为什么说第二代Optimistic Rollup是Layer2的未来？

0. 为什么还需要看 Optimistic Rollup?

a) OP 还是 ZK?

尽管 Vitalik 早在几年前就认定了 zkEVM Rollup 是未来, 同时各家 zkEVM (Scroll, zkSync, Hermez, Consensys) 也如雨后春笋一般冒出来, 但 Optimistic Rollup 仍是目前 Rollup 生态的绝对主力, 拥有 80% Layer2 的市场占有率以及前十 Layer2 方案的半壁江山。

zkEVM Rollup 的终局性扩容方案的存在, 会让 Optimistic Rollup 完全被淘汰吗?

Optimistic Rollup 和 zkEVM Rollup 并非水火不容的存在, 而是在长期内 (甚至永久性的时间内) 会是互补的方案. 对于 App-rollup 来说, Optimistic 机制在开发与部署上仍然是最简洁易用的方案。

b) OP 和 ZK 未成熟

Optimistic Rollup 的开发进度领先 zkEVM Rollup 两年左右. 但我们 Optimistic Rollup 的标杆 Arbitrum 与 Optimism 都没有在主网完全上线开放的正式版 Fraud Proof。

据 Vitalik 所说, 以太坊基金会 PSE 的 zkEVM 电路有 34469 行代码. 这庞大的代码量需要非常漫长的开发和持续的测试来进行打磨. 我们在几年内都无法完全依赖 ZK 系统所带来的安全性。

c) OP + ZK

早在半年以前, Optimism 的 Kelvin 就开始在推特上频繁地讨论 Optimism 结合 zkVM 的可行性。

他说 Optimism 的 Bedrock 不会只是 Optimistic Rollup 的客户端, 而是 Rollup 客户端. 为了完全保证 Rollup 的整体安全性, 客户端 (或许和 Arbitrum 最近的收购有关系?) 与证明的多样性 (Validity Proof 与 Fraud Proof) 才是 Rollup 真正的未来。

Vitalik 则完善了 Kelvin 的方案, 认为可以通过 (OP + ZK) + Governance 的 2 + 1 组合来实现可靠的 Rollup。

在 zkEVM 完全稳定和成熟前, 工作流程如下:

发布区块等待 24 小时 a) 如果期间没有欺诈挑战, 发布 ZKP, 完全 Finalize 区块. b) 如果有挑战, 则引入 Governance 通过 2 of 3 的模型来裁定最终结果。

在 zkEVM 稳定与成熟后:

发布区块定期发布 ZKP.a) 如果 ZKP 在指定期间正常发布, 则依其为准. b) 如果 ZKP 并未在期间正常发布 (Prover failure 或有 bug), 则先引入 Optimistic 机制, 直到 ZK 机制恢复。

这两种方案都需要 Optimistic 机制的存在, 从而保证整个 Rollup 系统的 liveness 和 safety。

因此 Optimistic 机制的发展仍然是 Rollup 宇宙版图中的重头戏。

1. 第二代 Optimistic Rollup

第二代 Optimistic Rollup 一词源于 Arbitrum Nitro 的白皮书标题. 略早与 Nitro 发布的 Optimism Bedrock 也算是第二代 Optimistic Rollup.

两者的整体差异其实不大 (如果你读 Arbitrum 和 Optimism 的 blog, 甚至会觉得是不是一样的), 本质上都是与自己的一个新的 major release. 第二代与第一代的差别也无外乎是如下优化:

开发者体验: 更强的 EVM 等效性和兼容性, L1 互操作性…用户体验: 更高的吞吐量, 更低的 gas…

但是在设计细节上仍然有取舍的不同, 我们可以在这些差异上看到 Arbitrum 与 Optimism 在构建下一代 Optimistic Rollup 上的推敲。

2. 第二代 Optimistic Rollup 设计选型对比

Arbitrum 与 Optimism 的开发人员分别对两者的架构进行了比较和对比, 这里我们就仅讨论与用户或应用开发者有关的点:

a) 区块时间

区块时间设计的选择主要是两种: 固定时间或者可变时间. 可以理解成 PoS 和 PoW 的以太坊的区别.

Optimism: 固定时间 (2 秒).

固定时间可以保证使用区块 (block.number) 来作为时间戳的合约的稳定性, 比如 Sushiswap 的 Masterchef 合约. 这些合约不用时间戳可能是考虑到矿工对时间戳有控制权 (算是 Selfish mining 或者 MEV?).

第一代的 Optimism 采用了可变时间 + 1 tx/block 的设计, 因此由于时间计算的问题, Stargate 的奖励发放就出现了一些问题.

对于 1tx/block 的老设计, Optimism 认为由于区块头的存在, 存储链的开销太大了, 除此之外状态根也需要频繁更新, 成本过高.

Arbitrum: 可变时间.

可变时间设计主要是为了减小 tx 确认的延迟. 目前一秒最多可以创建 4 个区块, 如果没有 tx 则跳过, 因此是可变时间.

对于以 block.number 进行计时的合约, Arbitrum 上 block.number 会直接返回以太坊的区块编号, 因此不会有稳定性和适配上的问题. 除此之外 Arbitrum 也提供了相应的预编译来提供 L2 的区块编号.

b) Geth 的定位

Geth 是以太坊的执行客户端, 占据了约 80% 的节点总量.

Optimism: 作为独立引擎.

将 Geth 作为独立执行引擎, 而非库处理. 好处就是可以完全重用之前的基础设施, 同时可以无缝切换到其他执行客户端.

Arbitrum: 作为库.

由于 Arbitrum 有更多的 L2 特定状态, 例如 L1 和 L2 的 gas 定价, 以及 retryable ticket, 因此将 Geth 作为库处理, 使用 hooks 进行调用.

c) L1-L2 消息 inclusion 延迟

Optimism: ~2 分钟.

Bedrock 的延迟是几个 L1 块的长度, 最坏的情况是延迟十分钟.

Bedrock 的架构更像一个 L1, 极端情况下可以通过 reorg 自己来应对 L1 的 reorg.

超过 10 分钟没被 L2 包含的 tx 就直接被判定为无效了.

Arbitrum: 10 分钟.

Nitro 延迟十分钟处理, 如果超过十分钟, 可以通过 L1 调用来强制包含 tx.

Nitro 的目标是为了用户体验, 让 L2 永远不需要 reorg.

两者都是在不同角度对用户体验进行了取舍.

d) L1-L2 消息重试机制

消息重试机制主要就是为了解决 L1-L2 跨链过程中, L1 确认了, L2 失败的问题.

Optimism: 合约中实现.

开发者可以参考 L1 Optimism Portal 的实现, 或者在合约内定义自己的重试机制.

Arbitrum: 节点中实现.

重试机制在 ArbOS 节点中实现.

e) L2 费用算法

L2 的 gas 计算基本上就是 L2 execution gas + L1 calldata cost.

Optimism: 重用 EIP-1559.

好处就是钱包和其他基础设施可以无缝接入.

Optimism 对 L2 gas 的计算基本上是将 L2 execution gas 的成本压到了最低 (99% 都是 calldata cost).

Arbitrum: 使用定制系统.

由于之前提到的可变区块时间设计, 因此 gas 定价更加复杂, 所以没有采用 EIP-1559.

f) L1 费用算法

Optimism:

L1 gas 水平到 L2 的传输几乎是即时的. 目前 Sequencer 的收益基本完全来源于 L1 gas 费用的乘数, EIP-4844 后, 它们的收入会来自 MEV.

未来会通过 L1-L2 的消息传递来传输这部分数据, 从而保证安全性 (成为协议一部分, 且可被挑战).

Arbitrum:

Arbitrum 的 L1 费用算法通过 L1 gas 的平均值来收取费用, 且通过自己的控制系统来从实际支付的费用中来获取反馈, 从而保证 L1 gas 收取和支出的稳定.

整体策略中也包括, 为了避免 Sequencer 过度收费, 因此在 gas 价格低时才发布 batch.

除此之外, 两者也探讨了很多具体架构和技术细节上的区别, 但内容过于 domain-specific 且与用户和应用开发者无关, 因此大家可以自行观看.

3. Rollup 的未来依然是 Optimistic 的

最近 zkEVM Rollup 以及整个 ZK 生态的热度确实非常高 (Devcon Bogota 基本是 ZK + MEV + 其他), 以至于大多数以太坊研究者或多或少忽视了 Optimistic Rollup 的发展, 以及在第二代中这些有趣的设计细节。

Optimistic 作为 Rollup 的领头部队, 正在 L2 UX 和 DX 上进行试验性的开拓和开创性的创新. 它们所做的可以为 zkEVM Rollup 铺好地基。

在未来两到三年, 甚至更长的时间内, zkEVM Rollup 完全可用之前, Rollup 的主导地位仍会是由 Optimistic 占据, 且 80% 的新 Rollup (App-rollup) 则会采用更为成熟和可用的 Optimistic 机制。

即使是在长期 zkEVM Rollup 成熟后, 为了 Rollup 的整体 liveness 和 safety, Optimistic 依旧会是整个系统中的重要基石。

Rollup 的未来仍然乐观。