深入理解區塊鏈二層擴展方案Rollup_ROL:KRO

編者注：原標題為《深入理解區塊鏈二層擴展方案Rollup》

本文作者朱光宇，區塊鏈愛好者，前阿里巴巴JVM專家。現就職于Westar實驗室，從事智能合約編程語言及其執行引擎的研發。

背景

最近，以太坊創始人VitalikButerin在一篇題為“混合式二層協議的曙光”的文章里對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缺點？它們未來發展前景怎么樣？為了找到這些問題的答案，筆者對相關項目做了一番調研，將收集到的信息整理成下面這篇文章。

Rollup的出現

最近兩年，以太坊二層擴容技術得到突飛猛進的發展。所謂二層技術，就是將一部分資金存儲在主鏈上的智能合約內作為，在保證足夠的安全性和不可篡改的前提下，把一部分交易放到主鏈之外進行，就好像鏈下多出來第二層網絡。二層方案里表現較突出的要數狀態通道和Plasma側鏈，但是這兩種方案距離被廣泛接受還有一段距離，其背后的原因歸根結底是數據的可用性問題。什么是數據可用性呢？假設你去賭場玩撲克，需要先到柜臺把現金兌換成籌碼，這可以理解成在鏈上創建狀態通道并存入押金。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，你想要兌現籌碼走人，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，所以無法追回已經贏得的籌碼。這就是所謂的“數據不可用”。無論是狀態通道還是Plasma側鏈，完整的交易記錄和見證數據都只保存在鏈下，出現爭端時如果參與者沒有及時提供正確的交易和見證數據，交易的安全性就無法保證。就好像是玩撲克的人被打了一悶棍忘記了牌局細節，很難追回屬于自己的籌碼。即便是數據沒有丟失，面對不合作的對手，也要走非常復雜的仲裁流程。

美國國會眾議員提出法案以深入研究商業中的區塊鏈技術:三名美國國會眾議院議員（兩名民主黨和一名共和黨）正式提出了一項新法案，以促使美國國會對區塊鏈技術進行更深入的分析。9月1日，民主黨眾議員Darren Soto、Doris Matsui及共和黨眾議員Brett Guthrie向眾議院提出了一項新法案，該法案隨后被提交給能源和商業委員會。該法案建議美國商務部長在與聯邦貿易委員會(FTC)磋商后“就區塊鏈技術的狀況以及在保護消費者和其他方面的使用情況進行研究并向國會提交報告”。（Cointelegraph）[2020/9/4]

就在二層擴容技術舉步維艱的時候，一位開發者提出了一種名叫Rollup的新方案。與Plasma不同的是，它可以“打包”交易，將“打包”后的交易數據連同一個SNARK零知識證明發布在鏈上。打包的正確性可以通過SNARK證明，從而確保運營商不可能發布惡意或無效的交易。這就是后來被VitalikButerin稱之為ZKRollup的二層擴容方案。ZKRollup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，否則創建SNARK證明的成本會非常高。因此，一個名叫OptimisticRollup的折衷方案被提了出來。OptimisticRollup也是把交易數據都放到鏈上，但不是用SNARK做驗證，而是采用加密經濟學有效性博弈來實現有效性驗證。我們將在下面的章節詳細介紹這兩種Rollup方案的原理。

全國政協委員劉尚希：激勵推動銀行在區塊鏈等領域深入合作:全國政協委員、中國財政科學研究院院長劉尚希建議，在政策上支持開放銀行構建，激勵銀行業善用我國金融科技領先和更本土化的優勢，快速發展技術能力：發展線上服務能力和數字風控技術，實現線上線下業務融合；大力推動銀行業部署下一代分布式金融信息系統，建設性能穩定、智能化運營的開放式系統架構，為開放銀行建好硬件底座；激勵推動銀行在人工智能、區塊鏈等核心關鍵技術領域進行深入合作。（中國經營報）[2020/5/23]

工作原理

Rollup的核心思想是將“打包”后的交易數據區塊發布在鏈上，從而大大降低交易有效性驗證的難度。交易數據的上鏈和驗證是基于智能合約完成的。運營者收集到不同參與者提交的鏈下交易后，在鏈上執行Rollup智能合約提供的腳本，將打包后的交易數據區塊作為參數提交給合約，合約驗證數據有效后為每個參與者記賬。這相當于一次性執行了一批鏈下交易，但是在鏈上只執行了一個交易。

下圖是ZKRollup提交上鏈的打包數據。它包含一組壓縮后的交易數據、執行這批交易之前的記錄用戶狀態的merkle樹樹根，以及執行交易之后的新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Prev狀態上施加這批交易后結果就是New狀態。如果對零知識證明的工作原理感興趣，可以參考文章。

重慶市與華為簽署協議 在區塊鏈等領域展開深入合作:4月29日，重慶市政府與華為技術有限公司簽署全面深化戰略合作框架協議。華為將深度參與重慶數字經濟建設，重點支持重慶新一代人工智能創新發展，共同打造重慶市（兩江新區）未來智能汽車科技城，重點建設智能超算中心，共建5G工業領域聯合實驗室，在數據中心、物聯網、區塊鏈、工業互聯網、新型智慧城市、智慧水利、智能終端、5G、智慧園區、機器視覺、人才培養等領域展開全面深入合作。（證券時報）[2020/4/30]

生成SNARK的成本非常高，所以OptimisticRollup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”并非類似SNARK那樣的見證數據，它實際上指的是加密經濟學有效性博弈。也就是說，運營者發布新的狀態樹樹根時無需每次都接受Rollup智能合約的驗證，每個人都假設狀態轉換是正確的。如果有人發布了非法的狀態轉換，其它運營者或者參與者都可以挑戰非法交易并回滾不正確的區塊。為了實現“欺詐證明”，光有ZKRollup那樣的交易數據是不夠的，Tx數據需要包涵交易提交者的簽名，合約通過校驗簽名判斷交易是否合法。

安全性

Rollup的安全性來自于數據可用性和交易有效性。有了數據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網絡上的資產。Rollup將交易數據發布到鏈上，就像“錨”一樣將Rollup網絡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。

火幣區塊鏈研究院李慧：未來銀行會更加深入布局區塊鏈技術:4月7日消息，火幣區塊鏈研究院副院長李慧表示，未來銀行業對區塊鏈技術布局會否更加深入的答案是肯定的。她認為，“通過區塊鏈技術的嵌入，銀行實現原有業務基礎上的降本提效，并且吸納更多客戶，達到雙贏局面。上面所提到的區塊鏈在銀行各業務的布局以B2B業務居多，隨著區塊鏈技術的普及與發展，銀行會逐漸將區塊鏈布局到更多的toC業務領域，如信用卡積分管理等。”（證券日報）[2020/4/7]

對于交易有效性驗證，ZKRollup和OptimisticRollup采取了不同的方法。ZKRollup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之上，智能合約僅在交易數據被證明為正確之后才會接受狀態轉換。每次狀態轉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。OptimisticRollup采用基于加密經濟學有效性博弈的錯誤證明，它無需為每一次狀態轉換都提供證明，只在有人認為狀態轉換有誤的時候提供。所以它要求交易方必須在線，因為沉默將被視為同意。所以相比較ZKRollup，OptimisticRollup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。

中國發展高層論壇將對區塊鏈技術進行深入討論:2018年中國發展高層論壇將于3月24至26日在北京舉行，中國發展研究基金會相關人士表示，中國發展高層論壇在今年迎來了第19屆。圍繞高質量發展、財稅體制改革、供給側結構性改革與金融政策、全面開放新格局、創新與未來等重大議題，中外方嘉賓將開展深入討論。此外，參會嘉賓還將對中國改革開放四十周年、全球不平等、新時代的中美關系、一帶一路、人工智能時代的產業轉型、鄉村振興與農業現代化、金融創新與區塊鏈革命等熱點議題進行深入交流。[2018/2/26]

可擴展性

Rollup通過一次鏈上交易可以執行一大批打包后的鏈下交易，主鏈不需要通過執行每筆交易來驗證其有效性，而且交易數據是作為函數參數發布的，驗證完有效性后就會被丟棄，這樣就不會占據以太坊的存儲空間。因此Rollup可以大幅度提升以太坊的可擴展性。

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據本身gas成本的制約。以太坊數據的gas成本在伊斯坦布爾升級前是每字節68單位，而以太坊上每個地址就會占用20字節，所以用以太坊交易數據結構來表示鏈下交易gas費用會非常高，因此Rollup對交易數據進行了壓縮。

ZKRollup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，地址數據的大小就從原本的20bytes減少到只有3bytes到4bytes。每筆交易就被壓縮成10幾個字節，再加上一個約100-300字節的SNARK，理論上可以將以太坊吞吐量從32TPS提升到約680TPS，伊斯坦布爾升級后可達到2000TPS。下圖是壓縮后ZKRollup每筆交易數據的格式：

OptimisticRollup的吞吐量理論上只有100TPS，主要原因是上文提到過的，為了支持欺詐證明OptimisticRollup的每筆交易數據需要包涵交易提交者的簽名。每條簽名的大小是64bytes，這大大增加了提交上鏈的交易數據的字節數，從而很快達到gas上限。為了減少交易數據的字節數，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員收集到所有交易后，將打包后的交易發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據，所以可以被操作員聚合成一個BSL簽名。發送給鏈上合約的將是壓縮后的交易數據加上聚合后的BLS簽名，從而大幅減少了交易數據所消耗的gas。BLS簽名可以將OptimisticRollup的吞吐量從100TPS提升到450TPS，伊斯坦布爾升級后也可以達到2000TPS。

延遲

OptimisticRollup基于加密經濟學有效性博弈，只有過了1～2周的挑戰期才能確認交易生效。ZKRollup的延遲相對較小，如果一個打包區塊中有1000筆交易，在普通的服務器上大概需要20分鐘可以構造出一個證明。開發者們已經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造時間壓縮到1分鐘。還有一種叫做“即時交易收據”的方法兩種Rollup方案都適用。它主要借助經濟學博弈來完成，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塊中，這筆錢就會被沒收。理論上“即時交易收據”可以將交易確認時間壓縮到1秒以內，但是實現相對復雜，安全性有所降低。

通用性

通用性方面，OptimisticRollup明顯好于ZKRollup，當然它的設計目標就是支持任意智能合約。而ZKRollup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，開發者正在開發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建證明的時間，但是缺點是合約開發者需要大量的專業知識。MatterLabs團隊基于ZKRollup開發的新一代區塊鏈擴展方案ZKSync，設計開發了一款以委托的方式生成零知識證明的沙盒式虛擬機，開發者不需要深入了解零知識證明領域的技術細節就可以編寫出高效且安全的智能合約。

總結與展望

本文簡要介紹了區塊鏈擴容方案Rollup的工作原理，對比分析了兩種Rollup方案ZKRollup和OptimisticRollup在可擴展性、延遲、通用性、安全性上的優劣。

根據以上的對比分析，短期看來OptimisticRollup由于較好的通用性會受到開發者的青睞；但從長期來看，隨著零知識證明虛擬機的演進，ZKRollup會在通用性上不斷提高。它能否主宰智能合約可擴展性的未來呢？這個問題只能留給時間來回答了。

參考文章

1、《混合式二層協議的曙光》2、《零知識證明–zkSNARK入門》3、《有效性證明和錯誤證明》4、《ZKSync介紹》

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