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歐易OKEx研究院:全面解析以太坊二層擴容方案 Rollup 發展歷史與原理機制_ROL:ROLL

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Time:1900/1/1 0:00:00

原文標題:《歐易OKEx研究院:以太坊中場戰事---Rollup的實與虛》

撰文:歐易OKEx研究院

自以太坊誕生以來,其低下的交易處理能力,導致以太坊網絡時常發生堵塞,且Gas費用高漲,嚴重地限制了以太坊生態的發展。為此,以太坊擴容問題一直被市場所關注,在DeFi大爆發的背景下,側鏈、狀態通道、Plasma等Layer2擴容方案都無法滿足市場的要求,Rollup成為了時代的寵兒。

當然,Rollup并不是一種純粹的Layer2方案,而是更像Layer1和Layer2的混合體:數據在鏈下進行計算并打包壓縮,隨后鏈上進行存儲。此外,為了解決數據的真實性和有效性,保障資產安全,Rollup推出了使用「有效性證明」的ZK-Rollup,以及沿用Plasma「欺詐證明」的OptimisticRollup。

綜合而言,ZK-Rollup和OptimisticRollup各有優劣,ZK-Rollup適用于支付、交易等非合約領域,成本低且速度快;而OptimisticRollup因為OVM的存在,目前適用于智能合約應用領域;但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM,未來ZK-Rollup可能會取代OptimisticRollup。

但是,Rollup的擴容上限取決于區塊Gas消耗量的上限,因此只能成為以太坊在未來短中期的擴容方案,以解決DeFi生態的燃眉之急,從長期看,要根本性地解決以太坊擴展性問題,還仰仗以太坊2.0分片技術的順利實現。

不過值得注意的是,Rollup協議可以捕獲價值,在經濟上具有可持續性。可以預見的是,Rollup項目發行的代幣將具有巨大的投資潛力。

經過近兩年的蟄伏,以太坊的Rollup擴容方案終于走到了要開花結果的黎明前夕:今年2月,Optimism宣布完成了A輪融資,并將于三月上線主網;來自MatterLabs的ZkSync,其主網也于去年上線,并將在今年推出支持圖靈完備的智能合約;此外,另一個受行業矚目的Rollup方案---Arbitrum,也將于今年上線主網。

Animoca Brands宣布成為Celo網絡驗證者:金色財經報道,據香港元宇宙游戲及數字產權公司Animoca Brands官網披露,該公司已加入低碳EVM兼容區塊鏈Celo生態系統,旨在拓展新數字經濟,并將在Celo的移動優先基礎設施和任務驅動的生態系統上擴展Web3 游戲,以及制定后續的戰略合作計劃。據悉,Animoca Brands是加入Celo生態成員中的首個游戲管理公司,同時還將成為Celo網絡驗證者以支持網絡安全,目前Celo網絡驗證者還包括 德國電信、Coinbase Ventures、a16z等。[2023/6/22 21:53:49]

表1.Rollup方案進展情況,資料來源:歐易OKEx研究院

在Rollup夜盡天明之時,市場也對其充滿了期待與追捧。但從實際情況看,很多投資者和以太坊用戶對Rollup的認知并不清晰,不過在總體上達成了共識:Rollup很重要,是以太坊的未來。

這句話的前半部分是對的,Rollup對當前的以太坊而言,確實是重要的;但后半部分卻是不準確的,Rollup并不是以太坊的未來。更切確地說,Rollup只代表了以太坊的中短期擴容方案,是以太坊解決網絡擁堵問題的中場戰事,從長期看,要根本性地解決以太坊擴展性問題,還仰仗以太坊2.0分片技術的順利實現。

想要正確地理解、預測Rollup的未來,把握其中的財富機會,我們還需要從Rollup的歷史脈絡、原理機制方面進行剖析。

以太坊的擴容戰爭和Rollup的崛起

自以太坊誕生以來,其低效的性能就不斷受到市場的病垢:以太坊網絡的TPS約為15筆/秒,而Visa網絡則是2000筆/秒,雙十一期間支付寶更是達到50萬筆/秒。低下的交易處理能力,導致以太坊網絡時常發生堵塞,且Gas費用高漲,尤其是在2017年的大牛市,以及自2020年興起的DeFi浪潮期間這一現象尤為突出,嚴重地限制了以太坊生態的進一步發展。

BitMEX聯創Arthur Hayes向Coinbase轉入約7.5 萬枚USDC:金色財經報道,據Lookonchain監測,BitMEX聯創Arthu rHayes于北京時間今日12:00左右向Coinbase轉入約7.5萬枚USDC,此前其曾在推特表示計劃購買一些山寨幣。據Lookonchain統計,目前Arthur Hayes控制的0xA86e開頭和0x534A開頭地址中,持有的代幣包括以太坊、GMX、ENS、LOOKS、WILD、FXS以及SUSHI等,總價值近3000萬美元。[2023/6/7 21:21:53]

圖1.以太坊網絡日均交易筆數和Gas消耗量變化,資料來源:Etherscan,歐易OKEx研究院

解決區塊鏈網絡的擁堵,提升公鏈的可擴展性,逐漸成為行業關注的重點。各種區塊鏈的擴容方案也紛至沓來,主要包括兩大類:

鏈上擴容方案,也叫Layer1方案,主要通過提高區塊鏈本身的交易容量來實現擴容。常見的Layer1方案有增大區塊容量,隔離見證,分片技術。

鏈下擴容方案,也叫Layer2方案,主要通過第二層協議在鏈下執行大部分交易,以降低成本提高效率。目前主流的Layer2方案包括狀態通道、側鏈、Plasma。

圖2.區塊鏈擴容主要方案,資料來源:歐易OKEx研究院

在以太坊發展早期,人們普遍認為側鏈技術是解決區塊鏈擴容問題的最佳方案。所謂側鏈,即平行于主鏈的另一條獨立的區塊鏈,通過將部分交易以托管的方式轉移到側鏈,以此實現主鏈擴容,但這帶來兩個嚴重問題:首先,側鏈上的資金安全得不到保障,一旦黑客控制住了某條側鏈,就可以將側鏈上的資金盜走;其次,側鏈不能保證數據的可得性,只要黑客控制了側鏈,就可以拒絕分享底層交易數據,對主鏈安全性造成重大打擊。

圖3.側鏈技術方案原理,資料來源:歐易OKEx研究院

為了解決側鏈存在的問題,并實現以太坊擴容,以太坊創始人Vitalik在2017年推出了名為「Plasma」的Layer2擴容方案。Plasma的特別之處在于設計了一套欺詐證明機制:Plasma將特定的底層數據發送給用戶自己進行保管,解決了數據可得性問題;此外,Plasma有一個「退出期」設計,即便黑客取得側鏈的控制權并嘗試取款時,任何用戶都可以在「退出期」內提交證據來進行挑戰,如果挑戰成功,任何人都不能提取這筆資產,并且運營方也將被罰款,由此保證了數據的真實、有效和準確性,解決了資金安全性問題,。

近7天有19,974.98枚BTC流入交易所錢包:金色財經報道,數據顯示,近24小時內有3,360.3枚BTC流入交易所錢包,近7天有19,974.98枚BTC流入交易所錢包,近30天有4,359.12枚BTC流入交易所錢包。截至發稿時,交易所錢包合計余額為1,919,929.45枚BTC。[2023/3/20 13:14:13]

然而,Plasma解決了側鏈的問題,卻產生了新的問題:首先,用戶必須每兩周上線一次,以實現對Plasma鏈的監控,否則錯過了「退出期」,黑客就可以取出資產;其次,用戶必須自己保存底層交易數據,以保證數據的可獲得性,但卻給用戶帶來巨大的存儲成本。因此,Plasma對用戶并不友好,體驗極差。在2018年的大熊市背景下,曾經被以太坊社區基于厚望的Plasma方案也逐漸被拋棄。

事實上,即便沒有2018年的大牛市,Plasma也難以適應以太坊生態的發展---從2019年開始,DeFi逐漸興起,以Uniswap為代表的AMM更是成為其中的佼佼者。對于Uniwap上的流動性提供者而言,其存放在交易池中的資產,很容易發生改變,不可能滿足Plasma方案中對LP每次交易時都進行挑戰驗證的要求。事實上,大量的DeFi協議都可以在不經用戶同意下改變賬戶狀態,因此Plasma在DeFi時代是注定沒落的。

圖4.Layer2擴容方案的演化發展,資料來源:歐易OKEx研究院

同樣地,狀態通道也存在側鏈和Plasma面臨的問題:狀態通道不能代表那些邏輯上沒有明確所有者的對象(如Uniswap),需要對象都是明確的資產所有者。

因此,在DeFi對于以太坊生態越來越重要的今天,無論是狀態通道、側鏈,還是Plasma,都無法滿足以太坊的現實需求。與其說是V神對Rollup起到了決定性的推動作用,不如說是時代選擇了Rollup。那么Rollup的特殊之處在哪呢?

Rollup原理解析

BitDAO推出模塊化以太坊Layer 2網絡Mantle:11月30日消息,BitDAO宣布推出模塊化以太坊 Layer 2 網絡Mantle。BitDAO 表示,該網絡堆棧包含三層,一層用于交易執行,而另外兩層分別處理交易的完成和數據可用性。Mantle 的交易費用將使用 BIT 支付,并計劃于明年推出激勵測試網。[2022/11/30 21:13:07]

在解析Rollup之前,我們不妨了解Plasma的擴容方式:在鏈下,由Plasma運營者將等待批量處理的交易匯總起來,生成一個梅克爾樹,樹中每個葉子可以代表一筆交易資產的信息,如果沒有交易,則葉子值為0。隨后,Plasma將梅克爾樹的樹根發送給主鏈上鏈,同時將梅克爾樹的分支發送給用戶保管。

因此,主鏈實際上只保存了梅克爾樹根的哈希值,而通過梅克爾樹根的引索,可以找到分支葉子中的具體交易信息,但這些具體的交易信息,而是由用戶在鏈下存儲,因此節省了鏈上區塊大量的空間,實現了主鏈的擴容。

圖5.Plasma擴容原理,資料來源:Plasma白皮書,歐易OKEx研究院

但正如前面所言,由用戶在鏈下保存具體的交易信息,在數據可用性上打了折扣,也不適用于DeFi應用。為此,以太坊社區提出了一種新方案:將交易數據壓縮并放在鏈上,這就是Rollup方案。

具體而言,Rollup將交易數據進行壓縮編制成梅克爾樹,并存儲在鏈上;同時在智能合約中保存梅克爾樹的樹根。Rollup的運營方可以將發布一批匯總交易,該交易即壓縮過的交易集合,而且包含之前的狀態根和新狀態根(處理交易之后的新梅克爾樹根)。智能合約會對狀態根進行檢查并更新,由此實現資產的轉移。

當然,從上我們可以看出,Rollup并不是一種純粹的Layer2方案,而是更像Layer1和Layer2的混合體:數據在鏈下進行計算打包,但在鏈上進行存儲。因此將Rollup稱為半鏈下擴容或semi-layer2方案更為合適。

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圖6.Rollup擴容原理,資料來源:Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups,歐易OKEx研究院

用一個形象的比喻,現在我們要保存很多電影,Plasma類似于我們將電影存儲在電腦上,然后只在U盤上保存一個目錄文件,根據這個目錄文件的指引,我們可以方便地找到任何一部電影在電腦中的位置;而Rollup的方法則是先將電影進行壓縮,隨后再全部保存到U盤中。這樣一來,我們就可以在U盤中存儲更多的電影。

那么Rollup是如何實現壓縮的呢?---主要是對交易的參數進行壓縮,主要包括Nonce,Gasprice,Gas,To,Value,Signature,如下表所示:

表2.Rollup壓縮方式,資料來源:Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups,歐易OKEx研究院

在過去,一筆交易需要占用112字節的存儲空間,現在只需要12字節的空間,一個字節大約花費16Gas;而在以太坊上,Gas上限是1250萬,我們假設Rollup需要花費50萬Gas,那么在Rollup上,其交易處理能力是:

/每字節的Gas消耗量/一筆交易字節數/出塊時間=/16/12/14=4464筆/秒

目前在以太坊上進行一次轉賬需要消耗約21,000Gas,這意味著如果全部用來轉賬,那么以太坊的最大交易處理能力為:區塊Gas消耗量上限/單筆轉賬Gas消耗量/出塊時間=12,500,000/21,000/13=45筆/秒

這意味著Rollup在轉賬場景下降以太坊的TPS提升了100倍。同樣地,根據Vitalik的計算,在ERC20轉賬、Uniswap運用場景,可實現同條件下以太坊TPS擴展100-400倍。

前面的分析一直很順利,但我們忽略了一個與側鏈技術類似的重要問題:如何防止Rollup運營方偽造數據進行盜取資產呢?以太坊社區提出了兩個方案:使用「有效性證明」的ZK-Rollup,以及沿用Plasma「欺詐證明」的OptimisticRollup。

ZK-RollupVSOptimisticRollup

首先我們看實現有效性證明ZK-Rollup方案。ZK-Rollup即采用ZK-SNARK來保證交易的安全性。

"零知識證明"是由S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff在20世紀80年代初提出,指證明者能在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下,使驗證者相信某個論斷是正確的。

一個經典的例子:有一個缺口的環形長廊,出口和入口距離非常近,但走廊中間某處有一道只能用鑰匙打開的門,Alice要向Bob證明自己擁有該門的鑰匙。采用零知識證明,則Bob看著Alice從入口進入走廊,然后又從出口走出走廊,這時Bob沒有得到任何關于這個鑰匙的信息,但是完全可以證明Alice擁有鑰匙。

圖7.零知識證明案例,資料來源:歐易OKEx研究院

從上我們可以看出,ZKP具有計算的不對稱性。在ZK-Rollup的方案中,由Rollup運營方投入大量資源以執行ZK-SNARK計算并放在匯總交易中,而智能合約可快速低成本低證明交易安全性。因此ZK-Rollup有諸多好處:能在保護隱私的同時簡潔快速地驗證數據的真實有效性;但其缺點是計算量大,技術難度高且難以支持虛擬機。

在前面的Plasma方案中,我們已經介紹過其設計的「欺詐證明」機制,可實現交易數據的真實、有效和準確性,保證了資產的安全。OptimisticRollups正是沿用了該機制:這類Rollup會追蹤所有歷史狀態根以及每個batch的哈希值。如果任何人發現某個batch的后狀態根不正確,都可以向區塊鏈發布一個證明,證明該batch計算錯誤。智能合約會對證明進行驗證,并且對該batch及其之后的batches進行回滾。

Optimistic選擇了Plasma的欺詐證明機制,即意味著有像Plasma一樣漫長的「退出期」,這極大地降低了資金的利用效率,但好消息是,隨著DeFi生態的成熟,可以有大量的流動性提供者為用戶在「退出期」內提供資金,可有效解決資金利用抵消的問題。此外最重要的是,OptimisticRollup也繼承了Plasma的OVM,這意味著可在OptimisticRollup網絡部署兼容以太坊EVM的智能合約,這一點對DeFi尤為重要。

表3.ZK-Rollup和OptimisticRollup性能對比,資料來源:Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups,歐易OKEx研究院

綜合而言,ZK-Rollup和OptimisticRollup各有優劣,ZK-Rollup適用于支付、交易等非合約領域,成本低且速度快;而OptimisticRollup因為OVM的存在,目前適用于智能合約應用領域;但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM,未來ZK-Rollup可能會取代OptimisticRollup。

Rollup的未來與財富機遇

從上面我們可以看出,相較于其他Layer2方案,Rollup能更好地保證數據的安全性和數據的可得性,然而Rollup真的是以太坊的未來嗎?

并不是,從Rollup的擴容方案可以看出:區塊Gas消耗量的上限即是Rollup方案的上限。這類似于早高峰時乘坐地鐵,為了使地鐵車廂能裝更多的人,我們可是再擠更多的人進車廂。然而,再怎么壓縮,也是有上限的。在未來隨著區塊鏈應用的不斷發展,我們僅僅會為了最多擴容100倍而滿足嗎?所以從長期看,以太坊擴容的未來還是取決于以太坊2.0分片技術的順利實現。

然而,根據以太坊官方的規劃,以太坊2.0分片的實現可能要等到2030年了。但即便在目前,由于DeFi的大熱,以太坊早已擁擠不堪,Gas費高企。幾年前的狀態通道、Plasma等Layer2方案無法滿足DeFi的要求,分片技術又是一個遙遠的目標。正是「往者不可諫,來者也不可追」,Rollup自然而然成為了在短中期應對以太坊擴容方案的最佳方案,成為邁向以太坊2.0的中場接力手。

當然,Vitalik主推Rollup的另一個原因在于:Rollup協議可以捕獲價值,在經濟上具有可持續性。

先談經濟價值,Rollup可以緩解以太坊的擁堵,降低Gas費。節約出來的成本,其中的部分就可以轉化為Rollup協議的收入,并具有經濟上的可持續性。

那么Rollup為什么可以捕獲價值呢?這與Rollup的特殊性有關:數據放在主鏈上,僅僅是在鏈下進行數據計算。這種介于Layer1和Layer2的混合方案,使得Rollup成為主鏈上一個特殊Dapp應用,因此Rollup項目是可以在主鏈上發行基于該Rollup協議的代幣,能通過代幣來捕獲協議的價值。

可以預見的是,在未來幾個月Rollup大爆發后,將會有眾多Rollup發行項目代幣,那些愿意將協議經濟價值附著在代幣上的項目,其代幣將具有很大的投資潛力。

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