Rollup 处理了 Plasma 等前辈在开辟过程当中发明的「数据可用性」成绩,ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 筹划成了以后以太坊扩容改进的主力军。读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup,从这篇开端。

撰文:潘致雄,链闻研究总监

以太坊 在出生后遭受的最多质疑就是 性能 成绩,在二层搜集处理筹划 Plasma 简直周全溃败后,前沿研究范畴又将眼光放在了 Rollup 技巧上。

以后以太坊链上交易的吞吐量 (TPS) 约每秒可履行不到 30 笔交易,固然接近比特币的几倍,但离大年夜范围应用还有较远的间隔。比拟之下,Visa 或付出宝的交易处理才能的峰值至少每秒上万笔。

加密泉币常常被说起的一个用户场景是「跨国汇款或付出」,采取链上发行的稳定币 USDT、USDC 或 PAX 作为交易序文,以今朝以太坊每秒 20 多笔交易的性能,离满足全球的需求还有很大年夜差距。

另外一个比较热点的用户场景是 去中间化金融 (DeFi) ,3 月 12 日「黑色星期四」时代,以太坊搜集在链上清理和交易的初次大年夜范围压力测试中,虽然说委曲可用,但交易本钱进步了 数百倍 。只要交易本钱降到比传统方法更低以后,区块链才更有实用价值。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

为了晋升交易性能,以太坊设立了多个研究偏向,第二层搜集 (Layer 2) 处理筹划 Plasma 曾是个中最重要的一个。但在之前 2 年多的生长中,研究人员逐步发明 Plasma 和改进版本 Plasma Cash 存在很多的成绩,比如请求用户定期上线和数据可用性成绩,制约了 Plasma 的生长。

在 Plasma 出生的一年后,名为 Rollup 的技巧浮出水面。基于此概念,还出生了多个分支,最主流的是 ZK RollupOptimistic Rollup 两个筹划。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

Rollup 技巧处理了之前 Plasma 裸显现的成绩,供给了和以太坊 Layer 1 (也就是以太坊本身) 雷同的数据可用性和安然性,并且还能极大年夜进步搜集的吞吐才能,同时降低单笔交易本钱。正因如此,固然很多人在狭义上称 Rollup 为 Layer 2 的技巧,但现实上却 介于 Layer 1 和 Layer 2 之间

Rollup 是甚么?

Rollup 的核心思念其实很简单,就是将本来分布在区块中的大年夜量交易数据,打包成一笔「稀释」的交易,发布到链上。为确保个中每笔交易的有效性,各类 Rollup 筹划设计了不合的机制以确保全部过程的安然性与 Layer 1 保持分歧。ZK Rollup 以 零知识证明 zk-SNARKs 的暗码学技巧确保安然性,而 Optimistic Rollup 则持续了 Plasma 的 处罚机制 ,以确保节点假设作恶将付出很大年夜的价值。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

固然,Rollup 的各类筹划都存在不合的弃取。比如,ZK Rollup 的缺点是支撑 通用型智能合约 更难,并且「稀释」数据 (创建 ZK 证明) 的过程耗时较长;而 Optimistic Rollup 的 全体安然性 略差一些。不过,各个开辟团队详细的完成筹划,都针对性优化了上述的这些衡量,部分红绩已有明显改良。

Rollup 技巧将有助于晋升 链上应用 的竞争力,特别是关于高频交易的场景,有望降低转账或交易费用。不过由于本身机制的设计,比拟直接的链上交易来讲,Rollup 类交易能够在 链上的结算速度 会慢一些。出于这个缘由,Rollup 的详细应用处景可以包含:

  1. 浅显转账或付出
  2. 晋升匿名性的转账或付出
  3. 去中间化交易所
  4. 去中间化身份体系
  5. 去中间化社交媒体

Rollup 概念出现还不到两年,各个 Rollup 完成筹划曾经陆续上线了测试网,如 Matter LabsFuel Labs 的筹划,而应用层的产品也在开辟当中,最早上线主网的是由 路印 Loopring 开辟的去中间化交易所,其他也宣布将采取 Rollup 的项目包含 SynthetixDharmaAZTEC 等。

接上去,我们更深刻懂得进修一下。

Plasma 掉败了吗?

关于区块链扩容的评论辩论来源于比特币搜集,针比较特币成为「全球付出对象」的愿景,社区、开辟者和矿工终究评论辩论出的一个筹划是,将高频的交易迁徙到比特币以外的一个虚拟层中停止,或可以称为「 Layer 2 」,而不是依附于比特币本身 (Layer 1) ,不过,终究的结算照样须要依附 Layer 1 停止。

这就是比特币「 闪电搜集 」的由来。而 Plasma 曾是以太坊 Layer 2 处理筹划中最受注目标一个,不只由于这是由 Joseph Poon 和以太坊开创人 Vitalik Buterin 合营发布的白皮书,并且还有很多项目宣布过,将基于 Plasma 技巧展开研发。

Plasma 经过过程将高频的交易迁徙到以太坊搜集以外的 侧链 之上,定期将批量交易的哈希值发布到以太坊主网,然后设置一些 防恶意进击机制 ,确保资金安然性。终究的目标是为以太坊扩容,晋升交易吞吐量,增添交易本钱。Plasma Group、Matic、LeapDAO 和 OmiseGo 等团队都曾经是 Plasma 技巧最重要的研发团队,有些项目也取得过以太坊基金会和 Consensys 等机构的赞助。

但毕竟这是个实验性的项目,在项目标研发过程当中,很多实际成绩被裸露了出来,个中最重要的两个挑衅是:

  • 数据可用性 :由于仅将批量交易的全体哈希值发布到 Layer 1 上,而不是每笔交易均发布究竟层公链,所以详细的交易数据不存在 Layer 1 上,用户须要本身存储详细的交易数据。
  • 用户体验差 :为了防止恶意进击,Plasma 在设计挑衅期的机制的时辰,用户须要定期上线搜集,不然能够错过而遭受不须要的损掉。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

虽然说 Plasma 也推出过更新版的标准 Plasma Cash,但这些成绩也照旧存在,终究招致了 Plasma GroupLeapDAO 两个研发团队在本岁首年代决定,放弃 Plasma 技巧,并转向另外一个新技巧的研发:Rollup。

Matic 照旧保持在 Plasma 技巧的开辟中,他们筹划在 5 月 15 日至 5 月底时代启动主网的上线流程,并渐渐停止去中间化,扩大到逾越 100 个节点。毕竟 Matic 有没有处理好上述的这些成绩,值得更多时间的不雅察。

不管若何,研究以太坊扩容技巧的开辟社区,曾经将更多精力切换到研究 Rollup 了。

为甚么 Rollup 无机会?

在 Plasma 出生的一年后,一名匿名人士 Barry Whitehat 在 Github 中提出了「Rollup」的概念,试图以「SNARK」对以太坊停止扩容。

SNARK 是 零知识证明 的一类暗码学技巧,全称是「 简洁化的非交互式零知识证明 」 (zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge) 。

关于零知识证明的更多信息,可以参阅:一文说透暗码学汗青、任务道理、零知识证明及潜伏影响

Rollup 一词本身的含义为「卷曲」或「卷起」,或许可以引申为「汇总」或「聚合」。在数据库的标准计算机说话 SQL 中,语法中的「Rollup」可以赞助 Group by 语句,将搜刮出的一系列成果以聚合的数据显示,或许这是他以 Rollup 定名该技巧的由来。

在 Barry Whitehat 提出 Rollup 概念时,它是如许被定义的:

「Rollup 经过过程 将交易聚合 ,仅须要在链长停止一次交易,便可以验证多笔其他交易。」

而打包交易和验证交易的方法是经过过程 zk-SNARK 技巧完成的,如许就可以大年夜幅度增添交易本钱,确保安然性,也能够处理 Plasma 之前碰到的成绩。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

有人会将 Rollup 归类为 Layer 2 技巧,但 Vitalik Buterin 却不这么认为。

在 Rollup 概念被提出后,Vitalik Buterin 于同月在以太坊研究服装论坛t.vhao.net中发表文章简介该技巧,他是这么解释的:「我们可以将在以太坊上的资产转账交易的范围进一步增长,并且不须要应用 Layer 2 技巧中引入的『活性假定』 (liveness assumption,如状况通道和 Plasma) ,只须要应用 ZK-SNARKs 为大年夜量的交易停止验证。」

成心思的是,「Rollup」这个名字一开端没遭到看重。2019 年的 1 月, Matter Labs 推出了名为「 Plasma Ignis 」的技巧,由于在此之前 Layer 2 的主流技巧是 Plasma,所以他们以「零知识证明版本的 Plasma」作为研究偏向。但从技巧角度来讲,这其实不克不及算是 Plasma 的一类,更像是 Rollup。后来该团队周全放弃了 Plasma Ignis 这个名字,转而采取 ZK Rollup 作为技巧的偏向,后续也推出了他们本身基于 ZK Rollup 的技巧完成筹划 ZK Sync ,还停止了更多的深度定制和优化。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南Matter Labs 结合开创人 Alex Gluchowski 在 2019 年 1 月份发的推特

由于早期 ZK Rollup 的概念中,重要的缺点是生成 SNAKR 证明过程较长,并且也未能支撑通用型的智能合约,所以 Fuel Labs 结合开创人、以太坊二层扩容筹划的经久研究者 John Adler 在 2019 年 6 月提出了另外一个筹划,称为 Optimistic Rollup 。该筹划接收了 ZK Rollup 关于数据可用性的优势,和 Plasma 的 处罚机制 ,由于去除零知识证明,所以可以更便利地支撑通用型的智能合约。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

Optimistic 意思是「乐不雅的」,所以在该筹划中,不是经过过程 SNARK 处理后再将数据聚合到链上,而是默许「乐不雅」信赖节点会将 最新且精确的数据 发布到链上,不然其他人在验证后,假设发明有成绩可以提议挑衅,成功后节点会遭到处罚。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

所以全体来看,Rollup 的技巧比拟较 Plasma,最关键的是处理了 数据可用性 的成绩,一切交易数据都是在以太坊链上的, 安然 性 也能和以太坊主链雷同级别。

那既然异样都是把交易发布在链上,为甚么 Rollup 比浅显的转账的吞吐量更高,本钱更低呢?

由于在构建 Rollup 类交易的时辰,大年夜量的浅显转账行动可以经过过程某些技能 停止紧缩 ,终究在经过过程 零知识证明 SNARK 处理后,固然 SNARK 生成过程较长且资本消费 (Gas) 较大年夜,但分摊到每笔交易中就眇乎小哉了。在 Vitalik Buterin 的初始提案中有详细的数据可以参考,固然后续有各类不合的完成和差别。

在他的筹划中,单笔交易的构成类似于:

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

比拟浅显链上交易所须要的 2.1 万的 Gas 费用来讲,以上这类单笔交易由于缩减了体积 (比如,以太坊地址是 20 bytes,以上这个仅需 3 bytes) ,所以总共仅需 892 Gas

然则由于 SNARK 证明的计算资本消费较多,约 600k Gas ,和运转合约所需约 50k Gas,所以这也就意味着,必须要批量处理 很多交易 ,才可以分摊这几百 k 的直接本钱。

以太坊单个区块 Gas 下限以 8M 计算的话,假设以纯 ETH 交易来讲,吞吐量约为:

8M / 21k / 15 秒 ≈ 25 tps

而该筹划中的吞吐量约为:

(8M - 600k - 50k)/ 892 / 15 秒 ≈ 550 tps

这就是 Rollup 既能包管 Layer 1 数据的可取得性,也能大年夜幅增添数据需求并增添单笔交易的本钱的重要缘由。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

除上述提到的 Rollup 筹划研发团队以外,很多应用层的项目也看到了 Rollup 的优势,宣布将研究或集成 Rollup 技巧。从今朝地下的项目来看,选择 Optimistic Rollup 的项目更多一些,包含去中间化交易所、DeFi 协定、匿名办事等,很能够是由于项目方推敲到 Optimistic Rollup 的优势为 支撑通用智能合约 ,和不会像 ZK Rollup 须要花费很多时间生成 SNARK 证明,毕竟在没有优化筹划之前,能够会影照应用的应用体验。

宣布采取 ZK Rollup 筹划的项目今朝其实不多,然则 路印 Loopring 的去中间化交易所是以后 Rollup 项目中开辟进度最快的一个,早在 2 月底就曾经上线以太坊主网,开端了地下测试。固然后来也碰到了前端页面的非致命马脚,然则他们的经历会为后续很多其他行将采取 ZK Rollup 的项目供给参考和指导意义。

究竟可以增添若干链上的交易本钱呢?路印给出了重要的实战数据,在他们采取的筹划中,批量处理 4096 笔交易时,单笔交易只须要 375 Gas。也就是在正常的 Gas 费用下,每次交易本钱为 0.09 分人平易近币 (留意单位) ,换句话说,100 万笔交易的本钱大年夜约为 900 元

但曾经研发 Plasma 技巧的团队 LeapDAO 却认为 Rollup 技巧不是万妙药。在他们停止了详细的数据分析后,为大年夜家供给了很多值得参考的数据。根据他们的预算,全体而言 Rollup 可认为以太坊搜集晋升 略逾越 10 倍的吞吐量 ,由于比拟 Plasma 照样就义了很多本钱的。

除两个最风行的 Rollup 衍生版本外,还有一些以太坊二层扩容筹划也采取了 Rollup 这个名字,比较罕见的两个是 SKALE Labs 提出的 BLS-Rollup 和 Offchain Labs 的 Arbitrum Rollup

不过 Optimistic Rollup 的提出者 John Adler 认为,BLS-Rollup 不算是平日意义上的 Rollup,更像是一种批处理技巧。而 Arbitrum Rollup 在 2018 年发布论文和 2019 年发布白皮书时都未说起 Rollup,他们在本岁首年代上线测试网时才称之为 Arbitrum Rollup。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

ZK Rollup 停顿

ZK Rollup 技巧研发中最重要的公司是 Matter Labsiden3 ,二者均已推出测试网。但他们产品的定位略有差别,Matter Labs 更像是 通用型 处理筹划,而 iden3 是 公用型 处理筹划。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

Matter Labs 推出的是一套完全的通用型处理筹划,叫做 ZK Sync 。该筹划推敲到了 ZK Rollup 存在的一些缺点,提出了照应的机制优化,比如之前说起的,生成 SNARK 证明耗时较长,和较难支撑通用智能合约。Matter Lab 结合开创人兼首席履行官 Alex Gluchowski 表示,「在伊斯坦布尔升级以后,ZK Sync 将处于异常有益的地位,可轻松地达到每秒数千的交易量」。

为了完成通用智能合约这一需求,Matter Labs 还推出了 零知识证明智能编程说话及框架 Zinc ,在本年 2 月推出了首个版本 v0.1 Alpha。Matter Labs 表示,Zinc 是用于创建安然的零知识证明线路和基于其运转法式榜样的智能编程说话和履行情况,Zinc 遵守 Rust 道理,并基于简化的 Rust 语法,精通 Rust、C++、Solidity 等说话的开辟者可在一天内快速上手。

而 iden3 研究 ZK Rollup 的初志则是为了他们本来项目推敲的。iden3 这个名字,可以想象成是 identity (身份) 的 3.0,感触感染一下,是否是类似于「Web3」?所以 iden3 团队专注的是为数字世界供给一种 开源的身份管理体系 ,应用零知识证明 zk-SNARK 晋升 隐私特点 ,而 Rollup 则可以增长身份认证体系和应用层在链上交互行动中交易吞吐量。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

而从应用层来讲,路印 Loopring 和 AZTEC 分别处理了用户链上交易和隐私的需求。路印 Loopring 的去中间化交易所是以后 Rollup 项目中开辟进度最快的一个,早在 2 月底就曾经上线以太坊主网,开端了地下测试。

AZTEC 是一个隐私技巧处理筹划,在本年 2 月就上线了以太坊主网,然则他们还在推敲采取 Rollup 技巧,以明显降低以太坊搜集中 隐私情易的本钱 。他们本来在隐私技巧中就采取了零知识证明 ZK,扩容筹划选择的是 ZK Rollup,所以他们给新的这套筹划取名为 ZK ZK Rollup,或 ZK² Rollup 。第一个 ZK 是应用 SNARK 技巧中的「 简洁性 」 (succinctness) 晋升搜集的可扩大性,将多笔交易归并为一笔以增添交易本钱,第二个 ZK 是应用 SNARK 作为隐私技巧,将归并前的每笔浅显交易升级为隐私情易。

Optimistic Rollup 停顿

Optimistic Rollup 技巧中最重要的公司是 Fuel LabsOptimism (前 Plasma Group) 和 NutBerry ,他们研发的是通用型的 Optimistic Rollup 处理筹划。比拟 ZK Rollup,由于去除复杂的零知识证明这类复杂的暗码学技巧,所以支撑 通用的智能合约 会更轻易一些。

Optimistic Rollup 固然比 Plasma 增长了数据可用性的长处,但也直接吸纳了之前 Plasma 的成果,除都用同一套 博弈和处罚机制 以外,Optimism 团队表示,这两个筹划可以共享很多基本举措措施和代码。别的,他们认为关于一个成熟的 Layer 2 生态体系 ,Rollup、Plasma 和状况通道应当是可以在同一个客户端 (智能钱包) 内一路任务的。

其其实 Plasma Group 对外地下放弃 Plasma 技巧之前的 2019 年事尾,就组建了一家新公司 Optimism ,专注于实施 Optimistic Rollup,该公司今朝曾经从加密风险基金 Paradigm 和设计公司 IDEO 旗下的 IDEO CoLab Ventures 筹集了 350 万美元 种子轮融资。新召募的资金重要用于实施 Optimistic Rollup 处理筹划和基于该处理筹划构建应用法式榜样。虽然这是一家贸易公司,但该研究小组表示,欲望持续为开源项目做供献,并与公众分享本身的研究成果。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

为了支撑以太坊的智能合约,Optimism 曾经发布了虚拟机 Optimistic Virtual Machine (OVM) 的 Alpha 版本。OVM 是嵌入在 以太坊虚拟机 (EVM) 中的正本,许可开辟者应用 Optimistic Rollup 时,可应用和 EVM 雷同的开辟者对象集和智能合约说话。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

刚开端,Optimistic Rollup 被称为「最小可行归并共鸣」 (Minimal Viable Merged Consensus) ,在 John Adler 于客岁 6 月提出了这个概念后,就成立了 Fuel Labs ,以实施他们的扩容筹划。

Fuel Labs 将开辟一条无需信赖的 以太坊侧链 Fuel ,专门针对以太坊链上的付出停止设计,在伊斯坦布尔升级之前,守旧估计能将以太坊 ERC-20 代币 交易本钱降低至本来的五分之一

本年 1 月,Fuel Labs 基于 Optimistic Rollup 的以太坊侧链 Fuel 的地下测试网上线,代码也已开源。值得留意的是,他们测试网的合约就曾经支撑一切的 ERC-20 代币了,毕竟 ERC-20 本就是一种智能合约。后来在 3 月,他们宣布推出一门新的 以太坊底层说话 Yul+ ,作为对 Yul 的实验性升级,为 Yul (以太坊虚拟机的一种低级中心说话) 添加了各类 QoL 功能。Yul 是由 Solidity 开辟者编写的一门旨在进一步 优化编译目标 的低级中心说话,简单且具有实用的低级语法,让开辟人员比 Solidity 更接近原始以太坊虚拟机 (EVM) ,同时具有优化 gas 费应用效力的潜力。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

NutBerry 比拟上述两个影响力更小一些,但他们的目标是开辟一个基于 Optimistic Rollup 的 Layer 2 处理筹划,且支撑具有状况 (stateful) 的智能合约。该项目最早被发布在以太坊研究服装论坛t.vhao.net,个中描述了该项目将分为四个里程碑:支撑 ERC-20 标准、支撑 ERC-721 标准、支撑无状况智能合约、支撑具有状况的智能合约 (也就是可以贮存数据的智能合约) 。NutBerry 已于本年 2 月发布了第二个测试网,已支撑 ERC-712 (Ethereum typed structured data hashing and signing) 。

Optimistic Rollup 的应用层产品相对较多一些,能够是由于支撑智能合约更简单,所以关于这些 DeFiDEX 或隐私办事这些须要智能合约处理逻辑的应用来讲,更便利一些。

这些应用将会在后续的一两个季度内渐渐上线,不消多久就可以体验到了。

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

其他 Rollup

固然其他几个 Rollup 处理筹划和上述的这些项目不太一样,然则他们都以 Rollup 定名,所以本文也做相干的整顿和搜集:

以太坊扩容最热点主力筹划 Rollup 进修指南

将来

为了以太坊链上应用生态的生长, 扩容 是一个持续且重要的话题,毕竟,离以太坊 2.0 终究形状至少还有 2-3 年的时间。在此之前,DApp、DeFi、游戏等各类 链上应用生态 是无律例模化的, 计算资本 将成为重要的瓶颈,任何一个强势的 DApp 都能够敏捷将链上的计算资本占满。以 3 月 12 日为例,Maker 协定因以太坊价格暴跌而提议的抵押品拍卖清理流程,就是由于 全体搜集拥堵 而产生了巨额损掉。

曾经最重要的扩容筹划 Plasma,在完成过程当中遭受一些成绩以后,开辟者社区将更多精力转移至 Rollup,由于它处理了前辈在开辟过程当中发明的「 数据可用性 」成绩。固然有一些弃取,但照样比以太坊 Layer 1 效力高上几十数百倍。而衍生出两个最重要的分支 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup ,分别选择了不合的挑衅以确保安然性:是研究艰苦的 零知识证明暗码学 技巧,照样寻觅出一套安然且照顾用户体验的 博弈机制

不过,那些上百倍的晋升今朝照样实际值,或许是实验室情况下的最优情况,在此之前还有很多的 研发任务和配套的优化 。只要这些筹划被完成,并且被应用集成且大年夜范围采取以后,才能知道真实的性能,或能否有其他的弱点和成绩。

毕竟实际才能出真知。Rollup 不是第一个扩容筹划,也不会是最后一个。固然我们都知道目标在哪里,然则完成的途径照旧是曲折的。