欧易 OKEx研究所：以太坊二层扩建方案汇总发展历程及原理机理综合分析

原题：欧伊奥克斯研究院：以太坊中场之战：集结的现实与空虚

作者：欧伊奥克斯研究所

自以太坊诞生以来，其较低的事务处理能力导致以太坊网络频繁拥塞，高昂的用气成本严重制约了以太坊的发展。为此，以太坊的扩容问题一直备受市场关注。在DeFi爆发的背景下，侧链、国信、等离子等Layer2扩容解决方案已不能满足市场的要求，而聚划算成为时代的宠儿。

当然，rollup不是一个纯粹的第2层解决方案，更像是第1层和第2层的混合物：数据在链下计算、打包和压缩，然后存储在链上。此外，为了解决数据的真实性和有效性问题，保证资产的安全性，rollup推出了ZK rollup使用“有效性证明”和optimal rollup使用“欺诈证明”。

一般来说，ZK汇总和最优汇总各有优缺点。ZK rollup适用于支付、交易等非合同领域，成本低，速度快。由于OVM的存在，最优上卷是目前适合于智能合约应用领域的一种方法。然而，随着图灵完备EVM在ZK rollup项目中的推出，ZK rollup在未来可能会取代最优rollup。

但罗普的扩容上限取决于区块用气量上限，因此未来中短期只能成为以太坊的扩容方案，以解决DeFi生态的迫切需求。从长远来看，要从根本上解决以太坊的可扩展性问题，我们还要依靠以太坊 2.0切片技术的顺利实现。

然而，值得注意的是，rollup协议能够捕获价值，并且在经济上是可持续的。可以预见，罗拉项目发布的币发电将具有巨大的投资潜力。

在沉寂了近两年之后，以太坊的汇总扩张计划终于迎来了开花结果的曙光：今年2月，Optimism宣布完成a轮融资，并将于3月推出主网；来自matter labs的zksync去年也推出了主网，并将在2011年推出支持图灵的智能合约此外，另一个引起业界关注的汇总解决方案arbitrum也将于今年在主网推出。

表1。汇总计划进展，来源：okex研究所

归根结底，市场对汇总充满了期待和追捧。不过，从实际情况来看，很多投资者和以太坊的用户对rollup并没有一个清晰的认识，但总的来说，他们已经达成了一个共识，rollup非常重要，是以太坊的未来。

这句话的前半部分是对的，汇总对现在的以太坊确实很重要，但下半部分并不准确，汇总并不是以太坊的未来。更确切地说，rollup只代表了以太坊的中短期扩容计划，这是以太坊解决网络拥塞问题的一场中场之战。从长远来看，要从根本上解决以太坊的可扩展性问题，我们还要依靠以太坊 2.0碎片化技术的顺利实现。
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为了正确认识和预测罗普的未来，把握其财富机遇，我们需要分析罗普的历史背景、原则和机制。
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以太坊的扩张战与
的崛起；

自以太坊诞生以来，其低效性能不断受到市场的损害：以太坊网络的TPS（交易处理能力）约为15笔/秒，而Visa网络为2000笔/秒，而支付宝网络在“双11”期间达到50万笔/秒。由于交易处理能力较低，以太坊的管网经常堵塞，燃气成本较高，特别是在2017年的牛市和2020年以来的去中心化融资浪潮中，严重制约了以太坊生态的进一步发展。

图1。以太坊网络日平均交易量和耗气量的变化，数据来源：ETHerscan，okex研究所
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解决区块链网络拥塞、提高公链可扩展性逐渐成为业界关注的焦点。各种区块链扩展计划也即将推出，主要包括两类：
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链上扩展方案又称第一层方案，主要通过增加区块链本身的交易容量来实现。常见的layer1方案包括增加块容量（例如，BCH使用32m大块）、隔离见证（BTC，它将数字签名与事务数据分离，并改变原有的块结构以实现扩展）和分段技术（以太坊2.0，它将主链的状态和历史划分为不同的分区，以实现扩展）。
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链下扩展方案又称Layer2方案，主要通过Layer2协议来执行链下的大部分事务，以降低成本，提高效率。目前主流的Layer2方案包括状态通道、侧链和等离子体。

图2。区块链扩展的主要方案，来源：欧易奥克斯研究院
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在以太坊的早期开发中，人们普遍认为侧链技术是解决区块链扩张问题的最佳方案。所谓侧链是与主链平行的另一个独立区块链。它可以通过托管的方式将部分交易转移到侧链，扩展主链的容量。但同时也带来了两个严重的问题：一是侧链资金安全得不到保障。黑客一旦控制了侧链，就可以窃取侧链上的资金；其次，侧链无法保证数据的安全可用性：只要黑客控制了侧链，就可以拒绝共享底层交易数据，对主链的安全造成重大打击。

图3。侧链技术方案原理，数据来源：欧易奥克斯研究院
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为了解决侧链存在的问题，实现以太坊的扩容，以太坊创始人维塔利克于2017年推出了名为“等离子”的二层扩容解决方案。plasma的独特之处在于设计了防欺诈机制：plasma将特定的底层数据发送给用户保管，解决了数据可用性问题；此外，plasma还有“退出期”设计。即使黑客获得侧链控制并试图取款，任何用户都可以在“退出期”提交证据进行质疑。如果质疑成功，任何人都无法提取资产，运营商将被罚款，从而保证了数据的真实性、有效性和准确性，解决了资金安全问题。
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然而，plasma解决了侧链问题，却带来了新的问题：首先，用户必须每两周上网一次，对plasma链进行监控，否则，黑客错过“退出期”时，就可以将资产拿出来；其次，用户必须保存底层交易数据，以确保数据的可用性，但这给用户带来了巨大的存储成本用户。因此，plasma并不友好，体验也很差。在2018年大熊市的背景下，曾经基于以太坊社区高期望的等离子解决方案逐渐被抛弃。
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事实上，即使2018年没有牛市，等离子也无法适应以太坊的生态发展。自2019年以来，DeFi逐渐崛起，以Uniswap为代表的AMM成为其中的佼佼者。对于uniwap上的流动性提供者（liquidity provider，LP），其存储在交易池中的资产很容易发生变化，不可能满足plasma方案中LP每笔交易的质询验证要求。事实上，大量的DeFi协议都可以在未经用户同意的情况下改变账号状态，因此plasma注定会在DeFi时代走向衰落。

图4。Layer2扩建方案的演变与发展，资料来源：欧易OKEx研究所
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同样，状态通道也面临着side chain和plasma所面临的问题：状态通道不能表示逻辑上没有明确所有者的对象（比如Uniswap），对象需要是明确的资产所有者。
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因此，在DeFi对以太坊生态越来越重要的今天，无论是状态通道、侧链还是等离子都不能满足以太坊的实际需求。与其说是上帝V在推动汇总中起了决定性的作用，不如说是时代选择了汇总。那么汇总有什么特别之处呢？
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汇总原理分析
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在分析rollup之前，我们不妨先了解一下plasma的扩展模式：在这个链下，plasma操作符聚合等待批处理的事务，生成Merkle树。树中的每个叶可以表示事务资产的信息。如果没有事务，则叶值为0。然后，plasma将Merkel树的根发送到主链的上链，并将Merkel树的分支发送给用户保存。
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因此，主链只存储Merkel树根的hash值，通过Merkel树根的索引，可以在分支叶中找到具体的事务信息。但是，这些具体的交易信息是由用户存储在链下的，因此节省了链上的大量空间，实现了主链的扩展。

图5。等离子体膨胀原理，来源：等离子体白皮书，okex研究所
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然而，如前所述，用户将特定事务信息保存在链下，这对数据可用性有折扣，并且不适合于DeFi应用程序。因此，以太坊社区提出了一种新的方案：压缩事务数据并将其放到链上，称为rollup方案。
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具体来说，rollup将事务数据压缩到Merkel树中并存储在链上；同时，它在智能合约中保存Merkel树的根（state root）。rollup操作符可以发布一批摘要事务，这是压缩的事务集，包含前一个状态根和新的状态根（处理事务后的新Merkel树根）。智能合约将检查并更新状态根以实现资产的转移。
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当然，我们可以从上面看到，rollup不是一个纯的第2层解决方案，更像是第1层和第2层的混合物：数据是在链下计算和打包的，但是存储在链上。因此，将rollup称为半链向下扩展或半层2更为合适。
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图6。汇总展开原理，数据来源：vitalik。不完整的汇总指南，okex研究所
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用一个比喻，现在我们需要保存许多电影。Plasma类似于在电脑上存储电影，然后只在U盘上保存一个目录文件。根据目录文件，我们可以很容易地找到任何比特币电影在电脑中的位置。Rollup的方法是先压缩电影，然后将它们全部保存到U盘上。这样，我们可以在USB闪存驱动器中存储更多的电影。
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那么，rollup是如何实现压缩的呢？—主要压缩事务参数，包括nonce、gasspice、gas、to、value、signature，如下表所示：

表2。汇总压缩方法，数据来源：vitalik。不完整的汇总指南，okex研究所
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过去，一个事务需要112字节的存储空间，而现在它只需要12字节的存储空间，一个字节大约需要16个字节。在以太坊上，气体的上限为1250万。假设rollup需要500000 gas，那么rollup上的事务处理能力是6033；

（区块耗气量上限-汇总耗气量）/每字节耗气量/事务字节数/区块时间=（12500000-500000）/16/12/14=4464个事务/秒
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目前，以太坊上的一次中转消耗约21000燃气，这意味着如果全部用于中转，那么以太坊的最大事务处理能力为：阻塞燃气消耗上限/单次中转燃气消耗/阻塞时间=12500000/21000/13=45个事务/s
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这意味着在传输场景中汇总减少，以太坊的TPS增加了100倍。同样，根据vitalik的计算，在ERC20传输和Uniswap应用场景中，在相同条件下，以太坊 TPS可以扩展100-400倍。
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前面的分析非常顺利，但我们忽略了一个类似于侧链技术的重要问题：如何防止汇总操作符伪造数据窃取资产？以太坊社区提出了两种方案：使用“有效性证明”的ZK汇总和使用plasma的“欺诈证明”的最优汇总。
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ZK汇总与乐观汇总
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首先，让我们看看ZK汇总方案的实现。ZK rollup使用ZK snark（zero knowledge success non-interactive argument of knowledge）来保证事务的安全性。
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quot;零知识证明（zkp）quot;是由S.Goldwasser、S.Micali和C.rackoff在20世纪80年代初提出的，它意味着验证者可以在不向验证者提供任何有用信息的情况下，使验证者相信某个结论是正确的。
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一个典的例子：有一条环形走廊有一个缺口。出入口很近（在视线范围内），但走廊中间有一扇门只能用钥匙打开。爱丽丝想向鲍勃证明她有门的钥匙。使用零知识证明，鲍勃看着爱丽丝从入口进入走廊，然后从出口走出走廊。这时，鲍勃没有得到任何有关钥匙的信息，但它可以证明爱丽丝有钥匙。

图7。零知识证明案例，数据来源：欧易OKEx Research Institute
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由此可见，zkp具有计算的非对称性。在ZK-rollup方案中，rollup算子投入大量资源进行ZK-snark计算并成批进行，而智能合约（验证器）可以快速、低成本地证明交易的安全性。因此，ZK-rollup具有很多优点：可以保护隐私，快速验证数据的真实性；但其缺点是计算量大，技术难度高，难以支持虚拟机。
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在之前的plasma解决方案中，我们引入了其“防欺诈”机制，可以实现交易数据的真实性、有效性和准确性，保证资产的安全性。最佳汇总只遵循以下机制：这种汇总跟踪每个批的所有历史状态根和哈希值。如果有人发现一个批次的后状态根不正确，他可以向区块链出具证明，证明该批次的计算是错误的。智能合约验证证明并回滚批和后续批。
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Optimal选择了plasma的防欺诈机制，这意味着plasma有很长的“退出期”（约一周），这大大降低了资金利用效率。但好消息是，随着DeFi的发展，资金利用效率随着生态的成熟而大大降低，大量的流动性提供者可以在“退出期”为用户提供资金，可以有效解决资金使用的冲抵问题。此外，最重要的是最优汇总还继承了plasma的OVM，这意味着与以太坊 EVM兼容的智能合约可以部署在最优汇总网络中，这对于DeFi来说尤为重要。

一般来说，ZK汇总和最优汇总各有优缺点。ZK rollup适用于支付、交易等非合同领域，成本低，速度快。由于OVM的存在，最优上卷是目前适合于智能合约应用领域的一种方法。然而，随着图灵完备EVM在ZK rollup项目中的推出，ZK rollup在未来可能会取代最优rollup。
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Rollup的未来和财富机会；

综上所述，与其他layer2方案相比，rollup能够更好地保证数据的安全性和可用性。然而，汇总真的是以太坊的未来吗？
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不，从罗洛普的扩展方案可以看出，区块用气量的上限是罗洛普方案的上限。这类似于在早高峰时间乘地铁。为了在地铁车厢（街区）容纳更多的人，我们不得不把更多的人挤上车（压缩）。但是，无论压缩多少，都有一个上限。未来，随着区块链应用的不断发展，我们会不会只满足于100倍的最大扩展？所以从长远来看，以太坊未来的扩容有赖于以太坊 2.0切片技术的顺利实施。
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不过，根据以太坊的官方计划，以太坊 2.0碎片化的实施可能要到2030年才能实现。但即使是现在，由于DeFi的普及，以太坊已经很拥挤，汽油费也很高。几年前，状态通道、等离子体等二层解决方案还不能满足DeFi的要求，而切片技术是一个遥远的目标。正是“过去不可谏，未来不可追”，汇总自然成为应对以太坊中短期扩容计划的最佳方案，也成为以太坊 2.0的中场接力。
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当然，vitalik提倡rollup的另一个原因是，rollup协议能够捕获价值，并且在经济上是可持续的。
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我们先谈谈经济价值。上卷可以缓解以太坊的拥堵，降低汽油费。节约的部分成本可以转化为汇总协议的收入（如收费和MeV），具有经济可持续性。
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那么，为什么汇总能够捕获价值呢？这与汇总的特殊性有关：数据放在主链上，只在主链下进行数据计算。第1层和第2层之间的混合方案使得rollup成为主链上一个特殊的DAPP应用程序。因此，rollup project可以在主链上基于rollup协议发布币代，并通过币代捕获协议的价值。
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可以预见，在未来几个月的汇总爆发后，代表币的汇总项目将会很多。那些愿意代表币附加协议经济价值的项目将代表币具有巨大的投资潜力。