以太坊 Layer 2 Rollup 戰爭

基本介紹

Layer 2 被設計為以太坊可擴展性問題的關鍵解決方案之一。透過在以太坊主鏈之上建立額外的網路層，它允許處理更多交易，同時保持主鏈的安全性和去中心化。

Rollup 是 Layer 2 擴充解決方案，可在鏈下處理交易，然後將交易資料打包到主鏈中。其安全性由Layer 1保證，是目前最主流的Layer 2擴容方案。與其他鏈下交易解決方案，如狀態通道、側鏈、Plasma等相比，Rollup有三個特點：

1. Layer 2 是一個相對獨立於 Layer 1 的平台，所有參與的使用者也是獨立的 Layer 2 帳戶。用戶可以在Layer 2平台上與其他Layer 2用戶進行交易，但Layer 1帳戶和Layer 2帳戶之間的交互需要經過Layer 2運營商部署在Layer 1和Layer 2上的智能合約。最常見的互動是 ETH 等代幣的轉移。

2. 所有交易資訊都需要完整記錄在主鏈上，即Calldata或Blob資料（EIP-4844）。即使第 2 層狀態遺失，任何人都可以從主鏈上儲存的資訊恢復遺失的狀態，解決了以往鏈下交易解決方案中的資料可用性問題。

3. 交易執行和狀態變更都在 Layer 2 平台上，但狀態摘要會發佈到 Layer 1 鏈上，因此 Layer 1 鏈可以透過一些資料有效性驗證方法來驗證。驗證通過後，Layer 2狀態將鎖定在Layer 1主鏈上；根據資料有效性驗證方式的不同，Rollups又可以再細分為Optimistic Rollups和ZK Rollups。

匯總歷史記錄

側鍊是最早的 Layer 2 解決方案之一。顧名思義，側鏈是一條獨立的區塊鏈，與主鏈（第一層）掛鉤，有自己的共識模型和區塊參數。當我們將一個區塊鏈與另一個區塊鏈掛鉤時，這意味著我們可以在兩個區塊鏈之間轉移資產。當您想要更快地進行交易時，您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，將資產轉移回主鏈。

Plasma 是閃電網路提案者之一 Joseph Poon 和以太坊創辦人 Vitalik Buterin 於 2017 年提出的 Layer 2 擴容解決方案。它是側鏈的演變。

等離子鏈是建立在以太坊之外的獨立區塊鏈，也稱為子鏈，就像樹的樹枝一樣，以太坊是主幹，也稱為根鏈。每個子鏈都可以在以太坊上部署自訂的智慧合約，可以用來處理不同的業務。在 Plasma 鏈之上可以建構另一層子鏈，形成樹狀的 Plasma 網絡。 Plasma 的工作原理是將大的運算任務拆分成小任務，並分配給各個子鏈進行處理。處理結果逐層匯總並提交給上層，從而實現大量複雜計算的快速、低成本處理。

Plasma 要求提交 Plasma 鏈上發生的交易的 Merkle 根。當用戶嘗試將資產從 Plasma 鏈移回到根鏈時，用戶可以提交將資產發送到 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分支有詐欺行為，可以提交詐欺證明。由於根區塊鏈只追蹤 Merkle 根，因此它需要處理的資料比主鏈上發生的交易少得多，從而提高了根鏈的可擴展性。

Plasma 是一種不受監管的以太坊側鏈技術。不受監管意味著即使Plasma鏈受到惡意攻擊或驗證者串通作惡，Plasma鏈上的資產也可以安全地返回根鏈。這也是 Plasma 和側鏈最大的區別，側鏈需要依靠自己的安全模型來保護使用者資產。 Plasma 的代表性解決方案是 Polygon 1.0 (Matic)。

但 Plasma 有三個致命缺陷：

1. Plasma 鏈要求營運商向根鏈發布 Merkle 根承諾。運營商可以進行資料可用性攻擊，即拒絕將某些交易發佈到鏈上。在這種情況下，缺乏交易來建立詐欺證明會導致用戶無法提取資產；

2. 當使用者嘗試從 Plasma 鏈中提取資產時，必須提交退出交易請求，然後等待一段時間，稱為挑戰期。在挑戰期內的任何時間，任何使用者都可以透過提供退出無效的證據來挑戰其他使用者的退出；

3. 用戶必須監控和驗證 Plasma 鏈上的所有交易，以發現惡意節點行為並及時退出。然而，交易驗證成本高昂，而且這種監控要求為參與 Plasma 鏈增加了大量開銷。

由於 Plasma 的缺點，自 2019 年以來，Plasma 陷入了發展瓶頸。由於它仍然採用詐欺證明，因此主要解決 Plasma 的數據可用性問題。

另一方面，Vitalik Buterin 在 2018 年率先引入零知識證明技術來證明區塊狀態變化的有效性，這也是 ZK Rollup 的雛形。零知識證明最早由 S. Goldwasser、S. Micali 和 C. Rackoff 在 20 世紀 80 年代初提出。它是指證明者在不向驗證者提供任何有用資訊的情況下，使驗證者相信某個斷言是正確的能力。換句話說，證明者向驗證者證明並讓其相信自己知道或擁有某個消息，但證明過程不能向驗證者洩露任何有關已證明消息的資訊。

zk-SNARK（零知識簡潔非互動式知識論證）是一種廣泛使用的通用零知識證明方案。它將任何計算過程轉換為若干閘電路的形式，並利用多項式的一系列數學性質將閘電路轉換為多項式，從而產生非互動式證明。可應用於各種複雜的業務場景。

但zk-SNARK無法避免的一點是中心化的可信設置，這意味著在可信設置中，多方各自生成部分密鑰來啟動網絡，然後銷毀該密鑰。如果用於建立可信任設定的金鑰的機密資訊沒有被破壞，則該機密資訊可能被用來透過虛假驗證來偽造交易。

Aztec研究團隊在2019年提出的Plonk演算法解決了zk-SNARK的普適性問題。也就是說，可信任設定獨立於應用程式。只需一種可信任設定即可滿足所有應用程式的需求。此外，可信任設定可以任意更新。只要有一個可信賴參與者，可信任設定的安全性就能得到保證。可以說，Plonk演算法的引入大大加速了ZK Rollup的發展。

匯總軌道

縱觀Rollup賽道，目前競爭非常激烈。主網已上線的 Layer 2 Rollups 中，Optimistic Rollups 仍佔據大部分 TVL。主要原因是 Optimistic Rollups 是第一個實作的完整 Rollup 解決方案。不過，隨著ZK Rollups技術的成熟，越來越多的人開始注意並參與ZK Rollups生態。

樂觀匯總

樂觀總結依賴樂觀假設，即大多數交易都是有效的，並且在發現詐欺時允許挑戰和回滾。 Rollup 的 Layer 1 合約並非直接驗證 Layer 2 提交的新狀態，而是為每個提交的新狀態準備一個挑戰期。由於Rollup將所有交易資訊提交到主鏈並公開，因此任何人都可以驗證狀態更新（尤其是當狀態更新涉及自己的錢包時）。如果新狀態是錯誤的，驗證者可以為錯誤狀態產生詐欺證明並在挑戰期間提交，從而使錯誤狀態更新無效。

Optimistic Rollups 的代表方案是 Arbitrum 和 Optimism。

Arbitrum 於 2021 年 9 月正式上網主網，是目前 TVL 最高的第 2 層協定。

目前，Arbitrum 生態系統中有三個主要網絡，包括 Arbitrum One、Arbitrum Nova 和 Arbitrum Orbit。

• Arbitrum One 是目前 Arbitrum 生態系的核心 Rollup 鏈。其所有交易資料都儲存在主網路乙太坊上。我們平時提到的L2和鏈上生態應用大多運行在這個主網上。

• Arbitrum Nova 是一個基於 AnyTrust 技術構建的新網絡，專為遊戲、社交應用程式和高吞吐量 DApp 使用案例而設計。網路交易資料儲存在鏈下並由資料委員會 DAC 管理。

• Arbitrum Orbit 是一個用於建立第 3 層網路的開源工具包，支援開發人員部署和創建自己的鏈。開發者可以基於Orbit工具包建立自己的Rollup和AnyTrust鏈（Layer 3），並選擇Arbitrum One或Arbitrum Nova之一作為結算層來實現擴展。

Optimism 於 2021 年 8 月推出主網，目前在 Layer 2 擁有第二大 TVL，僅次於 Arbitrum。

樂觀實現了 EVM 等價。以太坊上的 Solidity 智能合約可以在 Optimisms Layer 2 上運行，而無需建立額外的功能。開發者可以無縫切換到Optimism來開發應用程式。

OP Stack是Optimism推出的開源模組化工具包，涵蓋了資料可用層、執行層、結算層、治理層等。為此，OP Stack向Optimism引入了超級鏈的概念。超級鏈是指建構在OP Stack上的一組二層區塊鏈（也稱為OP鏈）。目前基於OP Stack構建的Layer網路有數十個，包括Base、opBNB、Magi、Worldcoin等重量級項目。

ZK 匯總

ZK Rollups 採用零知識證明技術，確保鏈下處理的交易有效、正確，提供更高的安全性和效率。狀態改變後，Rollup的二層平台必須提供狀態改變正確性的零知識證明，並隨狀態改變一起提交到主鏈。主鏈上的合約將驗證證明以確定狀態更新的正確性。與 Optimistic Rollup 解決方案相比，ZK Rollup 不需要設定很長的挑戰期來完成第 2 層交易，也不需要依賴在挑戰期內會發現不正確的狀態更新的假設。

代表性解決方案有 zkSync、StarkNet、Polygon zkEVM 和 Scroll。

ZK Rollups 是第一個在主網路上線的 zkEVM 項目，基於零知識證明，允許在不洩露底層資料的情況下驗證交易。 zkSync 的主要功能之一是使用樂觀傳輸，它允許用戶發送和接收交易，而無需等待交易在以太坊區塊鏈上得到確認。這顯著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傳輸之外，zkSync 還利用其他幾種技術來提高可擴展性和安全性。這些技術包括簽章聚合（允許將多個簽章壓縮為單一簽章）和多鏈支援（幫助 zkSync 與其他區塊鏈網路互動）。

StarkNet 使用 zkSTARK 的擴展解決方案，zkSTARK 是一種零知識證明系統，可讓使用者在不洩漏底層資料的情況下證明計算的正確性。這可以提高網路的隱私性和安全性，並且能夠執行複雜的計算而無需信任第三方。 StarkNet 還利用分片技術，該技術允許將區塊鏈分割成多個可以並行處理的較小鏈或分片。這允許更大的吞吐量和更快的交易時間，因為每個分片都可以獨立於其他分片進行處理。

Polygon 2.0 推出了 ZK Rollups 技術，稱為 Polygon zkEVM。該技術透過使用零知識證明解決了以太坊區塊鏈的可擴展性問題，使得以太坊網路上的交易更快、更便宜，並且這種實現在字節碼級別而不是語言級別兼容。

Scroll 是一個與 EVM 相容的 ZK Rollup，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現有應用程式遷移到 Rollup 網絡，而無需對程式碼進行任何修改。

總結

由於自身的效能問題，區塊鏈無法滿足當前的需求。樂觀且基於零知識的擴展解決方案有望在不犧牲去中心化和安全性的情況下解決區塊鏈的效能瓶頸，提高交易速度和吞吐量。 Rollups透過將運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區塊中，並在鏈下產生該區塊的有效性證明。 Layer 1上的智能合約只需要驗證證明就可以直接應用新的狀態，可以實現更低的Gas和更高的鏈上安全性。

短期來看，Optimistic Rollups 很可能會在一般 EVM 計算中勝出，而 ZK Rollups 可能會在簡單支付、交易等特定應用場景中勝出。主要原因是，雖然 Zk Rollups 比 Optimistic Rollups 更快、更有效率，但它們並沒有為現有智慧合約遷移到 Layer 2 提供簡單的方法。

然而，由於近年來區塊鏈、隱私運算等新興技術應用的發展，零知識證明技術已成為建立信任的重要技術。中長期來看，隨著ZK-SNARK技術的完善，ZK Rollups將在所有場景中獲勝，成為以太坊擴容計畫的最終答案。

本文源自網路：以太坊 Layer 2 Rollup Wars

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