你知道区块链的热门主力方案Rollup是什么吗？

最近，以太坊创始人Vitalik Buterin在一篇题为“混合式二层协议的曙光” 的文章里对Rollup方案大加赞赏，认为它为智能合约的可扩展性打开了大门。

那么什么是Rollup？它包括哪些主流方案？这些方案各自有什么优缺点？它们未来发展的前景如何？

Rollup的出现

最近几年，以太坊二层（Layer-2）扩容技术得到了迅猛发展。

所谓二层，就是将一部分资金存储在主链智能合约里，在保证足够安全的前提下，把一部分交易放到主链之外进行，就好像链下多出来了一层网络。

在二层方案里表现比较突出的就是状态通道和 Plasma侧链。虽然这两种方案诞生时间很早，但是发展的却比较缓慢。其背后的原因归根结底是数据的可用性问题。

就在二层扩容技术举步维艰的时候，一种名叫 Rollup的新方案被提了出来。

但是与状态通道和Plasma不同的是，它可以“打包”交易，并将“打包”后的交易数据连同一个SNARK零知识证明发布到链上。

打包的正确性可以通过零知识证明来见证，负责“打包”的操作者不可能发布恶意或无效的交易。这就是后来被Vitalik Buterin称之为ZK Rollup 的二层扩容方案。

ZK Rollup并非万能，它遇到的最大问题就是通用性。除非要证明的交易非常简单，否则创建SNARK证明的成本会非常高。

因此，一种名叫Optimistic Rollup的折中方案被提了出来。

Optimistic Rollup同样也是把交易数据都放到链上，但不是用SNARK做见证，而是采用“加密经济学有效性博弈”来实现有效性验证。

作为一种提高区块链吞吐量的技术，Rollup可以在有效提高网络吞吐量的同时，避免对协议层进行大量的更改，部署Rollup也不需要对网络发起硬分叉升级。

目前已经有许多以太坊上的项目（如Celer，ANON等）采用了Rollup协议来提高Dapp的吞吐量和用户体验。

Rollup是如何工作的？

链上有一个智能合约，它维护状态根：rollup状态的Merkle根（意思是，“余额”内的帐户余额，合同代码等）。

任何人都能够以高度压缩的形式发布批处理，交易集合以及先前的状态根和新的状态根（处理交易后的Merkle根）。

合同检查批处理中的先前状态根是否与其当前状态根相匹配；如果是这样，它将状态根切换到新的状态根。

为了支持存款和提款，我们增加了使输入或输出处于rollup状态“之外”的交易的功能。

如果批次具有来自外部的输入，则提交该批次的事务也需要将这些资产转移到rollup合同中。

如果某个批次有外部输出，则在处理该批次时，智能合约会启动这些提款。

就是这样！除了一个主要细节：如何知道批次中的状态后根是正确的？

如果某人可以提交具有任何后期状态根源的批次而没有任何后果，那么他们可以将rollup中的所有Token转移给自己。

这个问题很关键，因为有两个非常不同的解决方案系列，而这两个解决方案系列就导致了两种rollup方式。

Optimistic Rollup与ZK Rollup

Rollup的两种类型分别是Optimistic rollup和ZK Rollup。

Optimistic Rollup

Optimistic rollup，使用欺诈证明—rollup合同会跟踪其整个状态根历史以及每个批次的哈希值。

如果有人发现某个批次的状态后根不正确，则发布需要链的证明，以证明该批次的计算不正确。合同将验证证明，并还原该批次及其之后的所有批次。

ZK rollup

ZK rollup，使用有效性证明—每个批次都包含一个称为ZK-SNARK的加密证明（例如，使用PLONK协议），这证明后状态根是执行批次的正确结果。

无论计算量有多大，都可以在链上非常迅速地验证证明。

总的来说，我个人认为，在短期内，对于通用EVM计算而言，乐观可能会胜出；而对于简单付款，交易和其他特定于应用的用例，ZK可能会胜出。

随着ZK-SNARK技术的改进，中长期ZK将在所有用例中胜出。

Rollup工作细节

在Optimistic Rollup中，首先我们需要设立一个可信任的节点，这个节点负责收集所有的交易信息、验证然后打包.

打包后的信息集合将带上该节点的签名发送到区块链网络中。

当一个可信节点设置成功后，该节点将成为Rollup节点，这个节点需要同全节点一样，下载整个区块数据并实时更新区块状态。

我们仍旧以之前那个公司为例，假设目前有2000笔交易正在等待执行，公司的员工会将2000笔交易发给Rollup节点。

之后，Rollup节点需要根据已有的状态和区块数据，对交易进行验证，并保存以下数据集（交易内容，交易前状态，交易后状态）。

当Rollup节点对所有交易完成了验证与执行并生成数据集后，节点需要对这个数据集进行签名，即Sig Rollup节点（交易内容，交易前状态，交易后状态）。

最后将签名与数据集整合到一笔交易中，这个交易被称作断言Assertion，发送到区块链网络等待其他节点验证即可。

需要注意的是，网络中的其他节点并不会验证Rollup节点发来的数据集，仅仅只验证其签名，验证完毕后将根据数据集更新区块链网络状态。

正如它的名称“Optimistic Rollup”，实际上所有的Rollup协议由于将交易验证从链上转移到了链下，因此都是一种基于“乐观”的假设—假设大多数情况下Rollup节点不会作恶。

但光有乐观假设是不足的，节点总会因为各种各样的原因出现问题。

为了避免这些节点恶意行为，提高作恶成本，Optimistic Rollup中还有如下机制：

一方面，Rollup节点需要向网络质押一定额度的Token，这些Token有一定的解锁时间，并会在Rollup节点做出恶意行为时被罚没。

另一方面，Rollup节点所提交断言不会被网络立即认可，所以存在一定时间的窗口期（一般是1周）。

如果其他节点认为该Rollup节点提交的断言存在恶意行为，节点可以质押一定押金并对该断言发起挑战。

并且区块链中的出块/验证节点会对该断言中的所有内容（包括数据集）进行重新验证、执行，比对交易状态的差距。

如果的确存在恶意行为，那么Rollup节点的押金会被罚没，则发起挑战的节点则会获得一定奖励。如果不存在恶意行为，则发起挑战节点的押金会被罚没。

另外，在窗口期结束时没有其他节点对断言发起挑战的话，断言中的状态信息将会被系数更新至区块链状态中。

Optimistic Rollup可以将多个交易信息经可信第三方聚合为单笔信息，由于交易中的状态变更情况是由链下节点验证而非链上节点验证。

因此降低了区块链上节点的验证难度（仅需要验证Rollup节点所提交的签名，并更新由该节点提交的状态信息即可）。

数据集虽然看起来并没有较单个交易的叠加更小，但数据集因为不会受链上节点的验证，故不需要为其支付高昂的手续费。

依靠这种Layer2处理方案，可以很容易的提高区块链的有效吞吐量。

ZK rollup是如何工作的？

一个简单的以太坊交易（发送ETH）需要约110个字节。但是，Rollup上的ETH传输仅占用约12个字节。

ZK特有的一个重要压缩技巧是，如果事务的一部分仅用于验证，而与计算状态更新无关，则可以将该部分留在链下。

这不会完全在乐观的状态下完成，因为如果以后需要在欺诈证明中检查数据，则仍需要将数据包含在链上。

而在ZK中，SNARK证明批次的正确性已证明任何数据提供了验证所需的信息。

还有一个重要的例子是隐私保护，在乐观的状态下，每笔交易中用于隐私的约500字节需要进行保留，而在ZK中，覆盖整个批次的ZK-SNARK已经没有了。

这些压缩技巧是Rollup可伸缩性的关键。没有它们，Rollup可能只会使基础链的可伸缩性提高约10倍，而采用压缩技巧时，缩放系数几乎可以超过100倍所有应用程序。

链金分析

Rollup的基本概念现在已经得到了很好的理解，但我们可以肯定它们在根本上是可行且安全的，并且已经将多个Rollup部署到了主网上。

但仍有很多Rollup设计领域尚未得到很好的探索，充分利用以太坊的可伸缩性，将以太坊生态系统的大部分完全整合到Rollup中还将面临很多挑战。

Rollup是一种强大的新的2层伸缩范例，在短期和中期的未来（以及可能也是长期的）中，有望成为以太坊伸缩的基石。