本文將深入探討兩種流行的二層擴容方案
作者：WHeart
$ARB 即將上線，L2（Rollup）也得到了更多重視，最近關於 OP 和 ZK 兩種解決方案孰優孰劣的爭論越來越多，有人說 OP 是正統，有人說 ZK 更安全，本文將深入探討兩種流行的二層擴容方案，以及最近備受矚目的 Arbitrum。這是一篇技術導向性的文章，我將重點闡述它們的工作原理和特點，並用通俗易懂的語言進行講解，以幫助大家更好地理解和評估這些擴容方案。
1. 擴容方案概述
隨著區塊鏈技術的快速發展，可擴展性問題成為了阻礙區塊鏈廣泛應用的主要障礙之一。為了提高網絡的吞吐量和降低交易費用，擴容就是一件必須要解決的事情。擴容方案通常分為兩大類：一類是鏈下擴容（Layer 2），通過在底層區塊鏈之上構建新的協議層來實現擴容；另一類是鏈上擴容（Layer 1），通過優化底層區塊鏈協議本身來提高吞吐量。
鏈上擴容方案可以分為分片、選擇更高效的共識算法和協議優化等。其中分片是將區塊鍊網絡分割成多個相互獨立的子鏈，每個子鏈可以並行處理交易。這樣，整個網絡的吞吐量會隨著子鏈數量的增加而線性增長，分片也是以太坊 2.0 路線圖中關鍵的一步，分片之後 TPS 和 Gas 才能得到真正的優化。最近這幾年共識算法的創新很少見了，像之前提出的 POS、DPOS、DAG 等都是相對於 POW 的創新，相比於 POW，它們可以減少網絡資源消耗，提高交易處理速度，同樣，以太坊也選擇了這條路。第三個方案是對底層區塊鏈協議進行優化，例如調整區塊大小、區塊產生時間等，可以在一定程度上提高網絡的吞吐量，比如比特幣的隔離見證（SegWit）升級。
鏈下擴容方案可以分為狀態通道、Plasma 和 Rollups。狀態通道（State Channels）允許用戶在鏈下進行交易，僅在通道開啟和關閉時與主鏈進行交互，這極大地減少了鏈上交易數量，從而提高了吞吐量，像 Raiden Network 和 Lightning Network 就是分別針對以太坊和比特幣的狀態通道擴容產品。Plasma 是一種子鏈（sidechain）方案，允許用戶將資產從主鏈遷移到子鏈，並在子鏈上進行交易，子鏈週期性地將其狀態更新提交給主鏈，以確保安全性，比如 OMG Network。Rollups 是將多筆交易打包成單個證明（zk-SNARKs 或 Optimistic Rollup 的欺詐證明），並提交到主鏈。這樣，主鏈僅需驗證證明而無需處理每筆交易，從而提高了吞吐量。典例是 zkSync（基於 zkRollup）和 Optimism（基於 Optimistic Rollup），Arbitrum 同樣也是基於 OP 的產品。
2. Optimistic Rollups 和 zk-Rollups
2.1 zk-Rollups
zk-Rollups 是一種基於零知識證明的二層擴容方案。首先由 Rollup Operator 組件將多個鏈下交易聚合成一個批次，之後使用零知識證明（例如 zk-SNARKs 或 zk-STARKs）生成一個簡潔的證明文件，這個證明可以驗證整個批次的交易的有效性，而不需要逐一檢查每筆交易；然後將證明及與該批次相關的數據提交到主鏈，主鏈通過驗證證明的正確性，確保交易是有效的；主鏈驗證通過後，鏈上合約會根據證明中的數據更新鏈上的狀態。這意味著，儘管交易是在鏈下進行的，但鏈上狀態仍然得到了更新，確保了數據的一致性。
注：零知識證明（Zero-Knowledge Proof，簡稱 ZKP）是一種密碼學概念，它允許一個證明者向驗證者證明某個陳述為真，而無需透露任何關於該陳述的其他信息。簡而言之，零知識證明可以讓一個人證明他擁有某種信息，而不需要透露這個信息本身。
2.2 Optimistic Rollups
Optimistic Rollups 是一種基於樂觀性驗證的二層擴容方案，即默認提交的區塊是正確的，除非有人提出質疑。它同樣需要 Rollup Operator 將許多鏈下交易聚合成一個批次，之後計算批次交易產生的新狀態（如餘額、合約狀態等）並生成一份鏈下狀態更新；然後將鏈下狀態更新、相關數據提交到主鏈，這個狀態默認是正確的，不需要額外驗證；但是在狀態更新提交後，會有一個固定的挑戰期，在此期間，任何人都可以通過提供欺詐證明來質疑提交的狀態更新的有效性，與被質疑狀態的相關的整個交易將通過 EVM 運行檢驗，如果證明狀態更新是錯誤的，提交者會被懲罰（扣除押金），同時鏈上狀態會回滾到正確的狀態；如果在挑戰期內沒有人質疑狀態更新，或者質疑被證明是錯誤的，那麼鏈上狀態會根據提交的狀態更新進行更新。
2.3 ZK 與 OP 比較
ZK 和 OP 各有各的特點，我從下面 5 個不同角度對他們進行了分析，以供各位根據自己的傾向去評判：
1. 交易驗證方式：
OP：通過欺詐證明（fraud proofs）驗證交易。OP 假設交易默認是有效的，除非有人提交證據證明某筆交易無效。這需要鏈下用戶和節點持續監測，以確保 Rollup Operator 沒有作惡。
ZK：通過零知識證明（例如 zk-SNARKs 或 zk-STARKs）驗證交易。ZK 生成一個簡潔的證明來確保批次中的交易有效性，無需逐一檢查每筆交易。
2. 安全性：
OP：由於默認假設交易有效，可能存在一定的安全風險，需要鏈下用戶和節點積極監測交易以確保安全性。
ZK：基於零知識證明的驗證方式為 ZK 提供了較高的安全性，因為它需要生成一個證明來確保交易的有效性。
3. 吞吐量與性能：
OP：與 ZK 相比，OP 通常具有較快的鏈下交易處理速度，但鏈上驗證可能需要更長時間，因為需要等待欺詐證明的挑戰週期。
ZK：雖然生成零知識證明需要一定的計算資源，但 ZK 的鏈上驗證速度較快，因為一旦證明生成，主鏈就可以快速驗證。
4. 通用性：
OP：OP 完全兼容 EVM，眾多 DAPP 可以直接遷移，方案整體的計算複雜度低，更適用於通用的智能合約執行和復雜計算。
ZK：雖然零知識證明技術在發展中，但目前它在通用智能合約和復雜計算方面的應用受到一定限制。
5. 成本：
OP：通常具有較低的鏈下交易成本。
ZK：生成零知識證明需要一定的計算資源，可能導致較高的鏈下交易成本。
總的來說，Optimistic Rollups 和 zk-Rollups 分別具有各自的優缺點，Optimistic Rollups 更適合處理複雜的智能合約場景，具有較好的以太坊兼容性；而 zk-Rollups 在安全性和隱私保護方面具有優勢。
3. Arbitrum
Arbitrum 是一種基於 Optimistic Rollups 的二層擴容解決方案，它結合了 Optimistic Rollups 的優勢，並對仲裁過程進行了創新和優化，在處理質疑和仲裁時採用了二分查找（Binary Search）技術，降低了仲裁過程的複雜性和成本。
在上文提到在樂觀性驗證系統中，當有人對某個提交的區塊提出質疑時，就要啟動仲裁過程。質疑者需要指出區塊中存在的一個具體錯誤，例如交易執行的結果不正確、狀態更新錯誤等。
為了高效地找到錯誤的位置，二分查找將錯誤可能出現的範圍分為兩半，質疑者需要選擇錯誤出現在哪一半，並繼續向下查找。例如，如果質疑者認為錯誤出現在區塊的前半部分，那麼他們需要提供該部分的狀態更新證明；在每次迭代中，質疑者和驗證者將錯誤可能出現的範圍繼續分為兩半，質疑者需要在每次迭代中指出錯誤出現在哪一半，並提供相應的證明，驗證者則需要提供相應的反駁證據；通過不斷的二分查找迭代，質疑者和驗證者將錯誤可能出現的範圍逐漸縮小；最終，當範圍縮小到一個具體的交易或狀態更新時，質疑者需要提供詳細的證據來證明錯誤的存在，驗證者則需要提供相應的反駁證據；經過一系列的二分查找迭代和證據交換，如果質疑者能夠成功證明區塊中存在錯誤，那麼區塊將被認定為無效，如果驗證者能夠成功反駁質疑者的證據，那麼區塊將被認定為有效。在這個過程中，錯誤的一方將損失押金，而勝利的一方可能會獲得獎勵。
綜上所述，二分查找仲裁可以縮小錯誤範圍，這個過程在鏈下執行，而鏈上只需要驗證最後的爭議部分，從而減少了鏈上的交易處理成本，但是這個過程也延長了處理時間，所以在發生仲裁的情況下 Arbitrum 比 Optimistic 更便宜，但也更慢。
4. 總結
很多同一賽道的競爭對手都呈現一者重技術，一者重生態的格局，OP 和 ZK 有些像 Aptos 和 SUI，最後哪家勝利就看用戶的投票了。
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