以太坊重要擴容方案: Optimistic Rollup現狀報告(上)

如果不是因為這篇研究報告是受 MolochDAO 之托而作，我想 DAOSquare 應該不會翻譯如此“技術性”的學術論文（至少現階段不會）。不過，以太坊的擴展性的確是一個重要且熱門的話題，現有的解決方案包括 Optimistic Rollup、Zk Rollup，而 Optimistic Rollup 則是一個提出時間并不長的新興方案，它被認為是最有前途的擴容方案。那么時至今日它的發展情況如何？前景又如何？本文作者 Daniel Goldman 通過大量的調研完成了此份報告，現在，DAOSquare 將這份成果分享給大家！不過由于篇幅過于“宏大”，我們將分三期奉上，本篇為第一部分。

作者：Daniel Goldman（丹尼爾·戈德曼）自由軟件工程師、技術顧問、作家

譯者：Emma、Snow Lu

校對：Samuel

以太坊新興 Optimistic Rollup 生態系統的技術概覽 

             

Optimistic Rollerball (Daniel Goldman original, 2020)

以下報告由 MolochDAO 授權制作，John Adler 提供相關意見/復審；但此篇所有觀點均代表本人。此外，項目評估僅為該報告發稿時的狀態簡況（2020年2月）。事事均在變化，不做過度承諾。

以太坊未確認交易為182,457筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易182,457筆，當前全網算力為483.77TH/s，全網難度為6.42P，當前持幣地址為57,607,412個，同比增加194,115個，24h鏈上交易量為2,965,498.55ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/4/8 19:59:43]

籠罩以太坊擴容社區的陰霾--Optimsitc Rollup

2019下半年，Optimistic Rollups (ORU或Optiroll) 作為以太坊 Layer 2 擴容協議迅速興起大熱。本文旨在概述新興 ORU 的開發生態系統至發稿時的簡況（2020年2月）。 我們先將 ORU 理論屬性放于 Layer 2 設計空間大背景下，之后比較不同項目的方法和技術設計決策以及其中的各種取舍。9個項目包括： 

Fuel Labs

ANON

Whitehat, Cellani, Lim ( hereby “WCL”)

Pinkiebell

Offchain Labs

Interstate Network

Optimism

IDEX

Celer

點擊此處回顧他們的差異性。最后，我們將深入探討一些定性問題，這些問題將圍繞以上項目如何在空間中發揮自己的作用。

背景 & 理論

以太坊24h鏈上交易量下降15.57%:金色財經消息，據歐科云鏈OKLink數據顯示，以太坊24h鏈上活躍地址數逾53.22萬，環比下降1.92%；鏈上交易量近362.36萬ETH，環比下降15.57%；當前以太坊建議Gas費用為105.97Gwei，環比下降21.49%。[2020/12/31 16:09:56]

盡管美名在外，但開放且未授權的區塊鏈也有很多問題：網絡中的所有完整節點必須可見，并驗證系統處理的每筆交易； 超低效率（相較中心化數字支付系統而言）是加密貨幣備受爭論的擴容挑戰的核心。

Layer 2 協議是減輕此類負擔的一類方法。將所有的節點全部驗證所有交易，變為僅由感興趣的各方（例如那些希望獲得自己資金的人）對交易的某些子集進行本地驗證，以此（以某種方式，形狀或形式）來轉移這種負擔 。 重要的是，他們保留基本層無需信任的安全模型，同時無需依賴用戶自己運行的軟件以外的資源。

數據可用性：解決 

在以太坊 Layer 2 研發的早期階段，研發人員計劃在隱含假設下運作，即基礎層“減輕驗證負擔”就是完全將（某些）交易數據隔離在區塊鏈之外。 （請參閱 Josh Stark 2018年初的文章 Making Sense of Ethereum’s Layer 2 以了解當時的思維方式）。 

加密貨幣協議有其內在的經濟屬性，可以激勵區塊生產者及時地、廣泛地共享區塊（除非是自私挖礦等邊緣情況 selfish-mining edge cases）； 區塊鏈基礎層有時被稱為“數據可用性引擎”。 確保數據是（完全）公開的，可以保證其能夠進行驗證，并且無效交易幾乎無法通過。

鴨哥：波卡平行鏈落地后可媲美以太坊2.0分片:8月26日消息，波卡生態網站doter.io創始人鴨哥在做客HyperPay焦點欄目時提及：以太坊擁堵導致gas費用高，本質是因為以太坊性能是有限的，各個DApp都要爭奪執行的權利。而波卡的異構分片機制，就好像一個機房，把每個服務器都劃分了區域，單獨去服務一個項目，各個區塊鏈之間都在這個機房找到了合適自己的服務器，再也不用去爭奪執行資源，而是可以按需分配，按需付費，天然避免擁堵和gas費用高的問題。所以，當波卡的平行鏈落地之后，實際上已經可以媲美以太坊2.0的分片技術。[2020/8/26]

因此，在Layer 2的場景中，如果要將數據完全隔離在鏈外，將不再能保證我們有這種數據可用性； 因為那些擔心數據有效性的人可能會隱瞞數據。 因此，我們必須弄清楚，在這種極端情況下，如何以某種方式確保不會發生無效的狀態更新。 對于Layer 2系統，數據隱瞞問題始終是最難最壞的情況；因為最糟糕的就是在沒有信息的情況下去探尋事實。

如果我們的定義足夠寬松，針對該數據隱瞞問題的所有解決方案都可以分為兩大類：狀態通道和Plasma（channels and Plasma）。 如果兩方在一個通道中，雙方一致同意后，鏈下數據的更新才真正有效。 因此，如果 Alice 選擇保留 Bob 的數據，Alice 將處于最新狀態； 保留數據對她沒有好處。 相比之下，Plasma 則沒有雙方一致同意的這一要求。 這直接導致在 Plasma 中，如果用戶沒有任何直接證據，則可能發生無效更新。即使在這種情況下，Plasma 仍可以保證用戶持有必要的鏈下數據，在交互質疑期中證明并確保其資產所有權。

動態 | 黑客正在持續嘗試將盜得的以太坊小額充值到交易所:據Tokenview鏈上數據監測，今日Upbit被盜的以太坊有少量流入Cryptonator和MXC交易所，截止目前流入交易所超過600ETH。目前黑客已經將被盜的以太坊分散多個地址，中間的地址層級達10層以上，并在持續進行分散。[2019/12/6]

就實際結果而言，狀態通道已成為第一個 Layer 2 構造。人們很容易理解，且狀態通道（可能）確實解決了一些基礎的研究挑戰，我們的確也看到狀態通道在比特幣和以太坊上的應用。 狀態通道具有一些實用屬性，例如即時交易，這些屬性非常契合一些特定應用程序的需求。 盡管是較通用的擴容方案，但在某種程度上仍受限制。 從本質上講，通道之間是彼此獨立的，且免信任的連接將導致資本效率低下，及/或受制于可用的流動路徑。 （我之前在 Bitcoin’s Lightning Network 發表了相關限制以及解決策略。）

Plasma 有望提供一種用途更廣，側鏈式擴容方案，使參與者之間可以更輕松地進行信息交互，但是它的發展路程卻更艱難。 有關 Plasma 技術挑戰的細節不在本文討論范圍之內。 但是，（非常）簡單來說，不能保證數據可用性的這種特質，讓很多特性難以立刻保留，例如：支持任意計價支付，用戶的驗證/存儲要求最小化，避免大批量退出方案，以及支持智能合約邏輯 。 雖然可以緩解這些問題，但是解決一個障礙的代價往往是加劇另一個障礙。 簡而言之，很難做到完全正確，即使這些構造足夠可行，其復雜性也會讓實踐變得困難而緩慢。 （我已在此處及此處發表分析了 Plasma Cash 及其變體的合理進展及其帶來的挑戰。

莫斯科在以太坊平臺上搭建投票系統:莫斯科正在進行一項名為Active Citizen的民主活動。通過這項活動，市民們可以投票決定新地鐵的名字，新建體育館座位的顏色等。為了緩解人們對投票真實性的擔憂，莫斯科還在該項目體系中增加了基于以太坊區塊鏈的私有版本。該市的戰略和創新顧問Andrey Belozerov表示：“并非所有的選票都值得信賴。所以，我們決定使用Active Citizen的區塊鏈項目作為電子信任平臺。”[2018/2/21]

Plasma 的問題讓甚至一些人認為其會消失（declare its demise）。 即使有人認為這種說法還為時過早（例如我），但是毫無疑問，Plasma 比預期設想的更加困難復雜，而且傳輸結果的空間速度比最初希望的要慢。 隨著 Plasma 的停滯，以太坊社區渴望類似非監管下的、具有側鏈特性的事物。此時，就研究和實施狀態而言，Optimistic Rollup 出現了。 

數據可用性：讓步

我們可以在各種先前的提案中發現目前 Optimistic Rollup 的構造痕跡，比如 Shadowchains, Coinwitness, bulk validation with ZK-SNARKS (現在稱之為 ZK-Rollup), 以及2015年初的一場關于Arbitrum 的學生演講等。

就目前了解而言，John Adler 和 Mikerah Quintyne-Collins（又稱““Bad Crypto Bitch ”）將協議基礎稱為“合并共識 Merged Consensus”。 先前的 Plasma Group 團隊（現為 Optimism，下文介紹）在一篇博客文章中描述了類似原理，并在 Optimistic Layer 2 游戲語義分析中將其定為框架，命名為 Optimistic Rollup（無論出于何種原因），并最終確定。

Optimictic Rollup 采用前一段中所述的框架并把它翻轉過來；ORU 并不打算在數據隱瞞的情況下保留非監管性，而是采取了一種更直接的方法，即直接要求將交易數據發布在鏈上，更具體地說，要求將足夠的數據發布在鏈上，以便任何運行以太坊節點的人都可以重建 ORU 的狀態。 擴容的好處在于，Layer 1 僅需發現數據并將其 Merkle 樹化為區塊根，無需執行任何操作；（理想情況下）計算僅在 Layer 2 執行。因此，交易數據作為呼叫數據發布在鏈上，并且不存儲在狀態中；因為狀態容量增長和計算成本（可能）是以太坊擴容的核心瓶頸，這具有不小的增長空間。

與 Plasma 一樣，基礎層無法直接驗證交易就意味著會有一些無效交易。 在 ORU 下，任何當事方都將見證無效交易的更新，然后通過欺詐證據向基礎層展示欺詐證明，欺詐證明將還原欺詐性區塊以及及后續的區塊更新。 一旦過了足夠的時間而沒有提交欺詐證明，就可以確定并匯總區塊，從這些區塊中啟動的提款就可以完成。 為了抑制故意發布無效區塊的行為對社區的惡意破壞，區塊提交人會發布一個保證金，如果欺詐證明有效，將大幅削減保證金。 這種防欺詐處理的精確方式是任何特定 ORU 結構的核心。

與 Plasma 相比，ORU 有一個不可避免的根本性缺點，那就是它的擴容性相對較低。 假設鏈上數據與 ORU 塊中的數據成正比，則 ORU 構造會受到基礎層最大數據量的限制。 不過在其他方面 ORU 也有很多益處，包括：

更輕松/更廣泛地支持智能合約

更容易地支持任意付款面額

無需許可的區塊生產

更簡單的博弈退出機制

相對簡單的操作

正如我們預料，即使是上述因素也需要在不同的 ORU 結構中相互權衡。 （有關 ORU 背后的更多信息，請參閱 John Adler 的 “The Why’s of Optimistic Rollup”。）

Projects Overview 項目概覽 

             

Link to spreadsheet

本報告采訪了9個使用 ORU 設計模式的項目，其中一個項目選擇在發布時保持偽匿名狀態（以下稱為“ ANON”）。

僅考慮 Optimistic Rollup 范圍內的項目，也就是說，它們必須都是 “Optimistic”，包括某種假設，即“假設有效，除非或者直到提交欺詐證明”（即，不是 ZK-rollup）并包括“Rollup”，即，鏈上發布了足夠的數據，任何觀察者都可以重建狀態并檢測無效性（即，不是 Plasma）。大多數所討論的大多數項目都嚴格符合這些參數，唯一的例外是 IDEX 2.0，其詳細信息將在下面討論。基于 Plasma 或與 Plasma 相鄰的構建上工作的其他各種項目，都屬于研究 ORU 的初期階段，包括 Matic，LeapDAO 和 Cryptoeconomics Lab。

智能合約支持和欺詐證明互動性

ORU 項目之間的核心區別在于它們對智能合約腳本的支持程度，以及它們所需要的驗證和欺詐證明的性質。 在本次調研的9個項目中，有5個項目在其 Rollup 中實現了完整的以太坊虛擬機功能，其中 rollup 側鏈具有 Solidity 智能合約支持，其支持程度（大致）與以太坊基礎層的智能合約支持程度相當，而其余項目則更偏向于支持更有限的、受限的功能。

廣義上講，除了智能合約功能本身之外，支持完整的 EVM 能夠保證 rollup 和主鏈之間的技術一致性，有望與基礎架構工具更輕松地集成，并且讓開發人員更容易過渡，他們已習慣在 Layer1 上使用 Solidity 編譯的智能合約。相反，那些更偏向于支持更有限的、受限的功能項目具有以下優點：成本更低的（或多或少）欺詐證明，驗證更容易，可以針對特定用戶直接實現優化以及總體上的簡化。

以上是報告的第一部分，剩下兩部分將于近日陸續發布，內容包括： 

完整的 EVM: Layer 2虛擬機

應用特定的 Rollups

信任假設

營利

用戶體驗 / 驗證

關于研究 / 討論的開放性話題

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