區塊的正確性，因為基于無效區塊上搭建區塊會被消減資產。

有足夠的可信參與者，N個節點中有1個誠實節點運營商是合理的假設。但是，既然活躍參與者的數量有限（幾百個？），一些復雜的攻擊可能包括：針對所有運營商的基礎設施（非常困難但并非不可行），賄賂/勒索開發工程師秘密安裝惡意代碼，針對Rollup軟件的更新分發渠道等，當然，還可能是這些攻擊的組合。

廈門航空將于6月28日通過數藏中國首發飛模數字藏品:6月25日消息，廈門航空將于6月28日以環保可持續為主題，聯合數字藏品電商平臺數藏中國，發行 ‘Fly for a Better World’系列數字藏品。作為中國民航業首發飛機模型數字藏品的航空公司，廈航提取了海洋、森林、冰川、水資源、魚類資源等元素發布5款概念版飛機三維模型，表達了“飛向更可持續的未來”。

與廈航倡導的“碳減排”相貫穿，在讓旅客感受到空中文化的同時，將文創的實物體驗轉化為數字體驗。[2022/6/25 1:30:52]

這些攻擊很難實現，但應該積極防御，但比起用同樣的方式攻擊以太坊礦工，這些攻擊要更加現實，尤其是因為對Optimistic Rollup的成功攻擊直到完成后才會被注意到。

*強大的Layer 1抗審查性

第二個假設是棘手的假設。實際上，以太坊的設計提供了經濟機制，它對抗普通審查非常有效。但是，在出現反機制時，這些機制會停止起作用。攻擊者可以創建完全自動的賄賂機制來協調礦工的51%攻擊，這會阻止誠實礦工將欺詐證明包含在其區塊中。

有趣的是，對于參與的礦工來說，此次攻擊的直接成本為零，如果可以明確地歸因于審查，則不計入由憤怒社區反應所產生的社會成本。這部分也很棘手，因為該機制為攻擊的參與者提供了合理的可否認性：“鑒于攻擊者多數的可信承諾，如果我不參與，我的區塊會被拋棄，所以，我必須這么做，不是為了利潤，而是為了避免損失。”

不幸的是，在PoW下，這種攻擊非常現實。沒有什么有效的方法來懲罰參與其中的匿名礦工。在轉向PoS后，社區將可以通過消減礦工的質押權益來懲罰他們，如果達成廣泛的社會共識。

畢竟，這樣的審查攻擊可以被視為對整個網絡的侵略，盡管也可以說，礦工只是簡單地誠實地遵循協議，且沒有義務以違背其最佳經濟利益方式行事。

但是，在DAO分叉后，至少可以說，這將是非常有爭議的討論，其結果無法預測。在Vitalik最近進行的一次社區民意測驗中，無論遇到什么程度的攻擊，63%的投票者反對對不可變的區塊鏈進行任何人工干預來救助用戶。不用說，要清除即使一個驗證者的權益（藍狐筆記：此處是指質押資金）也非常困難，更不用說清除大多數驗證者的權益。

最近發布了更多關于串通合謀的研究，以及針對PoS環境中欺詐證明的新攻擊，這表明在PoS中Optimistic Rollup的審查攻擊風險至少與PoW一樣高。

抵抗這種攻擊的更現實的方法是在UASF（用戶激活的軟分叉）中社區的快速動員，以迫使礦工將某些交易包括進來。從工程和社會的角度看，這種場景都是復雜的，且將肯定要求相對長的挑戰期窗口，以提供欺詐證明，至少一周，最好兩周。

同時，鑒于主要的DeFi運營商在決定這種分叉的結果時處于有利位置，且避免吵鬧的干擾事件符合其最大利益。所以，他們的最佳選擇可能只是靜靜地遵循攻擊者（這將使以太坊保持最長鏈，并產生比成功軟分叉更少的爭議）。

總的來說，欺詐證明審查的風險相對較低，但不可忽略。

由于存在1-2周的欺詐證明挑戰期，并且沒有太多資金的利害關系，Optimistic Rollup可能是沒有問題的：運營商/礦工合謀將不值得麻煩和冒風險。但是，如果rollup中的價值升高，潛伏的黑天鵝將會變得越來越讓人擔憂。

在ZK Rollup中，在其變為有效之前，每個狀態轉換都通過Rollup智能合約進行驗證。嚴格來說，運營商無法盜取資金或破壞Rollup狀態。ZK Rollup依賴于Layer 1的抗審查性，只是為了其活性，而不是為了安全性。無須任何人來監控ZK Rollup，在區塊驗證后，用戶資金總是保證最終能被收回，即使運營商拒絕合作。

因此，ZK Rollup更充分地體現了加密世界的基本理念：通過密碼學和博弈理論激勵機制來取代可信方，以實現彈性。但是，為了完整起見，我必須提到ZK Rollup特有的一些潛在風險。

可信設置

如果在ZK Rollup中使用的ZKP需要通用的可信設置，則我們將得出“N分之一”誠實參與者的假設。根據參與者的數量和質量，這可能是可接受的風險，也可能是不可接受的風險。但安全是安全的，這就是為什么我對高效無須信任的SNARKs最新進展感到非常興奮的原因，尤其是Matter Labs正在進行構建上。

密碼學

與Groth16相比，最新一代的SNARKs正在使用的是更多經過實踐檢驗的加密原語。Matter Lab的工作基于FRI，因此甚至可以說是具有后量子的安全性。但是，要完全冷靜下來，應該應用兩種緩解策略：

*與RSA挑戰類似，必須以比實際產品版本更低安全參數來部署大量獎金。如果發現了實際攻擊，研究者會在產品代碼被破壞數年前克服挑戰。

*所有狀態轉換必須僅由ZKR的運營商發送，而ZKR的運營商實質上充當雙重驗證的保護層。

延遲（達成可驗證最終性所需的時間）

由于上面安全性部分提到的問題，僅在1-2周欺詐證明的挑戰窗口期內Optimistic Rollup才能是安全的。在這段時間過去之前，任何交易都不能認為是最終的，內部Rollup tx和退出都不是最終的。

不幸的是，對于最終用戶來說，檢查交易是否具有最終性，沒有比通過整個上一次挑戰期執行所有交易更快的方法了。需要特別注意的是，用戶無法單純依賴博弈理論來保證區塊的最終性，因為單個運營商節點中的漏洞或（黑客入侵）仍可能導致還原。

最終性的時間（PoW下）：2周

最終性的時間（PoS下）：1周

當前ZKP計算上很密集。目前，對于1000tx的區塊，我們可以在普通服務器硬件上有20分鐘證明生成時間。正在進行的GPU證明程序實現（Matter Labs和Coda實施）有望將tx速度提高至少10倍。在不遠的將來，專用硬件可能會擁有更高的計算能力。最終，我們期望看到在一分鐘內完成區塊的最終性。

最終性時間（現在）：20分鐘

最終性時間（未來）：1分鐘內

Rollup交易內部的快速確認

在這兩種類型的Rollup中，通過存入一定的安全保證金（如果交易沒有包含進承諾的區塊，保證金會被消減），運營商都可以向用戶簽發即時交易確認。這為最終性提供了經濟保證。

這種方法有局限。它對于可互換代幣的轉移運轉良好，但不適合于NFT和通用合約請求。該NFT可能沒有市場價值，或者當這些資產的所有者不想在任何情況下立即“出售”它。通用合約請求不適用是因為如果鏈上的某些之前交易被還原，不容易準確量化貨幣價值。簡單的例子：為接受穩定幣預言機價格廣播的最終價格，運營商應該質押多少資金合適？

快速提取資金

快速退出類似于快速內部Rollup確認。運營商可以與流動性提供商合作，以將可互換代幣即時提取給用戶，而無須等待退出交易在Rollup中成為具有最終性的交易。這要求大量的抵押品，這跟最終性達成的時間成正比。假設對Optimistic Rollup來說，不久將來的現實的最終性時間為1周，而ZK Rollup為5分鐘，那么，Optimistic Rollup將需要2000倍于ZK Rollup的抵押品才能支持每周相同的提款量。

隱私

Optimistic Rollup可以支持Layer 2以太坊 （混合器等）上的任何可用的隱私解決方案。既然Optimistic Rollup本身也是Layer 2，在其上實現的任何隱私解決方案將作為Layer 3。這可能導致隱私服務更加分散，并導致較小的匿名集，這使得隱私的實用性非常低（我們甚至可以在zcash上觀察到，默認情況下交易不會隱藏）

為了獲得真正的隱私，系統必須默認支持它。從技術的角度看，ZK Rollup可以在某種情況下默認輕松支持在協議層面代幣轉移的隱私交易，也可以區分公共和私人智能合約。

同時，構建完全匿名的zcash風格交易（即不僅隱藏金額，也隱藏交易的參與者），它將要求改變ZK Rollup的存儲模型，從基于賬戶模型變為基于UTXO模型，這會產生很多問題，且不太可能發生。

結論

Optimistic Rollup目前處于PoC階段。（藍狐筆記：PoC是指概念證明階段。從長遠和落地角度，藍狐筆記更看好ZK Rollup）我們希望很快會實現產品級實施。如果證明它移植現有代碼相對容易，那么，項目將逐漸開始采用它并構建新的基礎架構：Layer 2支持將在錢包中出現，預言機將開始廣播到Optimistic Rollup等。

ZK Rollup在特定應用方面已經更加成熟（例如ERC20代幣的轉移），但會逐步向完全通用的智能合約方向發展。最終，移植任何基于EVM和WASM的智能合約到ZK Rollup也是可能的，在當前的技術發展速度下，這可能耗費數年時間即可完成。

對于這兩種類型的Rollup，類似的基礎設施改變會發生在錢包、預言機以及其他智能合約組件中。這要求大量的工作，隨著更多項目對Layer 2 擴展技術感興趣，這些工作會加速。既然Optimistic Rollup承諾比ZK Rollup更早實現通用化的基于EVM的智能合約，它將極大地推動社區采用Layer 2的動機。

對于用戶和dApp，從一個Rollup跳到另外一個Rollup，將會比從ETH最初遷移到Layer 2更容易。橋接會讓這一過程更加順暢。由于這種切換的簡易，這種解決方案在UX方面會取得顯著優勢，從長遠看，很可能會成為唯一的贏家。

不管結果如何，這都會是非常重要且讓人興奮的發展。無論如何，最終的贏家都是以太坊社區。

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風險警示：藍狐筆記所有文章都不能作為投資建議或推薦，投資有風險，投資應該考慮個人風險承受能力，建議對項目進行深入考察，慎重做好自己的投資決策。

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