短期內，Optimistic rollups 很可能在通用的 EVM 計算中勝出，但最終從中長期來看，隨著 ZK-SNARK 技術的改進，ZK rollups 將在所有場景中勝出，成為以太坊擴容方案的最終答案。
作者：小豬 Web3
封面： Photo by Sebastian Svenson on Unsplash
區塊鏈由於自身的效能問題導致其難以滿足當下需求，基於 Optimistic 和零知識的擴容方案將有望解決區塊鏈效能瓶頸，在不犧牲去中心化和安全性的前提下提高交易速度和交易吞吐量。由於近年來區塊鏈、隱私運算等新興技術應用的發展，零知識證明技術成為了建立信任的重要技術，從中長期來看，隨著 ZK-SNARK 技術的改進，ZK Rollups 將在所有場景中勝出，成為以太坊擴容方案的最終答案。
什麼是 Layer2 Rollup
Layer2 是被設計為解決以太坊擴展性問題的關鍵方案之一，透過在以太坊主鏈之上建立額外的網路層，允許處理更多交易的同時保持主鏈的安全性和去中心化特性。
Rollup 是一種透過在鏈下處理交易然後將交易資料「打包」進入主鏈的 Layer2 擴容方案，其安全性由 Layer1 保證，是目前最主流的 Layer2 擴容方案，相比於其他的鏈下交易方案，例如狀態通道、側鏈、Plasma 等，Rollup 有三個特點：
- Layer2 是與 Layer1 相對獨立的平台，所有參與用戶也是獨立的 Layer2 帳戶，用戶可以在 Layer2 平台上與其他 Layer2 用戶進行交易，但是 Layer1 帳戶與 Layer2 帳戶之間的交互需要透過 Layer2 運營方部署在 Layer1 及 Layer2 上的智能合約，最常見的互動就是 ETH 等代幣的轉移；
- 所有的交易資訊都需要被完整的記錄在主鏈上，也就是 Calldata 或 Blob 資料（EIP-4844），即使 Layer2 狀態遺失，任何人都可以從主鏈上儲存的資訊中恢復出遺失的狀態，解決了在以往的鏈下交易方案中存在的數據可用性問題；
- 交易執行和狀態變更在 Layer2 平台，但是狀態摘要會被發佈到 Layer1 鏈上，因此 Layer1 鏈能夠透過某種資料有效性驗證方式進行驗證，透過驗證後 Layer2 的狀態將在 Layer1 主鏈上鎖定；根據其資料有效性驗證方式的不同，Rollups 可以進一步細分為 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。
從側鏈到 Plasma 再到 Rollup
側鏈是最早的 Layer2 方案之一，顧名思義，側鏈是與主鏈（Layer1）掛鉤（peg）的獨立區塊鏈，有自己的共識模型和區塊參數。當我們將一個區塊鏈掛鉤到另一個區塊鏈時，這意味著我們可以在兩個區塊鏈之間移動資產。當想要更快交易時，可以將資產從主鏈轉移到側鏈並在側鏈上進行交易，完成後，再將資產轉移回主鏈。
Plasma 是 2017 年由閃電網路的提出者之一的 Joseph Poon 和以太坊創始人 Vitalik Buterin 提出的一個 Layer2 擴展解決方案，是側鏈的演變方案。
Plasma 鏈是在以太坊外建立的獨立區塊鏈，也稱為子鏈，就像一棵樹的樹枝，以太坊是主幹，也稱為根鏈。每個子鏈可以在以太坊上部署自訂的智慧合約，可用於處理不同的業務。 Plasma 鏈之上可以再建構一層子鏈，形成樹狀的 Plasma 網路。 Plasma 的工作原理是將大的計算任務拆分成小任務，並將它們分配給各個子鏈進行處理，處理後的結果結果逐層匯總並提交至上層，從而實現了對大量複雜計算的快速和低成本處理。
Plasma 需要提交 Plasma 鏈上發生的交易的 Merkle 根，當用戶試圖將他們的資產從 Plasma 鏈移回根鏈時，用戶可以提交將資產發送給 Plasma 的最新交易的 Merkle 分支。這開始了一個挑戰期，任何人都可以嘗試證明用戶的 Merkle 分支是欺詐性的。如果 Merkle 分支存在欺詐，則可以提交欺詐證明。由於根區塊鏈僅追蹤 Merkle 根，因此與那些發生在主鏈上的交易相比，它必須處理的數據要少得多，提升了根鏈的擴展性。
Plasma 是一種無監管的以太坊側鏈技術，無監管是指即使 Plasma 鏈受到惡意攻擊或驗證者串謀起來作惡，Plasma 鏈上的資產也可以安全退回根鏈。這也是 Plasma 與需要依靠自己的安全模型來保護使用者的資產的側鏈最大的不同。 Plasma 的代表方案是 Polygon 1.0（Matic）。
但 Plasma 有三個致命的缺點：
- Plasma 鏈需要一個運營商將 Merkle 根承諾發佈到根鏈，運營商可以執行 “數據可用性攻擊”，即拒絕將某些交易發佈到鏈上。在這種情況下，由於缺乏建構詐欺證明的交易，阻止了用戶資產退出；
- 當用戶試圖從 Plasma 鏈中退出資產時，他們必須提交退出交易請求，然後等待一段時間，即所謂的挑戰期。在挑戰期的任何時候，任何用戶都可以透過提供退出無效的證明來挑戰另一個用戶的退出；
- 使用者必須監控和驗證 Plasma 鏈上的所有交易，以偵測惡意節點的行為並及時退出，然而交易驗證成本高昂，且這種監控需求為參與 Plasma 鏈增加了大量開銷。
正因為 Plasma 存在的缺點，從 2019 年開始 Plasma 陷入了發展瓶頸，此時在 ConsenSys 擔任 Layer2 可擴展性研究員的 John Adler 提出了 Optimistic Rollup 方案，由於仍然採用欺詐證明，主要解決了 Plasma 的數據可用性問題。
另一邊，Vitalik Buterin 於 2018 年開創性引入了零知識證明技術證明區塊狀態變化的有效性，這也是 ZK Rollup 的雛形。零知識證明（Zero—Knowledge Proof）最早是由 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 在 20 世紀 80 年代初提出的。它指的是證明者能夠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點是正確的。也就是說，證明者向驗證者證明並使其相信自己知道或擁有某一訊息，但證明過程不能向驗證者洩漏任何關於被證明訊息的資訊。
zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge，零知識簡明非互動式知識論證）是一類應用廣泛的通用零知識證明方案，透過將任意的計算過程轉化為若干門電路的形式，並利用多項式的一系列數學性質將閘電路轉化為多項式，進而產生非互動式的證明，可實現各類複雜的業務場景的應用。
但 zk-SNARK 繞不開的一個點就是中心化的可信設置，可信設置是指在受信任的設置中，多方各自生成一個部分密鑰來啟動網絡，然後銷毀該密鑰。如果用於建立信任設定的金鑰的保密資訊沒有被銷毀，那麼這些保密資訊可能會被利用透過虛假驗證來偽造交易。
2019 年由 Aztec 研究團隊提出 Plonk 演算法則解決了 zk-SNARK 通用性問題，即可信設定與應用無關，僅需要一次可信任設定可以滿足所有應用，而且可信任設定可以任意更新，只要有一個可信參與者，即可確保可信設定的安全性，可以說 Plonk 演算法的提出大大加速了 ZK Rollup 的發展。
Layer2 Rollup 賽道
Optimistic Rollups
Optimistic Rollups 依賴於一種「樂觀」假設，即大部分交易都是有效的，並允許在發現詐欺行為時進行挑戰和回滾。 Rollup 的 Layer1 合約不會直接對 Layer2 提交的新狀態進行驗證，而是為每個被提交的新狀態準備一個挑戰期。由於 Rollup 會將所有的交易資訊提交到主鏈並公開，因此任何人都可以對該狀態更新進行驗證（特別是當該狀態更新涉及到自己的錢包時）。如果新狀態是錯誤的，那麼驗證者可以針對該錯誤狀態產生一份詐欺證明，並在挑戰期內提交，從而使該錯誤的狀態更新被無效化。
Optimistic Rollups 代表方案是 Arbitrum 和 Optimism。
Arbitrum 2021 年 9 月正式啟動主網，是目前 TVL 最高的 Layer2 協定。
目前，在 Arbitrum 生態系統中主要有 3 個網絡，包括 Arbitrum One、Arbitrum Nova、Arbitrum Orbit。
- Arbitrum One 是目前 Arbitrum 生態的核心 Rollup 鏈，其所有交易資料存放在主網以太坊上，我們平常提到的 L2、鏈上生態應用多運行在該主網上。
- Arbitrum Nova 是一個基於 AnyTrust 技術構建的、專為遊戲、社交應用程式和高吞吐量的 DApp 用例而設計的新網路。此網路的交易資料儲存在鏈下，由資料委員會管 DAC 管理。
- Arbitrum Orbit 是用來建構 Layer 3 網路的開源工具包，支援開發者部署和創建自己的鏈。開發者可以基於 Orbit 工具包搭建自己的 Rollup 和 AnyTrust 鏈（Layer 3），選擇由 Arbitrum One 或 Arbitrum Nova 其中一條鏈作為結算層，來實現擴展。
Optimism 2021 年 8 月上線主網，目前擁有 Layer2 第二大 TVL，上僅次於 Arbitrum。
Optimism 實現了 EVM 等效性，以太坊上的 Solidity 智能合約可以在 Optimism 的 Layer2 上運行，且不需要建立額外的功能，開發者可以無縫轉接到 Optimism 上開發應用。
OP Stack 是 Optimism 推出的開源模組化工具包，涵蓋資料可用性層、執行層、結算層、治理層等。開發者可以根據自己的需求場景利用 OP Stack 工具包組裝一個客製化的 Layer2 網路。正因如此，OP Stack 為 Optimism 引入了超級鏈的概念，超級鏈是指構建在 OP Stack 上的一組 Layer2 區塊鏈（也稱 OP 鏈）統稱。目前，基於 OP Stack 建構的 Layer 網路已有數十條，包含 Base，opBNB，Magi，Worldcoin 等重量級項目。
ZK Rollups
ZK Rollups 則使用零知識證明技術來確保鏈外處理的交易是有效且正確的，提供更高的安全性和效率。 Rollup 的 Layer2 平台在狀態變更後，要為狀態變更的正確性提供一份零知識證明，並隨著狀態變更一同提交到主鏈上。主鏈上的合約會對該證明進行驗證以確定狀態更新的正確性。相較於 Optimistic Rollup 方案，ZK Rollup 不需要設定漫長的挑戰期來最終確定 Layer2 交易，同時也不需要依賴錯誤的狀態更新會在挑戰期內被發現的假設。
代表方案是 zkSync， StarkNet，Polygon zkEVM 和 Scroll。
ZK Rollups 是第一個主線上線的 zkEVM 項目，以零知識證明為基礎，允許交易在不透露基礎資料的情況下被驗證。 zkSync 的主要特點之一是使用"樂觀" 轉賬，允許用戶發送和接收交易，而無需等待它們在以太坊區塊鏈上被確認。這大大減少了交易時間，並允許更高的交易吞吐量。除了使用零知識證明和樂觀的轉移，zkSync 還利用其他一些技術來提高可擴展性和安全性。這些技術包括簽名聚合，允許將多個簽名壓縮成一個簽名，以及多鏈支持，這有助於 zkSync 與其他區塊鏈網路互動。
StarkNet 使用了 zkSTARK 的擴容解決方案，這是一個零知識證明系統，允許使用者證明計算的正確性而不透露底層資料。這使得網路上的隱私和安全性更高，並且能夠在不需要信任第三方的情況下進行複雜的計算。 StarkNet 也利用了分片技術，這種技術允許將區塊鏈分割成多個較小的鏈，或稱為"分片"，可以並行處理。這允許更大的吞吐量和更快的交易時間，因為每個"分片"可以獨立於其他"分片"進行處理。
Polygon 2.0 推出其 ZK Rollups 技術，稱為 Polygon zkEVM。這項技術透過使用零知識證明來解決以太坊區塊鏈的可擴展性問題，從而使以太坊網路上的交易更快、更便宜，而這種實現是在字節碼級別而不是語言層面上相容的.
Scroll 是一個與 EVM 相容的 ZK Rollups，可以支援與以太坊相同的程式語言和智慧合約，讓開發人員可以輕鬆地將他們現有的應用程式遷移到 Rollup 網絡，而不需要對他們的程式碼進行任何修改。
總結
區塊鏈由於自身的效能問題導致其難以滿足當下需求，基於 Optimistic 和零知識的擴容方案將有望解決區塊鏈效能瓶頸，在不犧牲去中心化和安全性的前提下提高交易速度和交易吞吐量。 Rollups 透過將計算轉移到鏈下來提高區塊鏈的吞吐量，即將大量交易打包到一個 Rollup 區塊內，並在鏈下為該區塊生成一個有效性證明，Layer1 上的智能合約只需驗證該證明即可直接應用新的狀態，可以實現更低的 Gas 和更高的鏈上安全性。
短期內，Optimistic Rollups 很可能在通用的 EVM 計算中勝出，而 ZK Rollups 則可能在簡單的支付、交易和其他特定應用場景中勝出，主要原因還是 Zk Rollups 雖然比 Optimistic Rollups 更快、更高效，但並沒有為現有的智能合約提供一個簡單的方式來遷移到 Layer2。
但由於近年來區塊鏈、隱私計算等新興技術應用的發展，零知識證明技術成為了構建信任的重要技術，從中長期來看，隨著 ZK-SNARK 技術的改進，ZK Rollups 將在所有場景中勝出，成為以太坊擴容方案的最終答案。
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