基于區(qū)塊鏈技術(shù)的以太坊二層擴容技術(shù)解析

背景

最近，以太坊創(chuàng)始人 Vitalik Buterin 在一篇題為“混合式二層協(xié)議的曙光” 的文章[1]里對 Rollup 方案大加贊賞，認為它為智能合約的可擴展性打開了大門。那么什么是 Rollup ？它包括哪些主流方案？這些方案各自有什么優(yōu)缺點？它們未來發(fā)展前景怎樣？為了找到這些問題的答案，筆者對相關(guān)項目做了一番調(diào)研，將收集到的信息整理成下面這篇文章。

Rollup 的出現(xiàn)

最近幾年，以太坊二層（Layer-2）擴容技術(shù)得到迅猛發(fā)展。所謂二層，就是將一部分資金存儲在主鏈智能合約里，在保證足夠安全的前提下，把一部分交易放到主鏈之外進行，好像鏈下多出來一層網(wǎng)絡(luò)。二層方案里表現(xiàn)比較突出的是狀態(tài)通道和 Plasma 側(cè)鏈。雖然這兩種方案誕生時間很早，但是發(fā)展的卻比較緩慢。其背后的原因歸根結(jié)底是數(shù)據(jù)的可用性（Data Availability）問題。

什么是數(shù)據(jù)可用性呢？這里有個不太恰當?shù)睦?。假設(shè)你去賭場玩撲克，首先要把現(xiàn)金換成籌碼，這可以理解成在鏈上創(chuàng)建狀態(tài)通道，并存入押金。然后你開始玩撲克，這就是所謂的鏈下交易。在贏得一手大牌之后，你想要兌現(xiàn)走人，突然有人給你腦后來了一悶棍，醒來后桌上的籌碼不翼而飛。你記不起來牌局的細節(jié)，所以無法追回已經(jīng)贏得的籌碼，這就是所謂的“數(shù)據(jù)不可用”。無論是狀態(tài)通道還是 Plasma 側(cè)鏈，完整的交易記錄和見證數(shù)據(jù)都只保存在鏈下，出現(xiàn)爭端時如果參與者沒有及時提供正確的交易和見證數(shù)據(jù)，交易的安全性就無法保證。就好像是那個忘記了牌局細節(jié)的人，很難追回屬于自己的籌碼。

就在二層擴容技術(shù)舉步維艱的時候，一種名叫 Rollup 的新方案被提了出來。與狀態(tài)通道和 Plasma 不同的是，它可以“打包”交易，并將“打包”后的交易數(shù)據(jù)連同一個 SNARK 零知識證明發(fā)布到鏈上。打包的正確性可以通過零知識證明來見證，負責“打包”的操作者不可能發(fā)布惡意或無效的交易。這就是后來被 Vitalik Buterin 稱之為 ZK Rollup 的二層擴容方案。ZK Rollup 并非萬能，它遇到的最大問題是通用性。除非要證明的交易非常簡單，否則創(chuàng)建 SNARK 證明的成本會非常高。因此，一種名叫 Optimistic Rollup 的折衷方案被提了出來。Optimistic Rollup也是把交易數(shù)據(jù)都放到鏈上，但不是用 SNARK 做見證，而是采用“加密經(jīng)濟學有效性博弈”來實現(xiàn)有效性驗證。

工作原理

Rollup 的核心思想是將“打包”后的交易數(shù)據(jù)區(qū)塊發(fā)布在鏈上，從而降低交易有效性驗證的難度。交易數(shù)據(jù)的上鏈和驗證是基于智能合約完成的。操作者收集到不同參與者提交的鏈下交易后，在鏈上執(zhí)行 Rollup 智能合約提供的腳本，將打包后的交易數(shù)據(jù)區(qū)塊作為參數(shù)提交給合約，合約驗證數(shù)據(jù)有效后為每個參與者記賬。這相當于一次性執(zhí)行了一批鏈下交易，但是在鏈上只執(zhí)行了一個交易。

下圖是 ZK Rollup 提交上鏈的打包數(shù)據(jù)。它包含一組壓縮后的交易數(shù)據(jù) [Tx]（不包含任何簽名）、執(zhí)行這批交易之前的老的用戶狀態(tài)的 merkle 樹樹根，以及執(zhí)行交易之后的新的用戶狀態(tài)的 merkle 樹樹根。除此之外還包含一個 SNARK 零知識證明，合約用它來驗證在老的用戶狀態(tài)上施加這批交易 [Tx] 后結(jié)果就是新的用戶狀態(tài)。零知識證明具體是如何工作的？這不是三言兩語就能解釋清楚的，大家可以參考文章[2]，里面對零知識證明的工作原理做了詳細闡述。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的以太坊二層擴容技術(shù)解析

生成 SNARK 的成本非常高，所以 Optimistic Rollup 采用了不同的方法——“欺詐證明”來驗證交易有效性。這里的“欺詐證明”并非 SNARK 那樣的見證數(shù)據(jù)，它實際上指的是加密經(jīng)濟學有效性博弈（Cryptoeconomic Validity Game）。越說越暈了#￥￥%......，其實很簡單，就是每次打包后的交易被提交到鏈上時，智能合約都假定它們是正確的，無需驗證。如果有人篡改了交易，操作者或者其它參與者都可以挑戰(zhàn)非法交易，挑戰(zhàn)成功后通過智能合約回滾不正確的區(qū)塊，作弊者會受到懲罰，它的押金將會被沒收，部分押金會獎勵給挑戰(zhàn)者。這就是所謂的基于加密經(jīng)濟學有效性博弈的“欺詐證明”，實際上是讓參與各方互相監(jiān)督，通過懲罰機制來提高作弊成本。為了實現(xiàn)“欺詐證明”，光有 ZK Rollup 那樣的交易數(shù)據(jù) [Tx] 是不夠的，Tx數(shù)據(jù)需要包涵交易提交者的簽名，合約通過校驗簽名來判斷交易是否合法。

安全性

Rollup 的安全性來自于數(shù)據(jù)可用性和交易有效性。有了數(shù)據(jù)可用性和交易有效性，就能保證 Rollup 操作者永遠不能破壞狀態(tài)或竊取資金，即使操作者不配合，參與者也能方便的追回 Rollup 網(wǎng)絡(luò)上的資產(chǎn)。Rollup 將交易數(shù)據(jù)發(fā)布到鏈上，就像“錨”一樣將 Rollup 網(wǎng)絡(luò)錨定到了以太坊主鏈上。就好比是賭場里裝上了攝像頭，即便是玩撲克的人被打了一悶棍，還是能通過視頻記錄證明自己確實贏了錢。

對于交易有效性驗證，ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 采取了不同的方法[3]。ZK Rollup 采用零知識證明來保證交易有效。它的安全性建立在密碼學基礎(chǔ)之上，智能合約僅在交易數(shù)據(jù)被證明為正確之后才會接受狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都有一個零知識證明，這保證了鏈上總是對應著一個正確的二層狀態(tài)。Optimistic Rollup 采用基于加密經(jīng)濟學有效性博弈的“欺詐證明”，它無需為每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都提供證明，只在有人認為狀態(tài)轉(zhuǎn)換有誤的時候提供。因為沉默將被視為同意，所以它要求交易方必須每時每刻都要在線。相比較 ZK Rollup，Optimistic Rollup 的安全性有所降低，它需要采取額外的措施來防止 DDoS 攻擊造成的“默許”。

可擴展性

Rollup 通過一次鏈上交易可以執(zhí)行一大批打包后的鏈下交易，主鏈不需要通過執(zhí)行每筆交易來驗證其有效性，而且交易數(shù)據(jù)是作為函數(shù)參數(shù)發(fā)布的，驗證完有效性后就會被丟棄，這樣就不會占據(jù)主鏈的存儲空間。因此 Rollup 可以大幅度提升主鏈的可擴展性。

但是這種提升并非沒有限制，雖然只有一次鏈上交易，但是它會受到交易數(shù)據(jù)本身 gas 成本的制約。以太坊數(shù)據(jù)的 gas 成本在伊斯坦布爾升級前是每字節(jié) 68 單位，而以太坊上每個地址就會占用 20 字節(jié)，所以如果用以太坊交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示鏈下交易，gas 費用會非常高，因此 Rollup 對交易數(shù)據(jù)進行了壓縮。

ZK Rollup 在智能合約里用 merkle 樹來記錄地址，這樣地址就可以表示成樹的索引值，地址數(shù)據(jù)的大小就從原本的 20 bytes 減少到只有 3 bytes 到 4 bytes。每筆交易就被壓縮成 10 幾個字節(jié)，再加上一個約 100-300 字節(jié)的 SNARK，理論上可以將以太坊吞吐量從 32 TPS 提升到約 680 TPS，伊斯坦布爾升級后可達到 2000 TPS。下圖是壓縮后 ZK Rollup 每筆交易數(shù)據(jù)的格式：

Optimistic Rollup 的吞吐量理論上只有 100 TPS，主要原因是上文提到過的，為了支持“欺詐證明”，Optimistic Rollup的每筆交易數(shù)據(jù)需要包涵交易提交者的簽名。每條簽名的大小是 64 bytes，這大大增加了提交上鏈的交易數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，從而很快達到 gas 上限。為了減少交易數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，一種 BLS 聚合簽名機制被提了出來。如下圖所示， BLS 聚合簽名機制是在操作者收集到所有交易后，將打包后的交易發(fā)送給每個交易提交者簽名，因為每個簽名都是針對相同的數(shù)據(jù)，所以可以被操作者聚合成一個 BSL 簽名。發(fā)送給鏈上合約的將是壓縮后的交易數(shù)據(jù)加上聚合后的 BLS 簽名，從而大幅減少了交易數(shù)據(jù)所消耗的 gas。BLS 簽名可以將 Optimistic Rollup 的吞吐量從100 TPS提升到 450 TPS，伊斯坦布爾升級后也可以達到 2000 TPS。

延遲

Optimistic Rollup 基于加密經(jīng)濟學有效性博弈，只有過了1～2周的挑戰(zhàn)期才能確認交易生效。ZK Rollup的延遲相對較小，如果一個打包區(qū)塊中有 1000 筆交易，在普通的服務(wù)器上大概需要 20 分鐘可以構(gòu)造出一個證明。開發(fā)者已經(jīng)提出很多減少延遲的方法，比如采用 GPU 加速可以將零知識證明構(gòu)造時間壓縮到 1 分鐘。還有一種叫做“即時交易收據(jù)”（instant tx receipts）的方法兩種 Rollup 方案都適用。它主要借助經(jīng)濟學博弈來完成，就是負責打包的操作員需抵押一部分安全保證金，如果某個交易沒有被打包到區(qū)塊中，這筆錢就會被沒收。理論上“即時交易收據(jù)”可以將交易確認時間壓縮到 1 秒以內(nèi)，但是實現(xiàn)相對復雜，安全性有所降低。

通用性

通用性方面，Optimistic Rollup 明顯好于ZK Rollup，當然它的設(shè)計目標就是支持任意智能合約。而 ZK Rollup 目前僅適用于支付之類的特定交易，對于通用智能合約，由于創(chuàng)建零知識證明的成本非常高，部署起來困難較大。為了提高效率，開發(fā)者正在開發(fā)專門的零知識證明虛擬機，比如 ZEXE。它在一定程度上可以縮短創(chuàng)建證明的時間，但是缺點是合約開發(fā)者需要大量的專業(yè)知識。Matter Labs團隊基于ZK Rollup開發(fā)的新一代區(qū)塊鏈擴展方案 ZK Sync[4]，設(shè)計開發(fā)了一款以委托的方式生成零知識證明的沙盒式虛擬機，開發(fā)者不需要深入了解零知識證明領(lǐng)域的技術(shù)細節(jié)就可以編寫出高效且安全的智能合約。

總結(jié)與展望

本文簡要介紹了區(qū)塊鏈擴容方案 Rollup 的工作原理，對比分析了兩種 Rollup 方案 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 在可擴展性、延遲、通用性、安全性上的優(yōu)劣。

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