Rollup学习指南，最流行的以太坊扩容主方案

Rollup 解决了 Plasma 和其他前辈在开发过程中发现的“数据可用性”问题。 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 解决方案已经成为当前以太坊扩容和完善的主力军。 了解ZK Rollup和Optimistic Rollup，从这篇文章开始。

撰文：潘志雄，联闻研究总监

以太坊诞生后，遇到最多的质疑就是性能问题。 在二层网络解决方案 Plasma 几乎被彻底击败后，前沿研究领域聚焦于 Rollup 技术。

目前以太坊链上的交易吞吐量（TPS）每秒可以执行不到 30 笔交易。 虽然已经接近比特币的数倍，但离大规模应用还有一段距离。 相比之下，Visa或支付宝的峰值交易处理能力至少是每秒数万笔交易。

加密货币经常被提及的用户场景之一是“跨境汇款或支付”。 以链上发行的稳定币USDT、USDC或PAX作为交易媒介。 以以太坊目前每秒20多笔交易的表现，远远不能满足全球的需求，还有很大的差距。

另一个流行的用户场景是去中心化金融（DeFi）。 3月12日“黑色星期四”期间，以太坊网络在首次大规模链上清算和交易压力测试中勉强可用，交易成本却提升了数百倍。 只有交易成本低于传统方式，区块链才会更加实用。

为了提高交易性能，以太坊设立了多个研究方向，其中第二层网络（Layer 2）解决方案Plasma曾是最重要的一个。 然而，在近两年的发展中，研究人员逐渐发现 Plasma 及其改进版 Plasma Cash 存在诸多问题，例如要求用户定时上网、数据可用性问题等，这些都制约了 Plasma 的发展。

在 Plasma 诞生一年后，一项名为 Rollup 的技术浮出水面。 基于这个理念，诞生了几个分支，其中最主流的是ZK Rollup和Optimistic Rollup。

Rollup 技术解决了 Plasma 之前暴露的问题，提供了与以太坊 Layer 1（也就是以太坊本身）相同的数据可用性和安全性，能够在降低单笔交易成本的同时极大地提升网络的吞吐量。 正因如此，虽然很多人把Rollup广义上称为Layer 2技术，但实际上它介于Layer 1和Layer 2之间。

什么是汇总？

Rollup 的核心概念其实很简单。 就是将原本分散在区块中的大量交易数据打包成一个“浓缩”的交易，发布在链上。 为了保证每一笔交易的有效性，各种Rollup方案设计了不同的机制来保证整个过程的安全性与Layer 1一致。ZK Rollup采用零知识证明zk-SNARKs密码学技术保证安全性，同时Optimistic Rollup 继承了 Plasma 的惩罚机制，保证节点作恶会付出高昂的代价。

当然，Rollup 的各种方案有不同的取舍。 例如，ZK Rollup 的缺点是更难支持通用智能合约，“压缩”数据（创建 ZK 证明）的过程需要很长时间； 而 Optimistic Rollup 的整体安全性稍差。 但各开发团队的具体实施方案针对上述权衡进行了针对性优化，部分问题得到明显改善。

Rollup 技术将有助于提升链上应用的竞争力，尤其是针对高频交易场景，有望降低转账或交易成本。 但由于自身机制的设计，相对于直接链上交易，Rollup 交易在链上的结算速度可能会慢一些。 因此，Rollup 的具体用例包括：

普通转账或付款

增强匿名性的转账或支付

去中心化交易所

去中心化身份系统

分散的社交媒体

Rollup 概念出现不到两年时间，各种 Rollup 实现方案陆续在测试网上推出，比如 Matter Labs 和 Fuel Labs 的方案，应用层的产品也在下发展。 最先上线主网的是Loopring开发的去中心化交易所，其他也宣布采用Rollup的项目还有Synthetix、Dharma、AZTEC等。

接下来，让我们详细了解一下。

等离子失败了吗？

关于区块链扩容的讨论起源于比特币网络。 瞄准比特币成为“全球支付工具”的愿景，社区、开发者和矿工最终商讨了一个将高频交易迁移到比特币之外的计划。 它是在一个虚拟的层中进行的，也可以称为“Layer 2”，而不是依赖比特币本身（Layer 1），但是最终的结算还是需要依赖Layer 1。

这就是比特币“闪电网络”的由来。 Plasma 曾经是以太坊最受瞩目的 Layer 2 解决方案，不仅因为它是 Joseph Poon 和以太坊创始人 Vitalik Buterin 联合发布的白皮书，还因为很多项目已经宣布将基于 Plasma 技术。 研究与开发。

Plasma 将高频交易迁移到以太坊网络外的侧链，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攻击的机制来保证资金的安全。 最终目标是扩大以太坊的容量，提高交易吞吐量，降低交易成本。 Plasma Group、Matic、LeapDAO、OmiseGo等团队曾是Plasma技术最重要的研发团队，部分项目还获得了以太坊基金会、Consensys等机构的资助。

但毕竟这是一个实验项目。 在项目开发过程中，暴露出很多实际问题。 两个最重要的挑战是：

尽管 Plasma 也推出了标准 Plasma Cash 的更新版本，但这些问题依然存在，最终导致 Plasma Group 和 LeapDAO 的两个研发团队在今年年初决定放弃 Plasma 技术，转而开发另一种新技术：Rollup。

Matic 仍然坚持发展 Plasma 技术。 他们计划从 5 月 15 日到 5 月底启动主网启动流程，并逐步去中心化和扩展到 100 多个节点。 Matic是否很好地处理了上述问题，值得更多时间去观察。

不管怎样，研究以太坊扩容技术的开发社区已经将更多的精力转移到研究 Rollup 上了。

为什么 Rollup 有机会？

在 Plasma 诞生一年后，匿名人士 Barry Whitehat 在 Github 上提出了“Rollup”的概念，试图用“SNARK”来扩展以太坊的容量。

SNARK是一种用于零知识证明的密码学技术，全称是“简化的非交互式零知识证明”（zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge）。

有关零知识证明的更多信息，请参阅：

Rollup这个词本身就是“卷曲”或“卷起”的意思，也可以引申为“总结”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语句将一系列搜索结果显示为聚合数据。 也许这就是他以 Rollup 命名的技术的由来。

Barry Whitehat 在提出 Rollup 概念时，是这样定义的：

“通过聚合交易，Rollup 只需要在链上进行一笔交易即可验证其他多笔交易。”

通过zk-SNARK技术实现打包交易和验证交易的方式，可以大大降低交易成本，保证安全性，解决Plasma之前遇到的问题。

有些人会将 Rollup 归类为 Layer 2 技术，但 Vitalik Buterin 不这么认为。

Rollup概念提出后，Vitalik Buterin于同月在以太坊研究论坛发表文章介绍该技术。 他解释说：“我们可以进一步增加以太坊上的资产转移交易规模，而无需使用状态通道和 Plasma 等 Layer 2 技术中引入的‘活性假设’（liveness assumption），只需要使用 ZK-SNARKs 来验证一个大量交易。”

有趣的是，“Rollup”这个名字起初并没有受到重视。 2019 年 1 月，Matter Labs 推出了一项名为“Plasma Ignis”的技术。 因为在此之前，Layer 2 的主流技术是 Plasma，他们把“Plasma 的零知识证明版”作为研究方向。 但从技术角度来看，这其实不是 Plasma 的一种，更像是 Rollup。 后来，团队彻底放弃了 Plasma Ignis 这个名字，采用了 ZK Rollup 作为技术方向。 随后，他们也推出了自己基于ZK Rollup的技术实现方案ZK Sync，并进行了更深入的定制和优化。

Matter Labs 联合创始人 Alex Gluchowski 于 2019 年 1 月发布的推文。

由于 ZK Rollup 早期概念的主要缺点是生成 SNAKR 证明的时间较长，而且也不支持通用智能合约，因此 Fuel Labs 联合创始人兼长期研究员 John Adler在以太坊二层扩容方案的基础上，2019 年 6 月提出了另一种方案，称为 Optimistic Rollup。该方案吸收了 ZK Rollup 在数据可用性方面的优势和 Plasma 的惩罚机制。 由于去掉了零知识证明，可以更方便地支持通用智能合约。

Optimistic就是“乐观”的意思，所以在这个方案中，数据经过SNARK处理后并没有聚合到链上，而是默认的“乐观”认为节点会把最新准确的数据发布到链上，否则其他人经过验证，如果发现问题，可以发起挑战，挑战成功后对节点进行惩罚。

所以综合来看，Rollup的技术相对于Plasma来说，最重要的是解决了数据可用性的问题。 所有交易数据都在以太坊链上，安全性可以与以太坊主链处于同一水平。

既然交易也是发布在链上ERC20以太坊网络链项目官方，为什么 Rollup 比普通转账吞吐量更高，成本更低？

因为在构建 Rollup 交易时，大量的普通转账行为可以通过一些技术进行压缩。 最后，通过零知识证明对SNARK进行处理后，虽然SNARK的生成过程较长，资源消耗（Gas）较大，但在每笔交易中都会分配给Insignificant。 Vitalik Buterin 最初的提案中有具体的数据可供参考，虽然后续会有各种实现和差异。

在他的方案中，单笔交易的结构如下：

与普通链上交易所需的21000 gas费相比，上述单笔交易的体积有所缩减（例如以太坊地址为20个字节，而以上只需要3个字节），因此一共只需要892 Gas .

但由于 SNARK proof 消耗的计算资源较多，大约需要 600k Gas，运行合约需要大约 50k Gas，这意味着需要批量处理大量交易，才能分担数百 k 的间接成本。

如果以太坊单块Gas上限按8M计算，如果是纯ETH交易，吞吐量约为：

8M / 21k / 15 秒 ≈ 25 tps

这种情况下的吞吐量大约是：

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

这也是为什么 Rollup 不仅能保证 Layer 1 数据的可用性，还能大大降低数据需求，降低单笔交易成本的主要原因。

除了上面提到的Rollup解决方案研发团队，很多应用层项目也看到了Rollup的优势，纷纷宣布要研究或集成Rollup技术。 从目前公开的项目来看，选择Optimistic Rollup的项目较多，包括去中心化交易所、DeFi协议、匿名服务等，可能是因为项目方考虑到Optimistic Rollup支持一般智能合约的优势，并不会需要花费大量时间来生成像 ZK Rollup 这样的 SNARK 证明。 毕竟在没有优化方案之前，可能会影响应用体验。

宣布采用ZK Rollup方案的项目并不多，但路印协议的去中心化交易所是目前Rollup项目中发展进度最快的一个。 早在2月底，它就已经上线以太坊主网并开始公测。 虽然后来他们也遇到了前端页面的非致命漏洞，但他们的经验将为很多其他即将采用ZK Rollup的项目提供参考和指导。

链上交易成本能降低多少？ Loopring给出了重要的实战数据。 在他们采用的方案中，当批量处理4096笔交易时，单笔交易只需要375 Gas。 也就是说，在正常的Gas费下，每笔交易的成本是0.09美分（注意单位），换言之，100万笔交易的成本约为900元。

但曾经开发 Plasma 技术的团队 LeapDAO 认为 Rollup 技术并不是万能的。 他们进行了具体的数据分析之后，给大家提供了很多值得参考的数据。 根据他们的估计，Rollup 可以将以太坊网络的吞吐量整体提高 10 倍多一点，因为它与 Plasma 相比仍然牺牲了很多成本。

除了最流行的两个衍生版本的 Rollup 之外，还有一些以太坊二层扩展方案使用了 Rollup 这个名字。 比较常见的两种是SKALE Labs提出的BLS-Rollup和Offchain Labs提出的Arbitrum Rollup。

不过，Optimistic Rollup 的作者 John Adler 认为，BLS-Rollup 并不是通常意义上的 Rollup，更像是一种批处理技术。 然而，Arbitrum Rollup 在 2018 年发布论文和 2019 年发布白皮书时都没有提到 Rollup，他们只是在今年早些时候推出测试网时称其为 Arbitrum Rollup。

ZK Rollup 进度

在 ZK Rollup 技术研发方面最重要的公司是 Matter Labs 和 iden3，它们都推出了测试网。 但是他们的产品定位略有不同，Matter Labs更像是一个通用的解决方案，而iden3是一个专用的解决方案。

Matter Labs 推出了一个完整的通用解决方案，称为 ZK Sync。 该方案考虑了ZK Rollup的一些不足，提出了相应的机制优化。 比如前面提到的ERC20以太坊网络链项目官方，生成SNARK证明需要很长时间，很难支持一般的智能合约。 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 将处于非常有利的地位，可以轻松达到每秒数千笔交易”。

为了满足通用智能合约的需求，Matter Labs 还推出了零知识证明智能编程语言和框架 Zinc，并于今年 2 月推出了第一个版本 v0.1 Alpha。 根据 Matter Labs 的说法，Zinc 是一种智能编程语言和执行环境，用于创建安全的零知识证明电路并基于它们运行程序。 Zinc 遵循 Rust 原则，并基于简化的 Rust 语法。 精通Rust、C++、Solidity等语言开发，读者可一日快速上手。

iden3 研究 ZK Rollup 的初衷是为了他们原来的项目。 iden3这个名字可以想象成identity 3.0。 感受一下，是不是有点类似于“Web3”？ 因此，iden3团队专注于为数字世界提供一个开源的身份管理系统，使用零知识证明zk-SNARK提高隐私特性，Rollup可以增加链上身份认证系统和应用层的交易吞吐量相互作用。

从应用层的角度来看，路印协议和AZTEC分别解决了用户的链上交易和隐私需求。 Loopring的去中心化交易所是目前Rollup项目中发展进度最快的一个。 早在2月底，它就已经启动了以太坊主网并开始公测。

AZTEC 是一种隐私技术解决方案。 它在今年 2 月推出了以太坊主网，但他们仍在考虑使用 Rollup 技术来大幅降低以太坊网络中隐私交易的成本。 他们最初在隐私技术中采用了零知识证明ZK，而扩展方案选择了ZK Rollup，因此他们将新方案命名为ZK ZK Rollup，或ZK² Rollup。 第一种ZK是利用SNARK技术中的“简洁性”来提高网络的可扩展性，将多笔交易合二为一，降低交易成本。 第二个ZK是利用SNARK作为一种隐私技术，将之前的每一笔正常交易升级为隐私交易。

Optimistic Rollup 进度

Optimistic Rollup 技术最重要的公司是 Fuel Labs、Optimism（前身为 Plasma Group）和 NutBerry，它们开发了通用的 Optimistic Rollup 解决方案。 与 ZK Rollup 相比，由于去除了复杂的零知识证明等复杂的密码学技术，更容易支持通用智能合约。

虽然 Optimistic Rollup 相对于 Plasma 具有增加数据可用性的优势，但它也直接吸收了 Plasma 之前的成果。 除了使用同一套游戏和惩罚机制外，Optimism 团队表示，这两个解决方案可以共享很多基础设施和代码。 此外，他们认为，对于一个成熟的 Layer 2 生态系统，Rollup、Plasma 和状态通道应该能够在同一个客户端（智能钱包）中协同工作。

事实上，在 2019 年底，在 Plasma Group 公开放弃 Plasma 技术之前，成立了一家名为 Optimism 的新公司，专注于实施 Optimistic Rollup。 10,000 美元的种子轮融资。 新筹集的资金将主要用于实施 Optimistic Rollup 解决方案并构建基于该解决方案的应用程序。 尽管它是一家商业公司，但该研究小组表示希望继续为开源项目做出贡献并与公众分享他们的研究成果。

为了支持以太坊上的智能合约，Optimism 发布了其 Optimistic 虚拟机 (OVM) 的 Alpha 版本。 OVM 是嵌入在以太坊虚拟机 (EVM) 中的副本，允许开发人员在使用 Optimistic Rollup 时使用与 EVM 相同的开发工具集和智能合约语言。

一开始，Optimistic Rollup 被称为“Minimal Viable Merged Consensus”。 去年 6 月 John Adler 提出这个概念后，成立了 Fuel Labs 来实施他们的扩张计划。

Fuel Labs 将开发一条去信任的以太坊侧链 Fuel，专为以太坊链上的支付而设计。 在伊斯坦布尔升级之前，保守估计可以将以太坊ERC-20代币的交易成本降低到原来的五分之一。

今年1月，Fuel Labs推出了基于Optimistic Rollup的以太坊侧链Fuel的公共测试网，代码也已经开源。 值得注意的是，他们测试网的合约已经支持所有的ERC-20代币，毕竟ERC-20是一种智能合约。 3 月下旬，他们宣布推出一种新的以太坊底层语言 Yul+，作为对 Yul 的实验性升级，为 Yul（一种用于以太坊虚拟机的低级中间语言）添加各种 QoL 功能。 Yul 是 Solidity 开发者为了进一步优化编译目标而编写的低级中间语言。 它简单且具有实用的低级语法，允许开发人员比 Solidity 更接近原始的以太坊虚拟机（EVM），同时优化 gas 费用以提高效率。

NutBerry 的影响力不如上述两者，但他们的目标是开发基于 Optimistic Rollup 的 Layer 2 解决方案，并支持有状态的智能合约。 该项目最先发布在以太坊研究论坛上，描述该项目将分为四个里程碑：支持ERC-20标准、支持ERC-721标准、支持无状态智能合约、支持有状态智能合约（即可以存储数据的智能合约）。 NutBerry 在今年 2 月发布了第二个测试网络，该网络已经支持 ERC-712（以太坊类型的结构化数据哈希和签名）。

Optimistic Rollup 的应用层产品相对较多，可能是因为它更容易支持智能合约，所以对于 DeFi、DEX 或隐私服务等需要智能合约处理逻辑的应用来说更方便。

这些应用会在未来一两个季度陆续上线，用不了多久你就可以体验到。

其他汇总

其他几个Rollup解决方案虽然和上述项目不太一样，但是都是以Rollup命名的，所以本文也整理收集一下：

未来

对于以太坊链上应用生态的发展，扩容是一个持续而重要的课题。 毕竟距离以太坊 2.0 的最终形态至少还有 2-3 年的时间。 在此之前，DApp、DeFi、游戏等各种链上应用生态无法规模化，计算资源将成为重要瓶颈。 任何功能强大的 DApp 都可能很快填满链上的计算资源。 以3月12日为例，由于以太坊价格暴跌，Maker协议发起的抵押品拍卖清算流程，导致整体网络拥堵造成巨额损失。

Plasma 作为有史以来最重要的扩展方案，在实现过程中遇到了一些问题，开发者社区将更多的精力转移到了 Rollup 上，因为它解决了前人在开发过程中发现的“数据可用性”问题。 虽然有一些取舍，但它仍然比以太坊 Layer 1 效率高出数十倍或数百倍。ZK Rollup 和 Optimistic Rollup 这两个最重要的分支选择了不同的挑战来确保安全性：是否研究困难的零-知识证明密码学技术，或者寻找一种既安全又兼顾用户体验的游戏机制。

不过那几百倍的提升目前还是理论值，可能是实验室环境下的最优情况。 在此之前，还有大量的研发工作和配套优化。 只有在这些解决方案落地、被应用集成并被大规模采用之后，才能知道真正的性能，或者是否存在其他弱点和问题。

毕竟，只有实践才能带来真知。 Rollup 不是第一个扩展解决方案，也不会是最后一个。 虽然我们都知道目标在哪里，但实现目标的道路依然曲折。

由浅入深全面了解以太坊2.0