V上帝带你去了解以太坊扩展性解决方案汇总

Rollup在以太坊社区非常流行，在可预见的将来，它将成为以太坊的一个关键可扩展性解决方案。但是这项技术是什么，你能从中得到什么，你将如何使用它？本文将尝试回答一些关键问题。

背景：什么是第1层和第2层扩展？

有两种方法可以扩展区块链生态系统。首先，你可以让区块链本身更具交易性。这种技术的主要挑战是，具有“较大区块”的区块链更难验证，并且可能变得更中心化。为了避免此类风险，开发人员可以提高客户端软件的效率，或者更可持续地使用碎片化和其他技术，将构建和验证链工作拆分为多个节点。众所周知，“ETH2.0”目前正在尝试构建到以太坊的升级版本。

第二，你可以改变你使用区块链的方式。用户没有将所有活动直接放在区块链上，而是在“第2层”协议中执行区块链之外的大部分活动。链上有一个智能合约，它只有两个任务：处理存款和取款，以及验证链下发生的一切是否符合规则。实现这些证明的方法有很多，但它们都有一个共同的特点，即验证链上的证明比验证链下的原始计算便宜得多。

状态通道vs等离子vs汇总

Layer2可以通过三种方式扩展：状态通道、等离子体和汇总。它们有三种不同的方式，各有优缺点。在这一点上，我们非常有信心，所有的第2层扩展可以大致分为这三类。（尽管在命名方面存在一些争议，例如“validium”）。

国家频道是如何运作的？

您可以单击此处：https://www.jeffcoleman.ca/state-channels以及statechannels.org网站

假设Alice为Bob提供了一个Internet连接，Bob每兆字节支付她0.001美元。Alice和Bob使用下面的第2层方案，而不是每次付款都进行交易。

首先，Bob将一美元（或一些ETH或稳定的等值货币）放入智能合约。为了向爱丽丝支付第一笔钱，鲍勃签了一张“罚单”（一条链外信息），上面只写着“0.001美元”，然后寄给爱丽丝。为了第二次付款，鲍勃将在另一张写着“0.002美元”的账单上签字并寄给爱丽丝。你需要多少就付多少。在Alice和Bob完成交易后，Alice可以将价值最高的账单发布到链中，该账单由她自己的另一个签名包装。

智能合约验证Alice和Bob的签名，向Alice支付Bob账单上的金额，并将剩余金额返回Bob。如果Alice不愿意关闭频道（由于恶意或技术故障），Bob可以开始退出期（例如，7天）；如果Alice在此期间不提供新的账单，Bob可以收回所有的钱。

这项技术非常强大：它可以调整为处理双向支付、智能合约关系（例如，Alice和Bob在频道中签订金融合约）以及组合（如果Alice和Bob有公共频道，Bob和Charlie也有一个，那么Alice可以与Charlie进行无信任的交互）。

但渠道的作用是有限的。资金链上尚未参与的人不能把资金送出去。通道不能用于表示没有显式逻辑所有者的对象（例如。当渠道被用来做比简单的定期支付更复杂的事情时，它们需要锁定大量资金。

等离子是如何工作的？

单击此处查看：plasma原纸和plasma现金

为了存放资产，用户将其发送到管理plasma链的智能合约。

plasma链为资产分配一个单独的ID（如537）。每个plasma链都有一个操作员（可以是中心化式角色，也可以是多重签名，或者更复杂的东西，比如pos或DPO）。每隔一段时间（可能是15秒，或一小时，或两者之间的任何时间），操作员就会生成一个“批处理过程”，其中包含他们在链外收到的所有plasma事务。

它们生成一棵梅克尔树。如果树中的每个索引x上都有一个事务，则会有一个transfer asset ID x的事务，否则为零。他们把这个鱼根送到锁链上。它们还将每个指数x的Merkel分支发送给资产的当前所有者。要提取资产，用户需要发布Merkle分支，将资产发送到最新的事务中。注：Merkle树在中文中称为Merkel树或hash树。在密码学和计算机科学中，它是一种树数据结构。每个叶节点都用数据块的哈希值标记，而叶节点以外的节点则用其子节点的加密哈希值标记。Merkle树的一个明显优点是它可以取出一个分支（作为一个小的树）来验证部分数据。在许多情况下，它比哈希表更方便、更高效。

合同的开始是一个质疑期。在此期间，任何人都可以尝试使用其他Merkle分支，通过证明（1）发送方在发送时不拥有资产，或（2）他们在稍后的时间点将资产发送给其他人，从而使退出无效。如果在（例如）7天内没有人证明退出是不真实的，用户可以收回资产。

Plasma提供了比国家渠道更强大的属性：您可以将资产发送给从未属于该系统的参与者，而且资本要求要低得多。但是有一个代价：在“正常操作”期间，通道不需要在链上运行任何数据，plasma需要定期在每条链上发布一个哈希值。另外，等待等离子传输并不是立即的：您必须等待区间结束和块被发布。

此外，等离子和状态通道有一个共同的弱点：为什么它们是安全的？这背后的博弈论依赖于这样一种观点，即两个系统控制的每个对象都有某种逻辑上的“所有者”。如果所有者不关心其资产，则可能导致涉及资产的“无效”结果。这对于许多应用程序都是可以接受的，但是对于许多其他应用程序（例如。Uniswap）。甚至发送资产对象的系统，其状态可以在未经所有者同意的情况下更改，例如。基于帐户的系统，你可以增加某人的余额，而无需他们的同意，是不能很好地处理等离子。

所有这一切意味着，在任何真实的等离子或状态通道部署中，都需要大量的“特定于应用程序的推理”，不可能构建一个等离子或通道系统来模拟整个以太坊环境（或“EVM”）。

为了解决这个问题，我们可以看一下汇总

汇总

有关详细信息，请参见：ETHhub on optimal rollups和ZK rollups

等离子体和状态通道是完整的Layer2计划。他们试图将数据和计算从链中移出。然而，围绕数据可用性的基本博弈论问题意味着，这不可能对所有应用程序都是安全的。Plasma和channel依靠一个明确的所有者概念来解决这个问题，但这阻碍了它们的通用性。另一方面，rollup是一种“混合”的第2层解决方案。

Rollup将计算（和状态存储）移出链，但为链上的每个事务保留一些数据。为了提高效率，他们使用了许多奇特的压缩技术，试图用计算来代替数据。因此，系统的可扩展性仍然受到底层区块链数据带宽的限制，但比例非常有利：以太坊底层ERC20代币的传输成本约为45000gas，而rollup中ERC20代币的传输成本小于300gas，占用链上16字节的空间。

数据链上的事实是关键（注：将数据“放在IPFs上”是不可行的，因为IPFs不同意是否需要提供任何特定数据；数据必须放在区块链上）。如果有人想在本地发现或提取数据，他们就可以开始对数据进行汇总。缺乏数据可用性意味着恶意或离线运营商的危害较小（例如，他们不会造成一周的延迟），从而为有权发布批处理的人打开了更大的设计空间，并使聚合更容易推理。

最重要的是，数据可用性的缺乏意味着不再需要将资产映射到所有者，这也是以太坊社区对汇总比之前的第2层扩展更感兴趣的关键原因：汇总是完全通用的，即使EVM可以在rollup中运行，以允许现有的以太坊应用程序迁移到rollup，几乎不需要编写新代码。

好的，那么汇总有多好？

链上有一个智能合约，它维护一个状态根：rollup state的Merkle根（即帐户余额、合约代码等位于rollup内部）。

任何人都可以发布批处理，这是一种高度压缩的事务集合形式，以及以前的状态根和新的状态根（事务处理后的Merkle根）。协定检查批处理中以前的状态根是否与当前状态根匹配；如果匹配，则将状态根切换到新的状态根。

为了支持取款，我们添加了使事务的输入或输出“超过”汇总状态的功能。如果批处理有来自外部的输入，提交批处理的事务还需要将这些资产转移到汇总合同。如果批处理已输出到外部，则智能合约将在处理批处理时开始提取。

好吧，这里只有一个主要细节：如何知道批处理中的后状态根是正确的？如果有人可以提交一个带有任何post-state根的批处理而不产生任何后果，那么他们可以将rollup中的所有代币传输给自己。

这个问题很关键，因为这个问题有两套非常不同的解决方案，导致两种类的汇总。

最优汇总与ZK汇总

这两个汇总是最优汇总和ZK汇总。

最优汇总，使用防欺诈：汇总契约跟踪其状态根的整个历史以及每个批的哈希。如果在批处理链上发现批处理错误，有人可以证明。随后的批和批将恢复所有的认证。

ZK rollup，使用有效性证明：每个批都包含一个名为ZK snark的加密证明（例如，使用plonk协议），它证明状态根是批处理的正确结果。无论涉及多少计算，证明都能在链上迅速得到验证。

这两种类的汇总之间存在复杂的权衡

和

总的来说，我的观点是，在短期内，最优汇总有机会赢得多用途EVM计算，而zkrollup在简单的支付水平、交易平台和其他特定应用的用例上有望更好。然而，从中长期来看，随着ZK snark技术的改进，ZK rollup将赢得所有用例。

欺诈证明分析

最优汇总的安全性取决于是否有人将无效的批发布到汇总中。任何跟踪公链并发现欺诈行为的人都可以出具欺诈证明，向合同证明该批次产品无效，应予以恢复。

和

声称无效批的欺诈证明将包含绿色数据：批本身（可以根据存储在链上的哈希值进行检查）和Merkle树的部分只需要证明批读取和/或修改的特定帐户。

黄色树中的节点可以由绿色节点重建，因此不需要提供（数据）。这些数据足以执行批处理和计算后状态根（注意，这与无状态客户机验证单个块的方式完全相同）。如果批处理中计算的后状态根与提供的后状态根不同，则批处理是欺诈性的。

可以保证，如果一个批次构造不正确，并且之前的所有批次构造都正确，那么就有可能创建一个欺诈证明来证明该批次构造不正确。注意前面批的声明：如果在rollup中发布了多个无效批，最好尝试证明最早的批是无效的。当然，如果批处理过程构造正确，就永远不可能创建一个证明批处理过程无效的欺诈证据。

压缩是如何工作的？

一个简单的以太坊事务（发送ETH）大约需要110字节。然而，一个ETH传输只需要大约12个字节

和

部分原因是更高级的编码：以太坊的RLP在每个值的长度上浪费了一个字节。但也有一些非常聪明的压缩技术：

暂时：防止重播。如果帐户的当前nonce为5，则该帐户的下一笔交易必须具有nonce 5，但一旦处理了该交易，该帐户中的nonce将增加到6，因此无法再次处理该交易。在rollup中，我们可以完全忽略nonce，因为我们只从pre状态恢复nonce；如果有人试图用较早的nonce重放事务，签名将不会得到验证，因为签名将根据包含新的较高nonce的数据进行检查

天然气价格：我们可以允许用户在一个固定的天然气价格范围内支付，例如2的16次方。或者，我们可以在每个批中设置一个固定的费用水平，甚至可以将天然气付款完全从汇总协议中转移出去，这样事务处理程序就可以通过一个渠道向批创建者付款。

气体：同样地，我们可以把气体总量写为2的幂。或者，我们只能批量设置气体限值。

收件人：我们可以使用索引而不是20字节的地址。如果地址是添加到树中的4527地址，我们只需要使用索引4527来引用它。我们将在状态中添加一个子树来存储索引到地址的映射。

价值：我们可以使用科学计数来存储价值。在大多数情况下，传输只需要1-3个有效数字

根据协议，我们可以将~BLS签名聚合为单个签名。然后可以一次为整个消息集和批处理中的发送者检查此签名。表中的~0.5表示一个集合中可以包含的签名数是有限制的，因为签名需要在单个欺诈证明中进行验证。

ZK rollup独有的一种重要压缩技术是，如果事务的一部分仅用于验证，而与计算状态的更新无关，那么就可以将其排除在链之外。这种最佳汇总无法实现，因为这些数据仍然需要包含在链中，以防将来需要在欺诈证明中检查它们。在ZK rollup中，Snark证明了批处理的正确性，它提供了验证所需的任何数据。

一个重要的例子是保护隐私的ollps：在最优汇总中，需要将用于每个事务隐私的大约500字节的ZK snark放到链上，而在ZK汇总中，覆盖整个批的ZK snark无疑表明“内部”ZK snark是有效的。

这些压缩技术是rollup可扩展性的关键，如果没有它们，rollup可能只会将基本链的可扩展性提高10倍左右（尽管有些应用程序计算量很大，即使是简单的rollup也非常强大）。使用压缩技术，几乎所有应用程序的比例因子都可以超过100倍。

谁可以提交批量交易审核？

关于谁可以提交乐观或ZK汇总中的批处理事务，有很多意见。一般来说，大家都同意，为了能够提交一批，用户必须提交一大笔押金。如果用户提交了欺诈性批量交易（例如，无效状态根），则部分存款将被烧掉，部分存款将用作对欺诈证明人的奖励。但除此之外，还有许多可能性：

完全无序：任何人都可以随时提交批量事务。这是最简单的方法，但也有一些严重的缺点。若要将这些交易提交到一起，则只有一个特定的交易批才能成功处理，并且只有一个交易批才能成功提交。这就导致了大量的能源浪费就产生了证明，同时也导致了由于气体浪费而需要批量交易环节。

中央音序器：只有一个参与者：音序器。他可以提交批量交易（除了取款：通常的技术是用户可以先提交取款请求，然后如果分拣机在下一批中没有处理取款请求，则用户可以提交单个操作批进行处理）。这是最有效的，但它依赖于一个中心化的角色来维持其运作。

例如，谁有权决定第二天的拍卖（Sequencer）。这种技术的优点是，它筹集的资金可以由rollup控制的Dao分配（参见：MeV拍卖）

从POS中心化随机选择：任何人都可以将ETH（或rollup自己的协议代币）存入rollup合同。每批订货人从一个寄存人中随机选择，被选中的概率与寄存量成正比。这种技术的主要缺点是会导致大量不必要的资本锁定。

DPO投票：通过拍卖选择一个序列器，但如果它们表现不好，代币持有者可以投票将它们踢出，并举行新的拍卖来取代它们

批处理和状态根供应的分配

目前，一些正在开发的汇总使用“分配批处理”模式，其中提交一批Layer2事务的操作和提交状态根的操作是分开执行的。这种方法有一些关键优势：

您可以允许许多排序器并行地发布批处理事务，以增加审核阻力，而不必担心某些批处理会失败，因为其他批处理是首先包含的。

如果某个州根目录中存在欺诈，则不需要恢复整个批次。您只需恢复状态根并等待有人为同一批提供新的状态根即可。这为事务发送者提供了更好的保证，以确保其事务不会被还原。

所以，总而言之，有一个相当复杂的科技园，试图在复杂的权衡之间取得平衡，包括效率、简单性、抵制审查和其他目标。现在说哪种组合最有效还为时过早，时间会证明一切。

rollup能给您多少可伸缩性？

在现有的以太坊链中，gas的上限是1250万，事务中每个字节的数据花费16 gas。这意味着，如果一个块只包含一个批（我们说使用ZK rollup，500K gas用于验证），那么该批（1200万/16）就等于750000字节的数据。

如上所示，对于每个用户操作，ETH transfer summary只需要12个字节，这意味着批处理最多可以包含62500个事务。平均阻塞时间为13秒时，这意味着约4807 TPS（相比之下，以太坊本身上ETH传输的1250万/21000/13~=45 TPS）。

以下是一些其他用例图：

和

最大可扩展性增益计算为（L1 gas cost）/（rollup bytes*16）*1200万/1250万。

现在，值得记住的是，这些数据过于乐观有几个原因。最重要的是，一个块几乎从不只包含一个批，至少包含多个汇总。第二，存款和取款将继续发生。第三，短期内利用率将非常低，因此固定成本将占主导地位。但即使考虑到这些因素，100倍以上的可扩展性也有望成为标准。

现在，如果我们想超过1000-4000 TPS（取决于具体的用例），我们应该怎么做？这是ETH2数据分段的起点。分区方案每12秒打开16MB空间，可以填充任何数据，系统保证数据可用性的一致性。此数据空间可用于汇总。这大约是1398kb/s，是现有以太坊链60kb/s的23倍。从长远来看，数据容量有望进一步增长。因此，使用ETH2切片数据的rollup最多可以处理10万TPS，将来甚至更多。

在汇总中还有哪些未解决的挑战？

虽然汇总是一个基本概念，现在可以很容易理解，我们非常肯定，他们是可行的和安全的性质。主网络上已经部署了几种rollup方案，但是还有很多领域的rollup设计还没有得到很好的开发，如果我们想将以太坊的大部分生态系统完全迁移到rollup，以利用它们的可扩展性，仍然有很大的挑战。

一些关键挑战包括：

用户和生态系统适应：很少有应用程序使用rollup，用户不熟悉rollup，很少有钱包开始集成rollup。商人和慈善机构还不接受这种付款。

从一个层到另一个层（例如，通过一个跨事务的汇总，有效地将数据从一个层移动到另一个层）。

审计激励机制：如何最大限度地提高至少一个诚实节点实际充分验证最优汇总的可能性，从而在出现问题时出具欺诈证明？对于小规模的汇总（多达数百个tp），这不是一个重要的问题。人们可以简单地依赖利他主义，但对于大规模的汇总，还是需要更明确的推理。

探索plasma和rollup之间的设计空间：是否有任何技术可以将一些（但不是全部）状态更新相关数据放在链上，从中可以得出什么有用的结论？

最大限度地提高预确认的安全性：许多汇总都提供了“预确认”的概念，以获得更快的用户体验，其中sequencer会立即提供一个承诺，即交易将被包括在下一批中，如果他们违背承诺，sequencer的押金将被销毁。但这项计划的经济保障是有限的，因为它有可能同时向许多参与者作出许多承诺。这一机制能否得到改进？

提高缺席分拣机的响应速度：如果一个汇总分拣机突然下线，那么尽可能快速、廉价地恢复分拣机的角色是非常有价值的。方法是快速而廉价地退出到不同的汇总，或者快速地更换分拣机。

给出一个有效的snark（或ZK）来生成一个与现有的智能VMS不同的结果。

结论

Rollup是一个强大的新的第2层扩展范例，预计在短期和中期（可能在长期）将成为以太坊扩展的基石。他们看到了以太坊社区对这件事的极大兴趣。与以前扩展layer2的尝试不同，它们可以支持公共EVM代码并允许现有应用程序轻松迁移。为此，他们做出了一个关键的妥协：他们没有试图完全脱离链，而是为链上的每个事务留下少量数据。

卷积有很多种，在设计领域有很多选择：例如，使用最优卷积的欺诈性证明，或者使用ZK卷积的有效性证明（即ZK snarks）。分拣机（可以将事务批发布到链的用户）可以是中心化式参与者、自由参与者，或者是中间的许多其他选择。Rollup仍然是一项早期技术，开发仍在快速发展中，但它们确实可以工作，其中一些（尤其是looping、zksync和devosif）已经运行了几个月。在未来的几年里，将有更多令人兴奋的工作在汇总空间。