摘要： 读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 从这篇开始。 Rollup 解决了 Plasma 等前辈在开发过程中发现的「数据可用性」问题，ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 方案成为了当前以太坊扩容改进的主力军。读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup，从这篇开始。撰文：潘致雄，链闻研究总监以太坊在诞生后遭遇的最多质疑
摘要： 读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 从这篇开始。
Rollup 解决了 Plasma 等前辈在开发过程中发现的「数据可用性」问题，ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 方案成为了当前以太坊扩容改进的主力军。读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup，从这篇开始。
撰文：潘致雄，链闻研究总监以太坊在诞生后遭遇的最多质疑就是性能问题，在二层网络解决方案 Plasma 几乎全面溃败后，前沿研究领域又将眼光放在了Rollup技术上。当前以太坊链上交易的吞吐量（TPS）约每秒可执行不到 30 笔交易，虽然接近比特币的几倍，但离大规模应用还有较远的距离。相比之下，Visa 或支付宝的交易处理能力的峰值至少每秒上万笔。加密货币经常被提及的一个用户场景是「跨国汇款或支付」，采用链上发行的稳定币 USDT、USDC 或 PAX 作为交易媒介，以目前以太坊每秒 20 多笔交易的性能，离满足全球的需求还有很大差距。另一个比较热门的用户场景是去中心化金融（DeFi），3 月 12 日「黑色星期四」期间，以太坊网络在链上清算和交易的首次大规模压力测试中，虽说勉强可用，但交易成本提高了数百倍。只有交易成本降到比传统方式更低之后，区块链才更有实用价值。
Rollup 技术解决了之前 Plasma 暴露出的问题，提供了和以太坊 Layer 1 （也就是以太坊自己）相同的数据可用性和安全性，而且还能极大提高网络的吞吐能力，同时降低单笔交易成本。正因如此，虽然很多人在广义上称 Rollup 为 Layer 2 的技术，但事实上却介于 Layer 1 和 Layer 2 之间。Rollup 是什么？Rollup 的核心理念其实很简单，就是将原本散布在区块中的大量交易数据，打包成一笔「浓缩」的交易，发布到链上。为确保其中每笔交易的有效性，各种 Rollup 方案设计了不同的机制以确保整个过程的安全性与 Layer 1 保持一致。ZK Rollup 以零知识证明 zk-SNARKs的密码学技术确保安全性，而 Optimistic Rollup 则继承了 Plasma 的惩罚机制，以确保节点如果作恶将付出很大的代价。
虽说 Plasma 也推出过更新版的标准 Plasma Cash，但这些问题也依旧存在，最终导致了 Plasma Group和LeapDAO两个研发团队在今年初决定，放弃 Plasma 技术，并转向另一个新技术的研发：Rollup。而Matic依旧坚持在 Plasma 技术的开发中，他们计划在 5 月 15 日至 5 月底期间启动主网的上线流程，并逐步进行去中心化，扩展到超过 100 个节点。究竟 Matic 有没有处理好上述的这些问题，值得更多时间的观察。
无论如何，研究以太坊扩容技术的开发社区，已经将更多精力切换到研究 Rollup 了。
为什么 Rollup 有机会？在 Plasma 诞生的一年后，一位匿名人士Barry Whitehat在 Github 中提出了「Rollup」的概念，试图以「SNARK」对以太坊进行扩容。SNARK 是零知识证明的一类密码学技术，全称是「简洁化的非交互式零知识证明」（zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge）。
Rollup 一词本身的含义为「卷曲」或「卷起」，或者可以引申为「汇总」或「聚合」。在数据库的标准计算机语言 SQL 中，语法中的「Rollup」可以帮助 Group by 语句，将搜索出的一系列结果以聚合的数据显示，或许这是他以 Rollup 命名该技术的由来。
在 Barry Whitehat 提出 Rollup 概念时，它是这样被定义的：
「Rollup 通过将交易聚合，仅需要在链上进行一次交易，就可以验证多笔其他交易。」
而打包交易和验证交易的方式是通过 zk-SNARK 技术实现的，这样就能大幅度减少交易成本，确保安全性，也可以解决 Plasma 之前遇到的问题。
Matter Labs 联合创始人 Alex Gluchowski 在 2019 年 1 月份发的推特。
由于早期 ZK Rollup 的概念中，主要的缺点是生成 SNAKR 证明过程较长，而且也未能支持通用型的智能合约，所以 Fuel Labs 联合创始人、以太坊二层扩容方案的长期研究者 John Adler在 2019 年 6 月提出了另一个方案，称为Optimistic Rollup。该方案吸收了 ZK Rollup 对于数据可用性的优势，以及 Plasma 的惩罚机制，由于去除了零知识证明，所以可以更方便地支持通用型的智能合约。
所以整体来看，Rollup 的技术相比较 Plasma，最关键的是解决了数据可用性的问题，所有交易数据都是在以太坊链上的，安全性也能和以太坊主链相同级别。
那既然同样都是把交易发布在链上，为什么 Rollup 比普通的转账的吞吐量更高，成本更低呢？
因为在构建 Rollup 类交易的时候，大量的普通转账行为可以通过某些技巧进行压缩，最终在通过零知识证明 SNARK处理后，虽然 SNARK 生成过程较长且资源消耗（Gas）较大，但分摊到每一笔交易中就微不足道了。在 Vitalik Buterin 的初始提案中有具体的数据可以参考，虽然后续有各种不同的实现和差别。
在他的方案中，单笔交易的构成类似于：
除了上述提到的 Rollup 方案研发团队之外，不少应用层的项目也看到了 Rollup 的优势，宣布将研究或集成 Rollup 技术。从目前公开的项目来看，选择 Optimistic Rollup的项目更多一些，包括去中心化交易所、DeFi 协议、匿名服务等，很可能是因为项目方考虑到 Optimistic Rollup 的优势为支持通用智能合约，以及不会像 ZK Rollup 需要花费很多时间生成 SNARK 证明，毕竟在没有优化方案之前，可能会影响应用的使用体验。宣布采用ZK Rollup方案的项目目前并不多，但是路印 Loopring的去中心化交易所是当前 Rollup 项目中开发进度最快的一个，早在 2 月底就已经上线以太坊主网，开始了公开测试。虽然后来也遇到了前端页面的非致命漏洞，但是他们的经验会为后续很多其他即将采用 ZK Rollup 的项目提供参考和指导意义。到底可以减少多少链上的交易成本呢？路印给出了重要的实战数据，在他们采用的方案中，批量处理 4096 笔交易时，单笔交易只需要 375 Gas。也就是在正常的 Gas 费用下，每次交易成本为 0.09 分人民币（注意单位），换句话说，100 万笔交易的成本大约为900 元。但曾经研发 Plasma 技术的团队LeapDAO却认为 Rollup 技术不是万灵药。在他们进行了具体的数据分析后，为大家提供了很多值得参考的数据。根据他们的估算，整体而言 Rollup 可以为以太坊网络提升略超过 10 倍的吞吐量，因为相比 Plasma 还是牺牲了很多成本的。除了两个最流行的 Rollup 衍生版本外，还有一些以太坊二层扩容方案也采用了 Rollup 这个名字，比较常见的两个是 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 不算是通常意义上的 Rollup，更像是一种批处理技术。而 Arbitrum Rollup 在 2018 年发布论文和 2019 年发布白皮书时都未提及 Rollup，他们在今年初上线测试网时才称之为 Arbitrum Rollup。
Matter Labs 推出的是一套完整的通用型解决方案，叫做 ZK Sync。该方案考虑到了 ZK Rollup 存在的一些缺点，提出了相应的机制优化，比如之前提及的，生成 SNARK 证明耗时较长，以及较难支持通用智能合约。Matter Lab 联合创始人兼首席执行官 Alex Gluchowski 表示，「在伊斯坦布尔升级之后，ZK Sync 将处于非常有利的位置，可轻松地达到每秒数千的交易量」。为了实现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语言及框架 Zinc，在今年 2 月推出了首个版本 v0.1 Alpha。Matter Labs 表示，Zinc 是用于创建安全的零知识证明线路以及基于其运行程序的智能编程语言和执行环境，Zinc 遵循Rust原理，并基于简化的 Rust 语法，精通 Rust、C++、Solidity 等语言的开发者可在一天内快速上手。而 iden3 研究 ZK Rollup 的初衷则是为了他们原本项目考虑的。iden3 这个名字，可以想象成是 identity（身份）的 3.0，感受一下，是不是类似于「Web3」？所以 iden3 团队专注的是为数字世界提供一种开源的身份管理系统，利用零知识证明 zk-SNARK 提升隐私特性，而 Rollup 则可以增加身份认证系统和应用层在链上交互行为中交易吞吐量。
为了支持以太坊的智能合约，Optimism 已经发布了虚拟机 Optimistic Virtual Machine (OVM)的 Alpha 版本。OVM 是嵌入在以太坊虚拟机（EVM）中的副本，允许开发者使用 Optimistic Rollup 时，可使用和 EVM 相同的开发者工具集和智能合约语言。
其他 Rollup
虽然其他几个 Rollup 解决方案和上述的这些项目不太一样，但是他们都以 Rollup 命名，所以本文也做相关的整理和收集：
BLS-Rollup，可以参考 SKALE Labs 的介绍：https://ethresear.ch/t/the-optimal-snark-less-on-chain-scaling-solution/4790
Arbitrum Rollup，可以参考 Offchain Labs 的介绍：https://medium.com/offchainlabs/how-arbitrum-rollup-works-39788e1ed73f
另外还有一个基于账户的匿名 Rollup 项目：https://ethresear.ch/t/account-based-anonymous-rollup/6657
未来为了以太坊链上应用生态的发展，扩容是一个持续且重要的话题，毕竟，离以太坊 2.0 最终形态至少还有 2-3 年的时间。在此之前，DApp、DeFi、游戏等各种链上应用生态是无法规模化的，计算资源将成为重要的瓶颈，任何一个强势的 DApp 都可能迅速将链上的计算资源占满。以 3 月 12 日为例，Maker 协议因以太坊价格暴跌而发起的抵押品拍卖清算流程，就是因为整体网络拥堵而产生了巨额损失。曾经最重要的扩容方案 Plasma，在实现过程中遭遇一些问题之后，开发者社区将更多精力转移至 Rollup，因为它解决了前辈在开发过程中发现的「数据可用性」问题。虽然有一些取舍，但还是比以太坊 Layer 1 效率高上几十数百倍。而衍生出两个最重要的分支 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup ，分别选择了不同的挑战以确保安全性：是研究困难的零知识证明密码学技术，还是寻找出一套安全且照顾用户体验的博弈机制。不过，那些上百倍的提升目前还是理论值，或许是实验室环境下的最优情况，在此之前还有很多的研发工作和配套的优化。只有这些方案被实现，并且被应用集成且大规模采用之后，才能知道真实的性能，或是否有其他的弱点和问题。
毕竟实践才能出真知。Rollup 不是第一个扩容方案，也不会是最后一个。虽然我们都知道目标在哪里，但是实现的路径依旧是曲折的。
