Rollup最近在Ethereum社区风靡一时,有望在未来成为Ethereum的主要扩容解决方案。但这项技术到底是什么样的呢?它可以给我们带来什么变化?我们如何使用这项技术?这篇文章将试图回答其中的一些关键问题。
背景:什么是Layer1和Layer2扩容?
目前主要有两种区块链扩容方式。
首先,你可以直接提高区块链交易吞吐量,但这类技术主要挑战为「当区块容量越大时,区块链将更难以验证,而且很可能逐渐变得更中心化」。为了避免这样的风险,开发者可以提高客户端软件的效率,或者使用Sharding技术让构建和验证工作分散到许多节点上,目前Ethereum准备借助Eth2升级引入Sharding技术。
其次,你也可以改变使用区块链的方式。用户不必将所有交易放在区块链上,而是可以通过Layer2协议在链下执行大部分交易。即链上的智能合约只需执行两个任务:处理存取款和验证链下交易的有效性。由此减轻链上负担,提高交易处理效率。
Statechannelsvsplasmavsrollups
目前主要有三种Layer2扩容方案:Statechannels、Plasma和Rollups,这三种各有优劣。
译者注:译文中省略Statechannels和Plasma科普内容,主要讲述Rollups部分。
术语说明
Batch:批处理交易,指将Layer2交易批量打包并提交到Layer1的Rollup合约。
Sequencer:排序者,指在Layer2上打包排序交易的角色,类似Layer1的矿工。
Stateroot:状态根,指Layer2上所有状态通过MerkleTree生成的哈希值。
Rollups
参考:Optimisticrollups和ZKrollups。
Plasma和StateChannels是「完全」的Layer2方案,因为它们试图将数据和计算都转移至链下。然而,由于存在「数据可用性的博弈问题」,意味着这两种方案不可能安全地满足所有应用场景。
Plasma和StateChannels通过依赖所属权的owner来解决该问题,但这使它们无法完全通用化。
Curve在Snapshot发起添加USDC/USDT 2pool的提案:4月3日消息,Curve现已在Snapshot发起添加USDC/USDT 2pool的提案,这将使Curve和其他使用Curve的协议在未来减少对DAI的依赖。投票将于4月6日3:01结束。
此前,Terraform Labs还发布提案,计划在Curve上推出UST、FRAX、USDC、USDT 4pool,以推动UST在以太坊和其他EVM链上的使用。[2022/4/3 14:02:24]
另一方面,Rollups是一种「混合」的Layer2方案。Rollups将计算转移至链下,但同时将每笔交易的部分数据保留在链上。
为了提高效率,他们使用了不少fancy的压缩技巧,尽可能地使用「计算」代替「数据」。其结果是系统的扩容仍然受限于底层区块链的数据带宽,但效率是可观的:EthereumERC20代币转账成本约为45,000gas,而Rollup中的ERC20代币转账仅使用16字节的链上空间,成本低于300gas。
事实上,数据上链是关键。将数据放在链上并获得共识,如果任何人愿意,他们可以在本地处理rollup中的所有操作,从而允许他们监测欺诈交易,请求提款,或亲自生成transactionbatches。
因为没有数据可用性问题,所以恶意或离线运营者所造成的损失会更少,从而为谁有权发布batches打开了更大的设计空间,并简化rollups系统。最重要的是,没有数据可用性问题也意味着不再需要将资产映射到owners。
这是Ethereum社区对rollups比以往的Layer2扩容方案更兴奋的关键原因:Rollups是完全通用的,我们甚至可以在rollup内运行一个EVM,使得现有的Ethereum应用不必编写过多新的代码就可以迁移到rollups上。
那么Rollup到底是如何工作的呢?
链上会有一个智能合约维护着stateroot:rollup状态的Merkleroot。
任何人都可以发布一笔batch交易,这是一个高度压缩的交易集合,包含旧的stateroot和新的stateroot。合约会检查batch中的旧stateroot是否匹配当前的stateroot,如果匹配,则将stateroot更新到新的stateroot。
NBA Top Shot加入新角色奥尼尔:金色财经报道,NBA Top Shot 加入新角色沙奎尔·奥尼尔(Shaquille O'Neal)。NBA Top Shot 的新 Run it Back 助推器以每分钟 7 次的速度销售,Run it Back 05-06 的补充包零售价为每个 169 美元。新的 NBA Top Shot 掉落以 Top Shot 上的第一个 Dwayne Wade 时刻为特色。他是六位首次在系列赛中首次亮相的 NBA 名人堂球员之一,其中包括沙奎尔·奥尼尔、艾伦·艾弗森、本·华莱士和特雷西·麦克格雷迪。(decrypt)[2021/10/18 20:36:26]
为了支持存款和提款,我们增加了交易的能力,其输入或输出是「外部」的rollup状态。如果一个batch来自外部的输入,那么提交该batch的交易也需要将这些资产转移到rollup合约中。如果一个batch有对外的输出,那么在处理该batch时,智能合约将会执行「提现」操作。
这一切就这么简单!除了一个主要的细节:如何知道batch中的post-stateroots是正确的呢?如果有人可以用任意post-stateroot提交一个batch而没有任何惩罚,他们就可以直接将rollup内的全部资产转给自己。这个问题有两种截然不同的解决思路,从而衍生出两种「口味」的rollup方案。
OptimisticrollupsVSZKrollups
以下是这两种「口味」的rollups方案描述:
Optimisticrollups,采用欺诈性证明:rollup合约会跟踪历史的stateroots和每一个batch的哈希值。如果有人发现某个batch的post-stateroot不正确,那么他们可以向合约提交证明,证明该batch计算错误。合约验证该证明有效后,会对该batch和之后的所有batch进行回滚。
ZKrollups,采用有效性证明:每一个batch都包含一个称为ZK-SNARK的密码学证明,它可以证明post-stateroot是执行该batch的正确结果。无论计算量有多大,合约都可以迅速地在链上验证证明。
但两种「口味」的rollup之间有着复杂的权衡:
分析 | 金色盘面:HOT/ETH 横盘整理:金色盘面分析师表示:HOT/ETH在过去2天持续反弹,从2小时K线看出现大幅拉升,成交量同步放大,但短线升幅过大,注意回调风险。[2018/8/6]
方案权衡
总的来说,我的观点是:
短期内,Optimisticrollups很可能在通用的EVM计算中胜出,而ZKrollups则可能在简单的支付、交易和其他特定应用场景中胜出,但最终从中长期来看,随着ZK-SNARK技术的改进,ZKrollups将在所有场景中胜出。
欺诈性证明剖析
Optimisticrollup的安全性主要取决于:如果有人将一个无效batch发布到rollup合约中,那么保持跟踪链上信息并发现欺诈的任何人都可以发布欺诈性证明,向合约证明该batch无效并回滚。
如图所示,声称某batch无效的欺诈性证明将会包含这些绿色数据:该batch本身和Merkletree的部分内容,从而证明该batch读取或修改特定账户。
而该树中的黄色节点可以从绿色的节点重建,所以不必提供。这些数据足以执行该batch并计算post-stateroot。如果计算出的post-stateroot和该batch中提供的post-stateroot不一样,那么说明该batch具有欺诈性。
如果一个batch存在错误,但之前所有的batches都是正确的,那么就可以创建一个欺诈性证明以表示该batch是错误的。
请注意对旧的batches声称无效的处理:如果存在多笔无效batches提交到rollup中,那么最好尽量证明最早无效的batch。当然,如果一个batch是正确的,那么永远不可能创建一个欺诈性证明以表示其无效。
Rollups是如何压缩数据的?
一笔简单的Ethereum交易通常消耗约110字节。然而,在Rollup上发送ETH仅仅消耗约12字节。
字节消耗对比
为了达到这样的压缩效果,一方面是采用了更简单高级编码,而目前Ethereum的RLP在每个值的长度上都浪费了1字节。另一方面,还有一些巧妙的压缩技巧:
Nonce:该参数的目的是为了防止「重放」。如果账户的当前nonce是5,那么该账户的下一笔交易必须使用nonce5,但一旦交易被处理,那么该账户中的nonce就会被递增到6,这样采用nonce5的交易就不会被执行。在rollup中,我们可以完全省略nonce,因为我们只是从pre-state中恢复nonce。同时由于签名会采用最新的nonce进行检查,如果有人试图使用旧的nonce重放交易,那么签名将无法通过验证。
Gasprice:我们可以允许用户使用固定范围的gasprices进行支付,例如2的16次幂。或者,我们也可以在每笔batch中收取固定费用,甚至可以将gas支付完全移到rollup协议之外,让交易者通过特定渠道向batch创建者支付费用。
Gas:我们同样也可以将gas设置为2的多次幂。另外,我们也可以在batch层面设置gas限制。
To:我们可以使用「索引」来代替20字节的地址。
Value:我们可以用科学计数法存储value。在大多数情况下,转账仅需1~3有效位。
Signature:我们可以使用BLS聚合签名,它允许许多签名聚合成一个约32-96字节的签名。然后,这个签名可以一次性对整个消息集和发送者进行batch检查。表中的~0.5表示一个区块中可验证的聚合签名的数量是有限制的,因为它需要在一次欺诈证明中验证签名。
ZKrollups特有的一个重要压缩技巧:如果交易的一部分仅用于验证,并与计算状态更新无关,那么这部分可以省略。这在Optimisticrollup中是做不到的,因为该数据仍然需要包含在链上,以防将来欺诈性证明检查所需,而在ZKrollup中,证明数据正确性的SNARK已经提供了任何验证所需的数据。
一个重要的例子是隐私保护rollups:在Optimisticrollup中,每笔交易中~500字节用于隐私的ZK-SNARK需要上链,而在ZKrollup中,覆盖整个batch的ZK-SNARK已经足以表明「内部」的所有ZK-SNARKs是有效的。
这些压缩技巧是rollup扩容的关键,如果没有这些技巧,rollup或许只能在基础链的扩容上有大约10倍的提升,但有了这些压缩技巧,几乎所有应用的扩容系数都可以超过100倍。
谁可以提交batch?
关于哪些人可以在Optimisticrollup或ZKrollup中提交batch的问题存在许多流派。一般来说,大家都认为提交batch的用户必须先交纳一大笔押金,如果该用户提交欺诈性的batch,那么这笔押金的一部分将被烧掉,另一部分作为奖励给到提交欺诈性证明的用户。但除此之外,还存在许多可能性:
Totalanarchy:任何人都可以在任何时候提交batch。这是最简单的方法,但它有一些严重的缺点,比如存在这样的问题:多个参与者同时生成并试图提交batch,而其中仅有一个batch可以成功被收录。这将导致大量的浪费,比如没有意义的生成batch证明或者提交batch到链上。
中心化的Sequencer:通过Sequencer这样的角色提交batch。这是最「高效」的,但它依赖于一个中心化的角色。
Sequencer拍卖:通过拍卖来决定谁有权利成为第二天的Sequencer。这种方案的优点是可以筹集资金,而这些资金可以通过rollup的DAO来分配。
从PoS集合中随机选择:任何人都可以将ETH存入rollup合约中,每一个batch的sequencer都会从其中一个存款人中随机选择,被选中的概率与存款金额成正比。这种方案的主要缺点是大量资产被锁定,导致资金效率低。
DPoS投票:Sequencer通过拍卖选中,但如果他们表现不佳,那么代币持有者可以投票将其踢出,并举行新的拍卖来替代他们。
改进提交batch和stateroot的方式
目前一些正在开发的rollup方案采用的是“splitbatch”模式,即提交Layer2batch的动作和提交一个stateroot的动作分开执行,这会有一些关键优势:
你可以允许许多sequencers并行发布batch,以提高抗审查能力,而不用担心一些batch会因为其他batch已经被打包而无效。
如果一个stateroot存在欺诈,你不需要回滚所有batch,仅恢复该stateroot即可,并等待有人为该batch提供新的stateroot。这样可以更好地保障交易发送者的交易不会被回滚。
总的来说,这是一个相当复杂的技术组合,它们试图在涉及效率、简单性、抗审查和其他目标的复杂权衡中获得平衡。但现在谈哪种组合最有效还为时过早,而时间会证明一切。
Rollups将会带来多大的扩容?
目前Ethereum的gaslimit是1,250万,交易中每个字节的数据需要消耗16gas。那么如果一个区块仅包含一个batch,那么该batch会有=75万字节。如上图所示,每一位用户转账ETH仅消耗12字节,那么也就是说,该batch最多可以包含62,500笔交易。
在平均区块时间为13秒的情况下,这相当于达到约4,807TPS。
部分用例扩容提升规模
那么扩容上限可以这么计算:
(L1gascost)/(bytesinrollup*16)*12million/12.5million
现在值得注意的是这些数字还是过于乐观,原因有几个:
首先,最重要的是一个区块几乎永远不会仅包含一个batch,因为将可能会存在多个rollup方案同时运作。第二,存款和提款将持续存在。第三,短期内使用量会很低,所以固定成本成为主要消耗。但即使将这些因素考虑在内,预计扩容规模也会超过100倍。
现在,如果我们想要超过~1,000-4,000TPS,该怎么办呢?这就是ETH数据分片的意义所在,sharding建议每12秒开辟一个16MB的空间,这个空间可以被任何数据填满,系统保证对这些数据的可用性达成共识,而这些数据空间可以被rollup使用。
这个约1,398kB/s的数据量比当前Ethereum60kB/s提高了23倍,从长远来看,数据容量有望进一步增长。因此,使用Eth2分片数据的rollup可以处理高达约100kTPS,未来甚至会更多。
Rollup还有哪些尚未解决的挑战?
虽然现在Rollup的基本概念已经被大家所熟知,我们也很确认它们从根本上是可行的、安全的,以及已有多个rollup方案被部署到主网上,但rollup的设计仍然存在许多地方没有被很好地探索,将Ethereum生态系统的大部分内容完全迁移到rollup上以利用其扩容能力也存在不少挑战:
Userandecosystemonboarding-使用rollups的应用不多,用户对rollups也不熟悉,目前很少有钱包开始整合rollups,而商家和慈善机构还不接受它们用于支付。
Cross-rolluptransactions-有效地将资产和数据(例如oracle输出)从一个rollup转移到另一个rollup中,而不会产生经过Layer1的费用。
Auditingincentives-如何最大限度地提高至少一个诚实节点会真正全面验证一个Optimisticrollup的概率,以便出错时他们会发布欺诈性证明。对于小规模的rollup来说,这不是一个重要的问题,可以简单地借助利他主义,但对于更大规模的rollup来说,需要更严谨地推理这个问题。
Exploringthedesignspaceinbetweenplasmaandrollups-是否存在一些方法可以将状态更新的相关数据放在链上,而不是所有的数据。
Maximizingsecurityofpre-confirmations-许多rollup为了更快的用户体验,提供了一个「预确认」的概念,即sequencer立即给予一个承诺,交易将被包含在下一个batch中,如果他们食言,sequencer的押金将被销毁。但这种方案的经济安全性是有限的,因为可能同时向许多用户做出承诺,这种机制能否获得改进?
Improvingspeedofresponsetoabsentsequencers-如果一个rollup的sequencer突然下线,那么快速和经济地从这种情况中恢复过来将是非常有价值的:要么快速且经济地大规模退出到另一个rollup,要么更换sequencer。
EfficientZK-VM-生成通用EVM代码的ZK-SNARK证明可以被正确执行,并且有一个明确结果。
结论
Rollups是一种强大的Layer2扩容范式,预计将成为Ethereum短期和中期扩容的基石。我们已经看到了Ethereum社区对此感到大大的兴奋,因为这与之前的Layer2扩容方案不同,它们可以支持通用的EVM代码,允许现有的智能合约轻松迁移。
这是通过一个关键的妥协来实现的:放弃将数据和计算完全放在链下,而是将每笔交易的少量数据留在链上。
Rollups方案有很多种,在设计空间上会有很多选择:可以采用欺诈性证明的Optimisticrollup,或者采用有效性证明的ZKrollup。Sequencer可以是一个中心化的角色,也可以是一个去中心化的角色,或者是介于两者之间的其他选择。
总的来说,Rollup仍然是一项早期阶段的技术,一切仍在迅速发展,特别是Loopring,ZKSync和DeversiFi已经运作了几个月。
期待在未来的几年内,Rollup领域会出现更多令人兴奋的工作成果。
原文:AnIncompleteGuidetoRollups
作者:Vitalik
译者:阿树
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