歐易OKEx研究院：全面解析以太坊二層擴容方案 Rollup 發展歷史與原理機制_ROLL:SMA

原文標題：《歐易OKEx研究院：以太坊中場戰事---Rollup的實與虛》

撰文：歐易OKEx研究院

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Layer2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Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2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OptimisticRollup。

綜合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup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OptimisticRollup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OptimisticRollup。

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MatterLabs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。

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表1.Rollup方案進展情況，資料來源：歐易OKEx研究院

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。

以太坊的擴容戰爭和Rollup的崛起

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：

鏈上擴容方案，也叫Layer1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，隔離見證，分片技術。

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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Layer2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，。

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。

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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.Layer2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？

Rollup原理解析

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，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。

包含Vitalik、馬克庫班等4億Twitter用戶的數據在黑市上出售:12月26日消息，據網絡犯罪情報公司Hudson Rock報道，包含私人電子郵件和關聯電話號碼的4億Twitter用戶數據已在黑市上出售，該私人數據庫包含大量信息，包括AOC、Kevin O'Leary、Vitalik Buterin、馬克庫班等知名用戶的電子郵件和電話號碼。

Hudson Rock表示，鑒于賬戶數量，它無法完全驗證黑客的說法，但表示“對數據本身的獨立驗證似乎是合法的”。Web3安全公司DeFiYield查看了黑客提供的1,000個樣本賬戶，并驗證了數據是“真實的”。它還通過Telegram聯系了黑客，并指出他們正在積極等待買家。（Cointelegraph）[2022/12/26 22:08:20]

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。Rollup的運營方可以將發布一批匯總交易，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Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2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-layer2方案更為合適。

加密總市值重返1萬億美元:金色財經報道，據 Coingecko 數據顯示，加密總市值已重返 1 萬億美元，本文撰寫時為 1,003,446,060,813 美元，過去 24 小時漲幅達到 2.4%。當前 BTC 市值為 408,424,207,811 美元，24 小時漲幅為 2.0%；以太坊市值為 148,859,106,895 美元，24 小時漲幅 6.3%。[2022/6/25 1:31:10]

圖6.Rollup擴容原理，資料來源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，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。

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.AnIncompleteGuidetoRollups，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16Gas；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：

/每字節的Gas消耗量/一筆交易字節數/出塊時間=/16/12/14=4464筆/秒

目前在以太坊上進行一次轉賬需要消耗約21,000Gas，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OptimisticRollup。

ZK-RollupVSOptimisticRollup

首先我們看實現有效性證明ZK-Rollup方案。ZK-Rollup即采用ZK-SNARK來保證交易的安全性。

"零知識證明"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，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中，而智能合約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。OptimisticRollups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」，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，OptimisticRollup也繼承了Plasma的OVM，這意味著可在OptimisticRollup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OptimisticRollup性能對比，資料來源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，歐易OKEx研究院

綜合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup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OptimisticRollup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OptimisticRollup。

Rollup的未來與財富機遇

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，為了使地鐵車廂能裝更多的人，我們可是再擠更多的人進車廂。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Layer2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，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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