德林资本研究院：以太坊二层汇总扩容方案探讨

2020年5月，以太坊网络上出现了所谓的“黑色星期四”：以太坊变得拥挤不堪，马克多无法如期工作。在这种情况下，不同的参与者可以竞购“抵押品不足的资产”，这意味着一个参与者可以以0美元的价格竞购价值450万美元的ETH。makerdao的崩溃向我们展示了可伸缩性不足的后果。

正如“黑色星期四”所证明的那样，以太坊拥塞造成的这种安全威胁已经成为一个非常严重的问题。许多项目通过创建链外Layer2解决方案（如侧链、状态通道、汇总等）来解决可伸缩性问题，这些解决方案本质上以区块链作为信任的锚定。

第2层扩展技术将事务迁移到链外（与第1层扩展技术相反，后者提高了底层链的事务吞吐量）。如果构建是可行的，Layer2扩展解决方案可以利用区块链的许多好处（安全性、不变性、去中心化等），而不会产生相同的成本（确认时间慢、交易成本高和交易成本高），并且需要较少的权衡和假设。

在过去几年中，以太坊的两个主要扩展方案是侧链（plasma）和状态通道（一个更通用的支付通道版本，在比特币网络上已经存在多年）。最近，rollup的解决方案引起了公众的密切关注，基于rollup的layer2项目也取得了很大的进展。在上一期中，德林研究院介绍了以太坊 layer2的扩展解决方案。本期的主题是在了解layer2的基础上，讨论以太坊社区火灾的汇总扩展解决方案。

首先，什么是汇总？

Rollup是一个类似于plasma的第2层扩展解决方案，它借鉴了plasma的许多概念。在某种意义上，Rollup类似于plasma。它通过将事务从链外迁移到主网络保护的第2层侧链（即第1层）来扩展以太坊的容量。这两种扩展方案将智能合约部署到主网，包括侧链中存储的所有资金以及侧链当前状态的证明。侧链用户和运营商维护侧链，并确保将有效的状态转换提交给主网合同。

rollup的概念可以追溯到2014年，被以太坊的联合创始人vitalik buterin称为“影子链”。plasma和state channel等解决方案的失败导致开发人员重新审视buterin的影子链（现在称为rollup）。尽管plasma和state通道每秒可以扩展数百万个事务，但它们与那些与DeFi相关的应用程序中的智能合约不兼容。

汇总是基于“影子链”的概念。它通过在链外执行state并仅使用以太坊区块链来实现数据可用性。Rollup的块发布或状态更新只通过TX calldata将部分数据发布到每个事务的主链上，提高了吞吐量，克服了副链上的数据滞留攻击问题。

有两种类的汇总：最优汇总和ZK汇总。它们采用不同的方法来保证侧链滑车的有效性。对于最优汇总，有效性由防欺诈和同步假设保证；而对于ZK汇总，有效性由零知识证明保证。

什么是最佳汇总？

最优汇总的思想最早是由John Adler在2019年7月的以太坊基金会研究论坛上提出的，最优汇总更接近影子链的原始思想轮廓。致力于优化汇总的团队包括optimization（前plasma group）、fuel labs、arbitrum等。

在最优汇总中，有两个主要参与者：聚合器（收取网络费用）和验证器（奖励方法类似于比特币的整个节点）。它可以提供近乎即时的交易和智能合约，而无需支付GAS FEE用（不包括聚合商收取的费用）。使用现有的ECDSA签名，由最优汇总实现的事务速度约为100tps。如果将签名方法更改为BLS，则事务速度可以提高到500 TPS。

最优汇总是指它使用以太坊最优虚拟机（OVM）。从技术上讲，它是以太坊虚拟机（EVM）的集成。它基于第2层的数据对第1层的状态进行“乐观”的状态预测。我们可以这样理解：在最优汇总Layer2链上，用户有一台处理交易和智能合约的机器（OVM），所有日常操作都在Layer2机器上进行；在以太坊第1层链上，用户有相同的OVM机器，但除非发生紧急情况，否则不会使用它。如果有人认为第2层OVM的操作是欺诈的，他可以在运行第1层的OVM计算机上重新运行该操作，以证明该操作的真实性。要成为最优汇总第2层节点，用户（a）必须在第1层智能合约中锁定一些资金（成为“债券”），如果用户（a）表现不好，其他用户（b）最终证明用户（a）是欺诈的，则用户（a）的保证金将减少，用户（b）将获得与减少的金额相同的保证金作为奖励。

最优汇总可以支持简单的支付和复杂的智能合约。现有的大部分代码库都可以很容易地移植到最优rollup中，因此最优rollup被认为是一种直接的解决方案。另一方面，将智能合约从以太坊主链无缝迁移到ZK rollup则相对困难。

什么是ZK汇总？

总之，ZK rollup是一种二层扩展方案，所有资金都由主链上的智能合约持有，并在链下进行计算和存储，其边链的有效性由零知识证明来保证。

ZK汇总由Barry WhiteHat于2018年首次提出。其安全保证与底层1（即以太坊）相同。它可以在一分钟内生产区块，并将吞吐量提高到2000 TPS。ZK汇总包括材料实验室和starkware。

ZK rollup不需要等待两周就可以完成对影子链中某个块的最终确定，而是用零知识证明取代欺诈挑战。账户和余额由单独的Merkle树表示。这些树的根确保没有人能伪造数据。每个Merkle树的根（一个用于帐户，另一个用于余额）存储在以太坊上的智能合约中，该合约仅提供侧链状态的“简单表示”，所有其他数据存储在链外。

zkrollup就像你在和一个构建块和状态更新的人（称为中继器）交谈。状态的变化通过hash进行处理，hash是snark（一种零知识证明）的输入过程。输入包括rollup块中每个事务的有效性证明。事务被聚合，只有头被签名并提交给主链。因此，以太坊链上存储的数据量减少。所有的签名都被零知识证明zk snark代替，zk snark可以压缩聚集的事务记录。

由于每个签名的验证都由一个Snark代替，因此计算也得到了改进。只有一小部分信息（地址簿的两个Merkle根和余额/随机数，都是32字节）被添加到主链中，它们只占通过calldata在链上发布的事务数据的一小部分。提交块或状态更新后，用户可以验证零知识证明的有效性。如果被质询的事务告诉智能合约某些数据不正确，则块将无效。

这些挑战被zk rollup中的zk snark替代，其中不能提交无效或不正确的状态。Snark证明了这一系列的事务都是由所有者正确签名的，并且帐户余额的更新从旧的Merkle根到新的Merkle根是正确的。因此，中继器不可能提交无效或被操纵的状态。

ZK rollup将ZK snark证书提交给主网rollup合同。然后，主智能合约将验证并接受任何有效的证据。它几乎立即发生，规模巨大。相反，最优汇总总是牺牲一些可伸缩性来适应Layer2上的智能合约。类似地，它的过程将稍微延迟，这样用户就有时间挑战无效的bond聚合块。

因此，从长远来看，有些人认为ZK汇总是一个更有希望的解决方案。虽然这种扩展技术确实可以补充最优汇总以实现简单的支付，但是一些dapp已经使用了这种技术（例如loopring），并在智能合约支持的实现方面取得了进展。

汇总对于以太坊有很大的潜力，但是仍然有许多挑战需要克服。汇总的挑战是DeFi服务器的可组合性。如果不同的上卷链上有不同的dapp，那么不同的上卷链之间的信息交换将比以太坊主链上的信息交换更加困难。为了保持可组合性，DeFi服务器必须在特定的汇总链上进行协调并创建临界质量。尽管以太坊应用程序中有采用汇总的良好迹象，但区块链网络的“无许可”性质意味着并非每个用户或服务器都会采用这些Layer2解决方案。