如何理解 layer 2 數據可用性解決方案 ZK Rollup？_ROL:LAS

作者注：ZKRollup不是一個新的提案，大約在一年前被BarryWhitehat所提出，同時間Vitalik在以太坊研究員的論壇有一篇比較完整的文章解釋，現在由MatterLab在開發。研究完zk-SNARKs之后，一直沒空來看，直到最近才有機會來深入了解。除了ZKRollup，也會簡單帶一下前陣子在PlasmaGroup所提出的OptimisticRollup。

ZKRollup一開始提出來的時候，是被定義為layer2的解決方案，年初的時候一度以PlasmaIgnis這個名稱作為發表。應該是因為去年Plasma很紅，一直不斷有新的提案跟進展，加上這當時也被定義為layer2的解決方案，這些種種原因，開發者就冠上了Plasma的名稱，不過因為這項技術跟Plasma的精神完全不一樣，被社群抗議，后來就恢復到Rollup這個名稱，所以搜尋‘PlasmaIgnis’會找不到什么東西。到最近，Rollup被更名為semi-layer2的解決方案，就是有一點layer2但又沒這么layer2…XD

簡單一句話解釋ZKRollup就是，數據放在鏈上的layer2解決方案。

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在了解ZKRollup之前，先來解釋原本layer2有什么問題。以Plasma為例，Plasma鏈只把Plasma區塊的hash放上Ethereum主鏈上做公正，也就是在鏈下交易了數百或數千筆的交易，最后上鏈只有幾十個bytes，這是鏈下交易的精神，但也是設計上最麻煩的地方——數據的可取得性。

就是當有人要離開這個鏈時，需要一個額外的游戲規則，在Plasma叫做挑戰期，這衍生了有數據才能挑戰，所以大家都要存一定數量的數據，相較于跟主鏈的互動，只需要裝一個錢包，并不需要下載區塊數據，用戶體驗上差異很大。挑戰期的另一個問題是，使用者需要保持上線狀態，不然錯過挑戰期，就代表默認了交易。簡單來說，因為數據的可取得性問題，衍生了

使用者需要常常在線

需下載部分數據

而造成使用者體驗很糟

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如何將數據放在鏈上，又不會造成數據過大呢？

首先，先介紹整體架構。跟Plasma一樣，有一個智能合約做擔保，有中繼者(relayer)幫忙送交易到智能合約，中繼者除了送交易外，還需要產生SNARK證明，一起送上鏈做驗證。

智能合約的部分，可以想象跟ERC20一樣，在合約里記每個參與者的帳，差別在于，標準的ERC20交易是由Ethereum這系統做驗證，也因此不能合并，而Rollup中，是把好幾筆交易包成一個標準交易，對Ethereum這個系統，就是一個交易，而驗證交易的有效性則由智能合約做驗證。

實際在智能合約里，用兩個merkletree做紀錄，一棵樹是紀錄地址，所以只需要樹的索引值就可以代表一個地址，因此地址的數據量就從原本的20bytes減少到只有3bytes，另一棵樹則記錄balance跟nonce。

動態 | 馬耳他研討會探討如何改進涉及區塊鏈的反洗錢法:據Times of Malta消息，馬耳他區塊鏈協會主席Patrick Young和管理者Max Ganado發文稱，近日在由馬耳他區塊鏈協會和馬耳他財政部共同組織的Blockfinance研討會中，包括馬耳他金融服務管理局（MFSA）、馬耳他金融情報分析部門（FIAU）和在內的利益相關者參與了活動。發言者初步進行了差距分析，使行業參與者可以就涉及區塊鏈的反洗錢法（AML）的進一步發展提出具體建議。 文章指出，這個新興產業需要表現出高標準的誠信以及合規性。此外，區塊鏈行業參與者需要為AML-CFT戰略做出貢獻。[2019/4/7]

-地址的默克爾樹-

這是數據格式，

因為用索引值當地址的代表，所以只需要3bytes，Value的部分是以10^-6當作基底，這樣只需要15bytes就可以代表一筆交易，而儲存這樣一筆交易大約只需要892gas，而一般ether的轉移需要21Kgas，因此交易速度能提升。

聲音 | Ledger首席執行官：很多人仍然不知道如何保護他們的加密資產:法國硬件錢包制造商Ledger首席執行官EricLarchevêque表示，他對加密貨幣行業的未來持樂觀態度，他正在為“新一代消費者”做準備。然而，Larchevêque聲稱，在加密貨幣存儲教育方面，仍然是一個值得關注的領域，許多用戶無法充分保護他們的資金。談到Cryptopia黑客和2018年的其他各種損失，總額接近10億美元，Ledger首席執行官認為，很多人們仍然不知道如何保護他們的加密資產。[2019/2/5]

-https://vitalik.ca/general/2019/08/28/hybrid_layer_2.html-

為什么交易速度能提升？也順便來了解一下交易速度

現今以太坊每個區塊的gas上限約8M，所以若單純ether交易，速度約略是

8M/21K/15~=25tps

聲音 | Brendan 發推特表達如何實現成功:據 IMEOS 報道，Block.one CEO Brendan Blumer 發推特表示，成功通常是有具備充分理由讓社區聽從你，并實際提供他們(社區)想要的東西來實現。[2018/10/1]

所以現在的交易瓶頸其實是gas的問題，下降交易手續費或是提升區塊gas上限，都能適時紓困，而ZKRollup就是藉由交易數據量(size)的減少，進而能增加交易速度。那來看一下使用ZKRollup后交易速度能到多快

(8M—600K(zk-SNARK驗證)—50K)/892/15~=550tps

這個數字就是Vitalik文章的標頭“On-chainscalingtopotentially~

500tx/sec”。但實際上并沒有這么理想，在作者Barry的實作中，大約只有268tps，因為每次資產的更新都會留下event，所以有多余的gas花費，然而，這樣的設計在應用上也是比較親切的。

數據都在鏈上，而且透過zk-SNARK做驗證，代表著上鏈的數據都是被驗證過的，因此就沒有一開始layer2遇到的問題，需要挑戰、需要下載數據等等。這也隱含著不需要信任中繼者，因為他們無法作壞，最多就是不幫你送交易。

事情沒有這么美好…

大家都覺得zk-SNARK像個萬靈丹一樣，用了好像什么事都解決了，不過實際上并沒有這么完美。zk-SNARK除了需要初始設定之外，最大的問題就是需要大量的運算力，在Barry提供的數據中，中繼者的計算機若是一臺8G內存加上20G的硬盤swap，大概只能產生20tx/sec，遠遠不及預期的500tps或是實作的200多tps。所以這個方案最大的問題在于要怎么解決算力問題。

平行運算！

MatterLab使用了多中繼者模型跟平行運算。多中繼者的模型，很像小型的區塊鏈，使用了DPOS(DelegatedProofofStake)，還有隨機挑選區塊產生者，所以被挑選到的區塊產生者，就可以收集交易、產生證明并且上鏈。這樣的方法避免了中心化，若中繼者被惡意攻擊，整個網絡還是能運作得下去，另一方面，也為平行運算做了鋪路。零知識證明的產生非常花時間，因此基于多中繼者模型，MatterLab提出了“上鏈-驗證”兩階段的方式，也就是中繼者先把數據上鏈，下一個階段再上傳證明做驗證，進而達到平行運算。再加上一些數據的優化，測試結果可達到1600tps。

-https://medium.com/matter-labs/introducing-matter-testnet-502fab5a6f17-

延遲…

聽似很美好，但是因為你的交易被分兩階段上鏈，也就是從送出到到被驗證，會是好幾個區塊，時間比原本單純上鏈時間會更久。當然，延遲多久是使用者可接受的，這目前也無從得知。這是一個取舍，省了手續費，增加了交易速度，卻也增加了時間的延遲，這一切也要等上線后才會知道。

今年初，Vitalik在臺北的線下聚會中分享了ZKRollup的進階版—ZKZKRollup，有興趣的人可以參考這篇文章，記錄的很詳細。

Plasma&OptimisticRollup

OptimisticRollup在設計上跟Plasma相關，所以只會簡單帶一下差異。

Karl基于ZKRollup的設計，在上個月提出OptimisticRollup，概念上也是把數據都放鏈上，但不是用zk-SNARK做驗證，因為希望能達成更普遍性的應用。而不一樣的地方有，把from的部分，改為使用者的簽章，因為數據量變大的，可想而知，花的gas會更多，交易速度就會不及ZKRollup。另一部份是，因為不是用zk-SNARK做驗證，就需要數據驗證的輔助方法，這邊就不詳細介紹，有機會再寫一篇Plasma/OptimisticRollup的詳細介紹。

在估算上，交易速度約是100tps，若簽章方式改為BLS，約可提升到450tps。而在10月的硬分岔后，gas會下降，預估的交易速度也會分別到達400/2000tps。

注：在中文的媒體文章中，都稱他是Casper的核心研究員之一，但是從我一開始知道這個人，都是在大力宣揚Plasma，他的部落格、twitter都是跟Plasma相關的文章，不確定他在PlasmaGroup的角色，但我是把他定位成PlasmaGroup的leader

文章內容若有錯誤或是不同觀點，歡迎指教

references:

On-chainscalingtopotentially~500tx/secthroughmasstxvalidation

IntroducingMatterTestnet

OptimisticRollup

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