解析 Rollups — Layer2扩容方案

随着以太坊的使用量稳步增长，以太坊Layer 1面临的限制已将扩展方案推向舞台。

扩展方案对于实现以太坊的愿景（更快的交易速度）和减少网络拥塞（更高的交易吞吐量）至关重要，同时又不牺牲安全性或去中心化。

以太坊Layer 2扩展方案指的是一组旨在扩展以太坊，同时保留以太坊安全保证的以太坊扩展方案。

本文将剖析 Rollups，它目前是以太坊中实施的最具影响力的扩展方案。

目录

• Rollups——以太坊Layer 2扩展方案
• 乐观Rollups (Optimistic rollups)
• 零知识Rollups / ZK rollups
• 乐观Rollups vs 零知识Rollups
• 总结

Rollups——以太坊Layer 2扩展方案

Rollups旨在创建通用的扩展方案，同时通过原生以太坊安全性（完全依赖以太坊共识）来保持安全性。

Rollups在以太坊主链（Layer 1）之外执行交易数据计算，然后将多个交易捆绑到一个交易中，再提交到主链。提交后，验证过程将确认计算的准确性和交易的有效性。

“你可以把Rollups想象成打开一个标签页。 你无需单独支付你订购的商品，而是可以将你的购买行为捆绑在一起，并在关闭标签页时一次性支付。 Rollup就像一个标签页。 它一次性捆绑多个交易。 当需要结算时，你使用餐厅的支付处理器来结算账单，就像Rollups在以太坊网络上结算交易一样。”

Uniswap的“以太坊扩展对你意味着什么

Rollup如何运作？

Rollup引入一个链上智能合约，以方便存款、取款和验证证明。

通过这种方式，Rollup使用链上数据重新计算Merkle树，并维护Rollup状态的Merkle根，称为状态根。

图来自：Rollups不完全指南

要发布批量或捆绑的交易，参与者必须提供先前的状态根（pre-state 根）和新的状态根（post-state 根），这是在处理交易后重新计算Merkle根的结果。

图来自：Rollups不完全指南

发布后，Rollup合约会验证传入的先前状态根（批量交易中的pre-state根）与其当前状态根（Rollup合约中的状态根）是否匹配。 如果它们通过验证，则Rollup合约会将状态根更新为新的状态根。

此外，Rollup合约管理存款和取款任务。 当批量交易包含来自外部的资产时，将执行存款，这些资产需要转移到Rollup合约。 相反，如果批量交易包含发送到外部的资产，则Rollup合约会处理这些资产的取款。

但是，如果有人提交的批处理具有不正确的post-state根怎么办？

这个问题引导我们去探索两种主要的Rollup解决方案：乐观Rollups和ZK Rollups。 让我们在接下来的章节中深入探讨它们。

乐观Rollups (Optimistic rollups)

乐观Rollups由部署在以太坊上的智能合约控制。 这些智能合约负责存储Rollup区块、跟踪状态更新和管理用户存款。 它们在这样的假设下运作：Rollup中的所有交易都是有效的，而不需要提供有效性证明。

为了支持这一假设，乐观Rollups利用欺诈证明，允许任何人在指定的挑战期内质疑状态转换。 如果出现争议，则提交欺诈证明以表明批处理中的数据是欺诈性的，然后Rollup启动欺诈证明。

乐观Rollups如何运作的简化分解：

• 验证者处理：

验证者或运营者将链下用户交易捆绑到批处理中，并将此交易数据压缩为calldata，然后将其提交给以太坊。

• 欺诈证明：

在挑战期内，其他验证者可以发现不正确的交易，然后他们可以发起挑战并计算该交易的欺诈证明。

收到欺诈证明后，将在以太坊Layer 1上重新执行可疑交易，以确认该交易确实是欺诈性的。

• 排序器 (The Sequencer)：

在某些乐观Rollups中，与常规验证者/运营者不同的排序器管理交易执行。

排序器对交易顺序具有更大的控制权，并且具有独占访问权限来捆绑用户交易并将这些捆绑包提交给链上合约。

• 激励机制：

希望在乐观Rollups中提交交易或欺诈证明的验证者必须提供保证金，以保证他们的诚实。

奖励和惩罚基于挑战的结果。 如果验证者提交欺诈性交易或不正确的欺诈证明，他们可能会被削减保证金作为惩罚。

安全注意事项：

• 由于排序器可以控制捆绑交易或影响交易顺序，因此存在中心化问题。
• 存在智能合约漏洞，因为使用智能合约来执行关键操作可能包含错误和漏洞
• 安全性取决于至少有一个诚实的节点执行Rollup交易并提交欺诈证明，以质疑任何不正确的状态转换。

零知识Rollups/ZK rollups

零知识Rollups与乐观Rollups相似，因为它们在以太坊主链之外执行用户提交的交易，然后将它们作为单个交易发送到以太坊主链上。

零知识Rollups利用有效性证明（又名零知识证明），允许任何人证明链下状态转换的正确性，并且仅提交最终交易，而无需在以太坊上重新执行它们。

此外，让我们考虑一下有效性证明或零知识证明的简单概念。 想象一下Wordle游戏，玩家可以在不泄露解决方案的情况下证明他们拥有解决方案，并且每个人都可以确信他们拥有正确的结果。

零知识Rollups如何运作的简化分解：

• 验证者处理：

验证者或运营者将链下用户交易捆绑到批处理中，压缩此交易数据，并在提交到以太坊主链之前，计算用户交易的有效性证明。 这涉及将压缩数据发布为calldata。

• 有效性证明：

零知识Rollups使用有效性证明（ZK-SNARK 或 ZK-STARK）来证明声明的正确性，而不泄露声明本身。 因此，重新执行过程变得不必要，因为这些证明会立即确认以太坊Layer 1上最终交易的有效性。

• 排序器 (The Sequencer)：

在某些零知识Rollups中，排序器是唯一负责处理交易并生成Layer 2区块的实体，然后将这些区块汇总到零知识合约中。

安全注意事项：

• 当排序器可以控制捆绑交易或影响交易顺序时，会出现中心化问题。
• 智能合约漏洞是一个问题，因为Rollup使用智能合约来执行关键操作，这些操作可能包含错误和漏洞
• 生成有效性证明需要可信设置和专门的硬件要求。 处理不当这些元素可能会损害ZK-Rollup的安全模型，并鼓励某些方对链进行集中控制。

乐观Rollups vs 零知识Rollups？

乐观Rollups和零知识Rollups的比较如下：

Rollups不完全指南：https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

让我们总结一下哪种方法在每个属性上都最突出：

• 每次批处理的固定Gas成本：

与ZK rollup（约500,000）相比，乐观Rollups每次批处理的固定gas成本较低（约40,000）。

• 取款期：

ZK rollups提供更快的取款时间，只需要等待下一个批处理，而乐观Rollups的取款期更长，约为一周。

• 技术复杂性：

乐观Rollups以其较低的技术复杂性而闻名，而ZK rollups由于零知识技术而涉及较高的复杂性。

• 通用性：

乐观Rollups更容易通用化，特别是对于更接近主网部署的通用EVM Rollups，而ZK rollups在用ZK-SNARK证明通用EVM执行方面面临挑战，尽管正在努力改进这一点。

• 每次交易的链上Gas成本：

ZK rollups具有较低的每次交易的链上gas成本，尤其是在数据仅用于验证时，而乐观Rollups会导致更高的成本，因为需要发布数据以进行潜在的欺诈证明检查。

• 链下计算成本：

乐观Rollups具有较低的链下计算成本，但需要更多的完整节点进行计算，而ZK rollups面临更高的成本，特别是对于通用计算中的ZK-SNARK证明，可能比直接计算昂贵得多。

总结

本文提供了以太坊Layer 2 Rollups扩展解决方案的细分，重点介绍了乐观Rollups和零知识(ZK)Rollups。

Rollups是一个强大的以太坊扩展解决方案，有助于支持通用EVM代码，并为现有应用程序提供轻松的迁移。

Rollups在将验证的交易提交到主链之前，通过链下交易处理来运作。 乐观Rollups通过依赖欺诈证明来确保交易正确性，而零知识Rollups通过有效性证明来实现相同的目的。

资源

• 以太坊Layer 2：链接
• 以太坊扩展解决方案：链接
• 乐观Rollups：链接
• 零知识Rollups：链接
• 什么是零知识Rollups (ZK-rollups)：链接
• Rollups不完全指南：链接
• Layer 2 Rollups有多安全？：链接
• ETH扩展2：Op Rollup和Zk Rollup如何工作：链接
• ZK-rollup项目：内部运作、重要性和分析：链接

作者详情

Parichaya Thanawuthikrai ，高级区块链安全审计员和顾问。

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