以太坊中場戰事，Rollup的實與虛

本文發布於歐易OKEx研究院。

摘要

自以太坊誕生以來，其低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且Gas費用高漲，嚴重地限制了以太坊生態的發展。為此，以太坊擴容問題一直被市場所關注，在DeFi大爆發的背景下，側鏈、狀態通道、Plasma等Layer 2擴容方案都無法滿足市場的要求， Rollup成為了時代的寵兒。

當然，Rollup並不是一種純粹的Layer 2方案，而是更像Layer 1和Layer 2的混合體：數據在鏈下進行計算並打包壓縮，隨後鏈上進行存儲。此外，為了解決數據的真實性和有效性，保障資產安全，Rollup推出了使用"有效性證明"的ZK-Rollup，以及沿用Plasma"欺詐證明"的Optimistic Rollup。

綜合而言，ZK-Rollup和Optimistic Rollup各有優劣，ZK-Rollup適用於支付、交易等非合約領域，成本低且速度快；而Optimistic Rollup因為OVM的存在，目前適用於智能合約應用領域；但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM，未來ZK-Rollup可能會取代Optimistic Rollup。

但是，Rollup的擴容上限取決於區塊Gas消耗量的上限，因此只能成為以太坊在未來短中期的擴容方案，以解決DeFi生態的燃眉之急，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰賴以太坊2.0分片技術的順利實現。

不過值得注意的是，Rollup協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。可以預見的是，Rollup項目發行的代幣將具有巨大的投資潛力。

經過近兩年的蛰伏，以太坊的Rollup擴容方案終於走到了要開花結果的黎明前夕：今年2月，Optimism宣布完成了A輪融資，並將於三月上線主網；來自Matter Labs的ZkSync，其主網也於去年上線，並將在今年推出支持圖靈完備的智能合約；此外，另一個受行業矚目的Rollup方案---Arbitrum，也將於今年上線主網。

• 表1. Rollup方案進展情況

|-------------------|---------------|-------------------|--------------------------| | Optimistic Rollup | Optimism | Uniswap, Compound | 2021年3月 | | ZK Rollups | Matter Labs | Curve, SuShiSwap | 2020年上線測試網，今年推出圖靈完備的智能合約 | | Arbitrum | Offchain Labs | Bancor Paraswap | 預計今年上線 |

資料來源：歐易OKEx研究院

在Rollup夜盡天明之時，市場也對其充滿了期待與追捧。但從實際情況看，很多投資者和以太坊用戶對Rollup的認知並不清晰，不過在總體上達成了共識：Rollup很重要，是以太坊的未來。

這句話的前半部分是對的，Rollup對當前的以太坊而言，確實是重要的；但後半部分卻是不準確的，Rollup並不是以太坊的未來。更切確地說，Rollup只代表了以太坊的中短期擴容方案，是以太坊解決網絡擁堵問題的中場戰事，從長期看，要根本性地解決以太坊擴展性問題，還仰賴以太坊2.0分片技術的順利實現。

想要正確地理解、預測Rollup的未來，把握其中的財富機會，我們還需要從Rollup的歷史脈絡、原理機制方面進行剖析。

1. 以太坊的擴容戰爭和Rollup的崛起

自以太坊誕生以來，其低效的性能就不斷受到市場的病垢：以太坊網絡的TPS（交易處理能力）約為15筆/秒，而Visa網絡則是2000筆/秒，雙十一期間支付寶更是達到50萬筆/秒。低下的交易處理能力，導致以太坊網絡時常發生堵塞，且Gas費用高漲，尤其是在2017年的大牛市，以及自2020年興起的DeFi（去中心化金融）浪潮期間這一現象尤為突出，嚴重地限制了以太坊生態的進一步發展。

圖1. 以太坊網絡日均交易筆數和Gas消耗量變化
資料來源：Etherscan，歐易OKEx研究院

解決區塊鏈網絡的擁堵，提升公鏈的可擴展性，逐漸成為行業關注的重點。各種區塊鏈的擴容方案也紛至沓來，主要包括兩大類：

鏈上擴容方案，也叫Layer 1方案，主要通過提高區塊鏈本身的交易容量來實現擴容。常見的Layer1方案有增大區塊容量（如BCH使用32M容量的大區塊），隔離見證（BTC，將數字簽名與交易數據分開，改變原區塊結構以實現擴容），分片技術（以太坊2.0，將主鏈的狀態和歷史記錄劃分到不同分片上實現擴容）。

鏈下擴容方案，也叫Layer2方案，主要通過第二層協議在鏈下執行大部分交易，以降低成本提高效率。目前主流的Layer2方案包括狀態通道、側鏈、Plasma。

圖2. 區塊鏈擴容主要方案
資料來源：歐易OKEx研究院

在以太坊發展早期，人們普遍認為側鏈（Sidechain）技術是解決區塊鏈擴容問題的最佳方案。所謂側鏈，即平行於主鏈的另一條獨立的區塊鏈，通過將部分交易以托管的方式轉移到側鏈，以此實現主鏈擴容，但這帶來兩個嚴重問題：首先，側鏈上的資金安全得不到保障，一旦黑客控制住了某條側鏈，就可以將側鏈上的資金盜走；其次，側鏈不能保證數據的可得性，只要黑客控制了側鏈，就可以拒絕分享底層交易數據，對主鏈安全性造成重大打擊。

圖3. 側鏈技術方案原理
資料來源：歐易OKEx研究院

為了解決側鏈存在的問題，並實現以太坊擴容，以太坊創始人Vitalik在2017年推出了名為"Plasma"的Layer 2擴容方案。Plasma的特別之處在於設計了一套欺詐證明機制：Plasma將特定的底層數據發送給用戶自己進行保管，解決了數據可得性問題；此外，Plasma有一個"退出期"設計，即便黑客取得側鏈的控制權並嘗試取款時，任何用戶都可以在"退出期"內提交證據來進行挑戰，如果挑戰成功，任何人都不能提取這筆資產，並且運營方也將被罰款，由此保證了數據的真實、有效和準確性，解決了資金安全性問題。

然而，Plasma解決了側鏈的問題，卻產生了新的問題：首先，用戶必須每兩周上線一次，以實現對Plasma鏈的監控，否則錯過了"退出期"，黑客就可以取出資產；其次，用戶必須自己保存底層交易數據，以保證數據的可獲得性，但卻給用戶帶來巨大的存儲成本。因此，Plasma對用戶並不友好，體驗極差。在2018年的大熊市背景下，曾經被以太坊社區寄予厚望的Plasma方案也逐漸被拋棄。

事實上，即便沒有2018年的大牛市，Plasma也難以適應以太坊生態的發展---從2019年開始，DeFi逐漸興起，以Uniswap為代表的AMM更是成為其中的佼佼者。對於Uniswap上的流動性提供者（LP）而言，其存放在交易池中的資產，很容易發生改變，不可能滿足Plasma方案中對LP每次交易時都進行挑戰驗證的要求。事實上，大量的DeFi協議都可以在不經用戶同意下改變賬戶狀態，因此Plasma在DeFi時代是注定沒落的。

圖4. Layer 2擴容方案的演化發展
資料來源：歐易OKEx研究院

同樣地，狀態通道也存在側鏈和Plasma面臨的問題：狀態通道不能代表那些邏輯上沒有明確所有者的對象 (如 Uniswap)，需要對象都是明確的資產所有者。

因此，在DeFi對於以太坊生態越來越重要的今天，無論是狀態通道、側鏈，還是Plasma，都無法滿足以太坊的現實需求。與其說是V神對Rollup起到了決定性的推動作用，不如說是時代選擇了Rollup。那麼Rollup的特殊之處在哪呢？

2. Rollup 原理解析

在解析Rollup之前，我們不妨了解Plasma的擴容方式：在鏈下，由Plasma運營者將等待批量處理的交易彙總起來，生成一個梅克爾樹（Merkle Tree），樹中每個葉子可以代表一筆交易資產的信息，如果沒有交易，則葉子值為0。隨後，Plasma將梅克爾樹的樹根發送給主鏈上鏈，同時將梅克爾樹的分支發送給用戶保管。

因此，主鏈實際上只保存了梅克爾樹根的哈希值，而通過梅克爾樹根的引索，可以找到分支葉子中的具體交易信息，但這些具體的交易信息，而是由用戶在鏈下存儲，因此節省了鏈上區塊大量的空間，實現了主鏈的擴容。

圖5. Plasma擴容原理
資料來源：Plasma白皮書，歐易OKEx研究院

但正如前面所言，由用戶在鏈下保存具體的交易信息，在數據可用性上打了折扣，也不適用於DeFi應用。為此，以太坊社區提出了一種新方案：將交易數據壓縮並放在鏈上，這就是Rollup（聚合）方案。

具體而言，Rollup將交易數據進行壓縮編制成梅克爾樹，並存儲在鏈上；同時在智能合約中保存梅克爾樹的樹根（狀態根）。Rollup的運營方可以將發布一批彙總交易（Batch），該交易即壓縮過的交易集合，而且包含之前的狀態根和新狀態根 (處理交易之後的新梅克爾樹根)。智能合約會對狀態根進行檢查並更新，由此實現資產的轉移。

當然，從上我們可以看出，Rollup並不是一種純粹的Layer 2方案，而是更像Layer 1和Layer 2的混合體：數據在鏈下進行計算打包，但在鏈上進行存儲。因此將Rollup稱為半鏈下擴容或semi-layer 2方案更為合適。

圖6. Rollup擴容原理
資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易OKEx研究院

用一個形象的比喻，現在我們要保存很多電影，Plasma類似於我們將電影存儲在電腦上，然後只在U盤上保存一個目錄文件，根據這個目錄文件的指引，我們可以方便地找到任何一部電影在電腦中的位置；而Rollup的方法則是先將電影進行壓縮，隨後再全部保存到U盤中。這樣一來，我們就可以在U盤中存儲更多的電影。

那麼Rollup是如何實現壓縮的呢？---主要是對交易的參數進行壓縮，主要包括Nonce，Gasprice，Gas，To，Value，Signature，如下表所示：

• 表2. Rollup壓縮方式

|-----------|---------------|----------------------| | 參數 | 原存儲容量（字節） | Rollup下的存儲容量（字節） | | Nonce | >3 | 0 | | Gasprice | >8 | 0-0.5 | | Gas | 3 | 0-0.5 | | To | 21 | 4 | | Value | >9 | >3 | | Signature | >68 | >0.5 | | From | O | 4 | | 總存儲容量（字節） | >112 | >12 |

資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易OKEx研究院

在過去，一筆交易需要占用112字節的存儲空間，現在只需要12字節的空間，一個字節大約花費16 Gas；而在以太坊上，Gas上限是1250萬，我們假設Rollup需要花費50萬Gas，那麼在Rollup上，其交易處理能力是：

（區塊Gas消耗量上限 -- Rollup Gas消耗量）/ 每字節的Gas消耗量/一筆交易字節數/出塊時間 =（12,500,000 -- 500,000）/ 16 / 12 /14= 4464 筆/秒

目前在以太坊上進行一次轉帳需要消耗約21,000 Gas，這意味著如果全部用來轉帳，那麼以太坊的最大交易處理能力為：區塊Gas消耗量上限/ 單筆轉帳Gas消耗量/出塊時間 = 12,500,000 / 21,000 /13 = 45筆/秒

這意味著Rollup在轉帳場景下降以太坊的TPS提升了100倍。同樣地，根據Vitalik的計算，在ERC20轉帳、Uniswap運用場景，可實現同條件下以太坊TPS擴展100-400倍。

前面的分析一直很順利，但我們忽略了一個與側鏈技術類似的重要問題：如何防止Rollup運營方偽造數據進行盜取資產呢？以太坊社區提出了兩個方案：使用"有效性證明"的ZK-Rollup，以及沿用Plasma"欺詐證明"的Optimistic Rollup。

3. ZK-Rollup VS Optimistic Rollup

首先我們看實現有效性證明ZK-Rollup方案。ZK-Rollup即採用 ZK-SNARK （簡明的非交互式零知識證明，zero-knowledge succinct non-interactive argument of knowledge）來保證交易的安全性。

"零知識證明（ZKP）"是由 S.Goldwasser、S.Micali 及 C.Rackoff 在 20 世紀 80 年代初提出，指證明者能在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。

一個經典的例子：有一個缺口的環形長廊 ，出口和入口距離非常近（在目距之內），但走廊中間某處有一道只能用鑰匙打開的門，Alice 要向 Bob 證明自己擁有該門的鑰匙。採用零知識證明，則 Bob 看着 Alice 從入口進入走廊，然後又從出口走出走廊，這時Bob沒有得到任何關於這個鑰匙的信息，但是完全可以證明Alice擁有鑰匙。

圖7. 零知識證明案例
資料來源：歐易OKEx研究院

從上我們可以看出，ZKP具有計算的不對稱性。在ZK-Rollup的方案中，由Rollup運營方投入大量資源以執行ZK-SNARK計算並放在彙總交易（batch）中，而智能合約（驗證方）可快速低成本低證明交易安全性。因此ZK-Rollup有諸多好處：能在保護隱私的同時簡潔快速地驗證數據的真實有效性；但其缺點是計算量大，技術難度高且難以支持虛擬機。

在前面的Plasma方案中，我們已經介紹過其設計的"欺詐證明"機制，可實現交易數據的真實、有效和準確性，保證了資產的安全。Optimistic Rollups正是沿用了該機制：這類 Rollup 會追蹤所有歷史狀態根以及每個 batch 的哈希值。如果任何人發現某個 batch 的後狀態根不正確，都可以向區塊鏈發布一個證明，證明該 batch 計算錯誤。智能合約會對證明進行驗證，並且對該 batch 及其之後的 batches 進行回滾。

Optimistic選擇了Plasma的欺詐證明機制，即意味著有像Plasma一樣漫長的"退出期"（約一周時間），這極大地降低了資金的利用效率，但好消息是，隨著DeFi生態的成熟，可以有大量的流動性提供者為用戶在"退出期"內提供資金，可有效解決資金利用抵消的問題。此外最重要的是，Optimistic Rollup也繼承了Plasma的OVM，這意味著可在Optimistic Rollup網絡部署兼容以太坊EVM的智能合約，這一點對DeFi尤為重要。

• 表3. ZK-Rollup和Optimistic Rollup性能對比

|----------------|---------------------------------------|----------------------------------------------| | 特性 | Optimistic rollups | ZK rollups | | 每batch的固定gas消耗 | 約40,000(輕量交易，主要只是改變狀態根的值) | 約500,000(驗證ZK-SNARK所需計算量較大) | | 提款期 | 約一周(提款存在延遲，需要留出時間提交欺詐證明，如果發生欺詐需要取消提款) | 極快(只需要等到下個batch) | | 技術複雜度 | 低 | 高(ZK-SNARK是一種非常新的技術，並且數理複雜) | | 通用性 | 易達成(通用的EVM rollups即將登陸主網) | 較難達成(使用ZK-SNARK證明的通用EVM執行相較簡單計算證明難度更大) | | 每筆鏈上交易的gas消耗 | 較高 | 較低 | | 鏈下計算成本 | 較低(儘管需要大量全節點重新進行計算) | 較高(專門針對通用計算的ZK-SNARK證明可能會很昂貴，比直接運行計算可能要貴數千倍) |

資料來源：Vitalik. An Incomplete Guide to Rollups，歐易OKEx研究院

綜合而言，ZK-Rollup和Optimistic Rollup各有優劣，ZK-Rollup適用於支付、交易等非合約領域，成本低且速度快；而Optimistic Rollup因為OVM的存在，目前適用於智能合約應用領域；但隨著ZK-Rollup類項目推出圖靈完備的EVM，未來ZK-Rollup可能會取代Optimistic Rollup。

4. Rollup 的未來與財富機遇

從上面我們可以看出，相較於其他Layer2 方案，Rollup能更好地保證數據的安全性和數據的可得性，然而Rollup真的是以太坊的未來嗎？

並不是，從Rollup的擴容方案可以看出：區塊Gas消耗量的上限即是Rollup方案的上限。這類似於早高峰時乘坐地鐵，為了使地鐵車廂（區塊）能裝更多的人，我們可是再擠更多的人進車廂（壓縮）。然而，再怎麼壓縮，也是有上限的。在未來隨著區塊鏈應用的不斷發展，我們僅僅會為了最多擴容100倍而滿足嗎？所以從長期看，以太坊擴容的未來還是取決於以太坊2.0分片技術的順利實現。

然而，根據以太坊官方的規劃，以太坊2.0分片的實現可能要等到2030年了。但即便在目前，由於DeFi的大熱，以太坊早已擁擠不堪，Gas費高企。幾年前的狀態通道、Plasma等Layer 2方案無法滿足DeFi的要求，分片技術又是一個遙遠的目標。正是"往者不可諫，來者也不可追"，Rollup自然而然成為了在短中期應對以太坊擴容方案的最佳方案，成為邁向以太坊2.0的中場接力手。

當然，Vitalik主推Rollup的另一個原因在於：Rollup協議可以捕獲價值，在經濟上具有可持續性。

先談經濟價值，Rollup可以緩解以太坊的擁堵，降低Gas費。節約出來的成本，其中的部分就可以轉化為Rollup協議的收入（如收費和MEV[1]的方式），並具有經濟上的可持續性。

那麼Rollup為什麼可以捕獲價值呢？這與Rollup的特殊性有關：數據放在主鏈上，僅僅是在鏈下進行數據計算。這種介於Layer1和Layer2的混合方案，使得Rollup成為主鏈上一個特殊Dapp應用，因此Rollup項目是可以在主鏈上發行基於該Rollup協議的代幣，能通過代幣來捕獲協議的價值。

可以預見的是，在未來幾個月Rollup大爆發後，將會有眾多Rollup發行項目代幣，那些願意將協議經濟價值附著在代幣上的項目，其代幣將具有很大的投資潛力。

[1] 注：MEV即礦工可提取價值，是指礦工（或驗證者、排序器等）通過在其生產的區塊內任意包含、排除或重排序交易等能力所獲得利潤的一種度量。