ROL:一文读懂ZK Rollup和Optimistic Rollup：以太坊重要的扩展方向_OPT

编者按：本文来自蓝狐笔记，Odaily星球日报经授权转载。前言：多年来，扩展性一直困扰着公链。关于扩展性的解决方案有的在概念论证中，有的在研发中。OptimisticRollup和ZkRollup也是扩展性的解决方案，并引起了加密社区的浓厚兴趣。那么，到底什么OptimisticRollup和ZKRollup？哪一种技术路线会赢得以太坊扩展的未来？不管道路如何曲折，之前的努力是否有用，但以太坊的扩展之路一直在前进，满足主流场景并非遥不可及。本文作者AlexGluchowski，由蓝狐笔记社群的“JOKO”翻译。简介

OptimisticRollup是一种很有希望在短期内扩展以太坊上通用智能合约的技术。如果构建足够快，它能够提供可以轻松迁移现有dApp和服务的方法，且能合理权衡安全和可扩展性。这将使得ETH1.0能够满足不断增长的需求。ZKRollup是一种更加复杂的技术。它如今可以用于代币转移和特定应用。然而，要在通用智能合约上实现还需要更长一些时间，并且要想高效地将EVM包裹于ZKP中甚至还需要更多的研究工作。不过，一旦ZKRollup完全开发出来，所有现有的以太坊dApp和服务都能够平滑且轻松地迁移过去。ZKRollup将会解决OptimisticRollup上的几个基本问题：消除让人讨厌的尾巴风险：通过复杂但可行的攻击向量盗取资金；将提取资金时间从1-2周减少至几分钟；支持快速交易确认并以无限制的数量退出；默认引入隐私。OptimisticRollup对ZKRollup来说是个好消息。向Layer2扩展的过渡要求对钱包、预言机、dApp、用户习惯的重大改变。OptimisticRollup有助于为这一行动做好生态系统的准备，将扩展性带入这些尚不能基于ZKRollup构建的dApp。这给予ZKRollup足够的时间发展成熟，并使其实现完全无缝的采用，与此同时维持以太坊的增长势头。Rollup101

*什么是Rollup？Rollup是类似于Plasma的Layer-2扩展性解决方案：单个主链合约持有所有资金，并对较大的“侧链”状态进行简洁的加密承诺。侧链状态由用户和运营商链下维持，且不依赖于Layer1的存储。将Rollup和Plasma区分开来的是它解决了Plasms的巨大问题：数据可用性，其方式是通过Layer1网络为每笔交易发布一些数据。因此可以在单个Rollup区块中将数千个交易捆绑在一起。尽管此方法的成本严格地呈线性增长，但它在吞吐量上实际可提升100倍，因为CALLDATA比Layer1存储和计算要便宜。Rollup已经被VitalikButerin反复认可为其最喜欢的Layer2可扩展性解决方案。根据如何确保状态转换的正确性，有两种Rollup方式：ZKRollup和OptimisticRollup。*什么是ZKRollup？在ZK-Rollup中，运营商必须为每个状态转换生成一个SNARK，并由主链上的Rollup合约进行验证。此SNARK证明存在一系列由所有者正确签名的交易，这些交易以正确的方式更新了账户余额，并使得Merkleroot从旧到新。因此，运营商不可能提交无效或操纵的状态。*什么是OptimisticRollup？在OptimisticRollup中，新状态根由运营商发布，且无需每次都由Rollup智能合约检查。相反，每个人都希望状态转换是正确的。但是，如果发布了不正确的状态转换，其他运营商或用户将能够指出错误的交易，并还原错误的区块，消减恶意运营商的押金。OptimisticRollup的概念最初由JohnAdler提出的。接下来，让我们比较一下ZKRollup和OptimsitcRollup。灵活性：通用计算

数据：以太坊上的DeFi TVL自周日以来已减少35.5亿美元:金色财经报道，IntoTheBlock数据显示，自上周日以来，以太坊上DeFi的锁定总价值(TVL)已下降近8%。这种下降可能是由Curve被攻击后的不确定性引发的，代表着急剧下降。在此背景下，减少的金额为35.5亿美元，而Curve在ETH上的TVL仅占此数字的一小部分。[2023/8/1 16:12:20]

*OptimisticRollup尽管OptimisticRollup可用于特定的应用，但是PlasmaGroup最重要的创新是OVM。OVM支持任意智能合约逻辑的实现。几乎任何在以太坊上能实现的同样可以在OVM上实现，这其中包括智能合约的可组合性。它基于EVM，EWASM或任何其他虚拟机。关于OVM的好处是，如果它与EVM一起使用，它将支持用Solidity编写代码。因此，大部分现有的代码库都可以轻松移植到OptimisticRollup上。如果OVM可以直接重用现有的EVM字节码，那会是理想的选择，但这可能不是那么简单。正确的实现方式将要求更改交易数据格式，并要求复杂的Truebit/PlasmaLeap风格的挑战/响应协议的实现，以提供欺诈证明。这可能会导致与EVM产生分歧，从而导致无法正确处理边缘情况，这意味着仍然需要做一些工作才能适应当前的OVM合约。实施的另外一个挑战在于，大型区块的欺诈证明可能需要比Layer1区块gaslimit所允许的更多的gas。那么，这些欺诈证明必须被分解为多个ETH交易。*ZKRollup迄今为止，所有现有的ZK-Rollup实现聚焦于特定的操作，例如代币转移或原子交换。这其中有几个主要原因。首先，没有一种有效的技术可用于针对不同ZKP的简洁递归证明组合，这需要将不同智能合约的执行汇总到一个区块中。我们最好的方法是在椭圆曲线的循环上使用Groth16，这需要在较长的字段上进行计算，并且对于大型计算完全没有效率。其次，即使我们的字段较短，Groth16也会为每个智能合约和每个新版本要求一个单独可信的设置仪式。显然，这绝对是不现实的。无须可信设置的唯一有效的ZKP技术是基于FRI的STARKs。但是，验证程序仅对有限的一类问题是简洁的。STARK验证程序必须对被证明的计算语句的每个约束至少执行一次，这意味着我们无法迭代异构智能合约的集合。随着SNORKs的出现，一切都发生改变。SNORK是基于稍微不同的一组加密原语的新一代ZKP。由SeanBowe在Sonic中率先开发，在2019年夏季PLONK和Marlin紧跟其后。所有这些都有一个共同点：尽管依然需要可信设置，但现在它是通用且可更新的。完成一次之后，它可以随时将其重用于任何数量的不同程序。然而，在这些证明系统中使用的Kate多项式承诺方案依然需要高效的椭圆曲线循环来进行递归，而目前尚不可用。这就是我们为什么对最新的完全简洁和透明的证明系统感到兴奋，例如Halo、SuperSonic、Fractal，以及MatterLabs团队最近在折腾的让人兴奋的事情。长话短说：在ZKP上构建通用智能合约的障碍现在已经被移除。ZKRollup完全能够支持与EVM相同的编程模型，包括无缝可组合性和可互操作性。尽管Solidity开发者的学习曲线不会超过一天，但最初的合约可能需要专用的DSL。最终，鉴于ZKP证明者技术的当前发展步伐，我们期望所有的现存ETH合约都能以最小的努力有效地移植过来。可扩展性&交易成本

BTC突破23900美元:金色财经报道，行情显示，BTC突破23900美元，现报23907.1美元，日内涨幅达到3.76%，行情波动较大，请做好风险控制。[2023/1/30 11:35:56]

*OptimisticRollup根据JohnAdler的说法，在EIP2028/伊斯坦布尔之后，目前的估算是每笔转账tx大约4k的gas。这意味着，相当于大约100tps。使用BLS聚合签名，此数字最多可以上升到大约500tps。如果EVM兼容性遭到破坏，则理论上吞吐量可能会增长到ZKP的极限。实际吞吐量上限：500tps目前可能还不错。*ZKRollup在MatterTestnet中每笔转移tx的公共数据成本当前是16bytes，这将在EIP2028/伊斯坦布尔后花费272gas费用。此外，将会有证明的摊销费用，预计大约为30万gas。即使我们假定最坏的情况，需要100万gas证明成本，但估算的转账上限仍将超过2140tps。在一些讨论中，可以听到人们争论说ZKP会产生大量的计算开销，由此价格昂贵。实际上，与gas成本相比较，计算成本可以忽略不计，这是真正的瓶颈，因为抗审查的分散化。我们也期望这个因素会随时间的推移而显著下降。实际吞吐量上限：超过2000tps——类似于Visa的规模。但是，在许多用例中，ZKRollup将节省更多，因为可以从公共数据中省略大块部分，而无须重构状态转换增量。核心见解是：尽管OptimisticRollup始终要求用户发布完全的交易输入，而在ZKRollup中，我们可以灵活地在如下两者间选择：1）交易输入减去不影响状态转换的见证人2）仅交易输出。可以非常优雅地实现这一选择，而无须太多复杂性。著名的例子：在多签钱包，具有Argent风格账户抽象的钱包或去中心化交易所，用户需要提交签名以获得合约的验证。这些签名对于状态增量更新是非必需的，可以从公开数据中省略。像Gnosis的DfusionDutchDEX这样的合约要求大量的数据集输入，这些输入不会直接影响存储，但仅用于验证计算结果。*ETH2.0之后由于任何Rollup将位于单个分片中，因此，CALLDATA的成本不太可能发生很大的变化，除非带宽通常变得更便宜。元交易

两种类型的Rollup都非常适合支持元交易和账户抽象。安全

美股三大指数集体收跌，标普500指数跌2.48%:金色财经报道，美股三大指数集体收跌，道指跌2.25%，纳指跌3.26%，标普500指数跌2.48%，大型科技股普跌。[2022/12/16 21:47:46]

*OptimisticRollup与支付通道不同，Rollup中的所有资金都由单个智能合约持有。既然Rollup是最有希望的扩展方向，我们应该看到大量的用户迁移其中，且很多价值集中于这类合约。持有数千万上亿美元价值的资产，对于知名黑客来说，Rollup合约正变成非常有吸引力的蜜罐，如果攻击有机会，那么，无论多么复杂，都有可能会尝试进行。OptimisticRollup的安全模型基于两个假设：1.至少在n个节点中有1个诚实节点执行所有OptimisticRollup交易，并且在无效状态转换发布时提交欺诈证明；2.底层Layer1网络有强大的抗审查性*N个节点中至少有一个诚实节点参与者对于第一点，现实的期望是，只有Rollup的运营商才会实际监控和执行交易。普通用户既没有动力也没有技术能力来处理高负载的交易幸运的是，运营商自然地有动力去检查彼此区块的正确性，因为基于无效区块上搭建区块会被消减资产。有足够的可信参与者，N个节点中有1个诚实节点运营商是合理的假设。但是，既然活跃参与者的数量有限，一些复杂的攻击可能包括：针对所有运营商的基础设施，贿赂/勒索开发工程师秘密安装恶意代码，针对Rollup软件的更新分发渠道等，当然，还可能是这些攻击的组合。这些攻击很难实现，但应该积极防御，但比起用同样的方式攻击以太坊矿工，这些攻击要更加现实，尤其是因为对OptimisticRollup的成功攻击直到完成后才会被注意到。*强大的Layer1抗审查性第二个假设是棘手的假设。实际上，以太坊的设计提供了经济机制，它对抗普通审查非常有效。但是，在出现反机制时，这些机制会停止起作用。攻击者可以创建完全自动的贿赂机制来协调矿工的51%攻击，这会阻止诚实矿工将欺诈证明包含在其区块中。有趣的是，对于参与的矿工来说，此次攻击的直接成本为零，如果可以明确地归因于审查，则不计入由愤怒社区反应所产生的社会成本。这部分也很棘手，因为该机制为攻击的参与者提供了合理的可否认性：“鉴于攻击者多数的可信承诺，如果我不参与，我的区块会被抛弃，所以，我必须这么做，不是为了利润，而是为了避免损失。”不幸的是，在PoW下，这种攻击非常现实。没有什么有效的方法来惩罚参与其中的匿名矿工。在转向PoS后，社区将可以通过消减矿工的质押权益来惩罚他们，如果达成广泛的社会共识。毕竟，这样的审查攻击可以被视为对整个网络的侵略，尽管也可以说，矿工只是简单地诚实地遵循协议，且没有义务以违背其最佳经济利益方式行事。但是，在DAO分叉后，至少可以说，这将是非常有争议的讨论，其结果无法预测。在Vitalik最近进行的一次社区民意测验中，无论遇到什么程度的攻击，63%的投票者反对对不可变的区块链进行任何人工干预来救助用户。不用说，要清除即使一个验证者的权益也非常困难，更不用说清除大多数验证者的权益。最近发布了更多关于串通合谋的研究，以及针对PoS环境中欺诈证明的新攻击，这表明在PoS中OptimisticRollup的审查攻击风险至少与PoW一样高。抵抗这种攻击的更现实的方法是在UASF中社区的快速动员，以迫使矿工将某些交易包括进来。从工程和社会的角度看，这种场景都是复杂的，且将肯定要求相对长的挑战期窗口，以提供欺诈证明，至少一周，最好两周。同时，鉴于主要的DeFi运营商在决定这种分叉的结果时处于有利位置，且避免吵闹的干扰事件符合其最大利益。所以，他们的最佳选择可能只是静静地遵循攻击者。总的来说，欺诈证明审查的风险相对较低，但不可忽略。由于存在1-2周的欺诈证明挑战期，并且没有太多资金的利害关系，OptimisticRollup可能是没有问题的：运营商/矿工合谋将不值得麻烦和冒风险。但是，如果rollup中的价值升高，潜伏的黑天鹅将会变得越来越让人担忧。*ZKRollup在ZKRollup中，在其变为有效之前，每个状态转换都通过Rollup智能合约进行验证。严格来说，运营商无法盗取资金或破坏Rollup状态。ZKRollup依赖于Layer1的抗审查性，只是为了其活性，而不是为了安全性。无须任何人来监控ZKRollup，在区块验证后，用户资金总是保证最终能被收回，即使运营商拒绝合作。因此，ZKRollup更充分地体现了加密世界的基本理念：通过密码学和博弈理论激励机制来取代可信方，以实现弹性。但是，为了完整起见，我必须提到ZKRollup特有的一些潜在风险。可信设置如果在ZKRollup中使用的ZKP需要通用的可信设置，则我们将得出“N分之一”诚实参与者的假设。根据参与者的数量和质量，这可能是可接受的风险，也可能是不可接受的风险。但安全是安全的，这就是为什么我对高效无须信任的SNARKs最新进展感到非常兴奋的原因，尤其是MatterLabs正在进行构建上。密码学

数据：自9月中旬以来，匿名比特币地址已累计增持约5000枚BTC:10月9日消息，根据比特币链上分析师@Capital15C披露数据，一个匿名比特币地址从2022年9月17日开始就一直在积极增持比特币，其单笔购买交易规模基本上在100-200枚；截至10月7日，该地址的比特币余额已经从21,799 BTC增加到了26,280 BTC，按照当前BTC美元价格计算，此钱包的余额规模已经超过5亿美元。[2022/10/9 12:50:05]

与Groth16相比，最新一代的SNARKs正在使用的是更多经过实践检验的加密原语。MatterLab的工作基于FRI，因此甚至可以说是具有后量子的安全性。但是，要完全冷静下来，应该应用两种缓解策略：*与RSA挑战类似，必须以比实际产品版本更低安全参数来部署大量奖金。如果发现了实际攻击，研究者会在产品代码被破坏数年前克服挑战。*所有状态转换必须仅由ZKR的运营商发送，而ZKR的运营商实质上充当双重验证的保护层。延迟

*OptimisticRollup由于上面安全性部分提到的问题，仅在1-2周欺诈证明的挑战窗口期内OptimisticRollup才能是安全的。在这段时间过去之前，任何交易都不能认为是最终的，内部Rolluptx和退出都不是最终的。不幸的是，对于最终用户来说，检查交易是否具有最终性，没有比通过整个上一次挑战期执行所有交易更快的方法了。需要特别注意的是，用户无法单纯依赖博弈理论来保证区块的最终性，因为单个运营商节点中的漏洞或仍可能导致还原。最终性的时间：2周最终性的时间：1周*ZKRollup当前ZKP计算上很密集。目前，对于1000tx的区块，我们可以在普通服务器硬件上有20分钟证明生成时间。正在进行的GPU证明程序实现有望将tx速度提高至少10倍。在不远的将来，专用硬件可能会拥有更高的计算能力。最终，我们期望看到在一分钟内完成区块的最终性。最终性时间：20分钟最终性时间：1分钟内Rollup交易内部的快速确认

在这两种类型的Rollup中，通过存入一定的安全保证金，运营商都可以向用户签发即时交易确认。这为最终性提供了经济保证。这种方法有局限。它对于可互换代币的转移运转良好，但不适合于NFT和通用合约请求。该NFT可能没有市场价值，或者当这些资产的所有者不想在任何情况下立即“出售”它。通用合约请求不适用是因为如果链上的某些之前交易被还原，不容易准确量化货币价值。简单的例子：为接受稳定币预言机价格广播的最终价格，运营商应该质押多少资金合适？快速提取资金

调查：数据管理和AI自动化工具是金融公司的首要投资对象:金色财经消息，据金融科技公司Broadridge的最新调查研究，投资于技术以更好地优化数据和实现数据管理现代化是金融服务公司的首要任务。该研究是根据最近在2022年5月举行的SIFMA运营会议上对200名金融服务专业人士进行的调查编制而成的。

多达98%的受访者公司投资于他们的前台到后台工作流程管理，超过四分之一(27%)的受访者将数据管理工具列为他们公司的优先投资。除了数据管理之外，公司还投资于AI和自动化(23%)、更多的人力资本(13%)、云原生功能(10%)以提高统一性，以及区块链技术(8%)以提高整体效率。

Broadridge资本市场总裁Vijay Mayadas表示：“在当今快速发展的世界中，优化的工作流程至关重要，而良好的干净数据是关键。”[2022/7/21 2:29:00]

快速退出类似于快速内部Rollup确认。运营商可以与流动性提供商合作，以将可互换代币即时提取给用户，而无须等待退出交易在Rollup中成为具有最终性的交易。这要求大量的抵押品，这跟最终性达成的时间成正比。假设对OptimisticRollup来说，不久将来的现实的最终性时间为1周，而ZKRollup为5分钟，那么，OptimisticRollup将需要2000倍于ZKRollup的抵押品才能支持每周相同的提款量。隐私

*OptimisticRollupOptimisticRollup可以支持Layer2以太坊上的任何可用的隐私解决方案。既然OptimisticRollup本身也是Layer2，在其上实现的任何隐私解决方案将作为Layer3。这可能导致隐私服务更加分散，并导致较小的匿名集，这使得隐私的实用性非常低*ZKRollup为了获得真正的隐私，系统必须默认支持它。从技术的角度看，ZKRollup可以在某种情况下默认轻松支持在协议层面代币转移的隐私交易，也可以区分公共和私人智能合约。同时，构建完全匿名的zcash风格交易，它将要求改变ZKRollup的存储模型，从基于账户模型变为基于UTXO模型，这会产生很多问题，且不太可能发生。结论OptimisticRollup目前处于PoC阶段。我们希望很快会实现产品级实施。如果证明它移植现有代码相对容易，那么，项目将逐渐开始采用它并构建新的基础架构：Layer2支持将在钱包中出现，预言机将开始广播到OptimisticRollup等。ZKRollup在特定应用方面已经更加成熟，但会逐步向完全通用的智能合约方向发展。最终，移植任何基于EVM和WASM的智能合约到ZKRollup也是可能的，在当前的技术发展速度下，这可能耗费数年时间即可完成。对于这两种类型的Rollup，类似的基础设施改变会发生在钱包、预言机以及其他智能合约组件中。这要求大量的工作，随着更多项目对Layer2扩展技术感兴趣，这些工作会加速。既然OptimisticRollup承诺比ZKRollup更早实现通用化的基于EVM的智能合约，它将极大地推动社区采用Layer2的动机。对于用户和dApp，从一个Rollup跳到另外一个Rollup，将会比从ETH最初迁移到Layer2更容易。桥接会让这一过程更加顺畅。由于这种切换的简易，这种解决方案在UX方面会取得显著优势，从长远看，很可能会成为唯一的赢家。不管结果如何，这都会是非常重要且让人兴奋的发展。无论如何，最终的赢家都是以太坊社区。

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