什么是 Rollups ?

简介：
Rollups 是目前最受市场欢迎，也是能够有效解决以太坊扩容性的方法之一。 Rollups 是一种 Layer 2 线下扩容方案，可以将投资人在 Rollups 上进行的上百、上千笔交易（链下交易）, 打包成单笔交易并送往链上纪录、验证。它能大幅提高交易量与交易速度，同时也良好地继承了主网的安全性。

Introduction

目前所有的区块链均面临不可能三角问题：去中心化、可扩展性、安全性。任一区块链仅能在三者中选择两者。当以太坊选择了去中心化与安全性，便会牺牲可扩展性。随着以太坊网路使用人数的增长，以太坊逐渐无法负荷，造成了交易速度缓慢和费用高昂等问题。

升级扩容性的主要难点在于如何在不牺牲安全性与去中心化的前提下，增加交易速度与交易吞吐量（每秒交易量 TPS）。
而近期最常被提起的 Rollups 就属于一种以太坊升级扩容性的方式，是以太坊在完成分片技术、进行主网的扩容前，最具可行性的扩容方案。

以太坊的扩容

扩容性升级可以分为两种：链上扩容（on-chain scaling）与链下扩容（off-chain scaling）。

链上扩容 On-Chain Scaling

链上扩容相当于要改变原有的以太坊协议，能够真正地提高以太坊原本的交易效率，有效增加交易吞吐量，而目前链上扩容的焦点都放在分片（ Sharding）。相对于链下扩容，链上扩容的难度较高。

分片 Sharding

分片是很早就出现的技术，并运用在传统的商业数据库中。分片是将资料库水平切割成数个分片，以此来分担负荷的过程，这些分割过的数据将会被随机分配给各个节点，独立且同时并行处理。
分片能够有效提升区块链的交易效率、增加交易吞吐量，这样的升级甚至能够帮助以太坊挑战区块链不可能三角。

链下扩容 Off-Chain Scaling

链下扩容指的是通过主网之外的创新来提升主网可扩展性的不足，这样的扩容方式并不需要改变原有的以太坊协议。 Layer 2 是当前最受欢迎的链下扩容方案，除此之外还有如侧链Sidechain、Plasma等。

第二层扩容 Layer 2 Scaling

在追求可扩展性的同时，不应该牺牲去中心化与安全性。 Layer 2 是独立的区块链，由于继承了主网的安全性与去中心化， Layer 2 在可扩展性方面可以有更大的发挥。目前 Layer 2 有两种，分别是 Rollups 与 State channels 。
Rollups 是目前扩展以太坊使用的主流方案，同时也是影响以太坊路线图至关重要的角色。其中，根据安全模型又分为 Optimistis rollups 与 Zero-knowledge rollups。
状态通道 State channels，则是在保证安全的前提下，进行快速且便宜的链下交易，最后通过主网验证其确认性。

侧链 Sidechains

侧链 Sidechains 是安全性独立于主网、EVM兼容的区块链。通常会通过跨链桥将侧链与主网连接，并运行自己的共识机制，与主网平行运行。与以太坊目标不同，侧链通常在追求高交易吞吐量与更快的交易速度时，选择牺牲部分的去中心化与安全性。常见侧链有Polygon、Fantom。

Plasma

Plasma 是一个独立的区块链，锚定在以太坊主链上，并使用欺诈证明来仲裁争议。与侧链不同，Plasma 建构在以太坊区块链之上，并能够向下延伸出许多子链，其安全性并非完全独立于以太坊。Plasma 曾经被视为以太坊扩容的解决方案之一，但随后被 Layer 2 取代。常见Plasma 有OMG Network。

Rollups 扩容方案为何重要？

Layer 2 链下扩容为当前主要发展方向

由于链上扩容需要改变以太坊原有的协议并进行升级，执行难度较高，因此当前扩容性提升方案都是以链下扩容为主。
链下扩容指的是通过以太坊主网之外的创新来提升主网可扩展性的不足，这样的扩容方式并不需要改变原有的以太坊协议。链下扩容包含 Layer 2、Plasma 、侧链 Sidechains 等。
其中 Layer 2 是当前最受欢迎的链下扩容方案。由于 Layer 2 具备了以下特色，使其成为当前的重点发展方向。

1. 具备高交易吞吐量，改善用户体验，并能够减缓以太坊网路拥塞的情形。

2. Layer 2 的 Rollups 能够将大量的交易压缩，进而降低用户使用网路的成本。

3. 在追求提升可扩展性时，并不意味着可以牺牲去中心化与安全性，而 Layer 2 可以 实现这个目标，这是与其他链下扩容方式不同之处。

而 Layer 2 中当前最受欢迎并广泛使用的技术，即为具备高交易吞吐量、低手续费、与 Layer 1 资产访问能力等特性的 Rollups 。

以 Rollups 为中心的以太坊路线图

Vitalik 早在 2020年就提出了以 Rollups 为中心的以太坊路线图与 Multi-rollups 的概念。
Vitalik 提出的 Multi-rollups ，虽然仍在概念启发阶段，但仍然可能为以太坊未来带来更多可能性。鉴于 Rollups 有实现以太坊高交易吞吐量的可能，加上链上扩容-分片结合储存资料可用性（DA），未来甚至可能发展出 Rollups as a Service RaaS 的可能性 ，任何人都能快速地启动属于自己的 rollups。
Multi-rollups 概念的出现，同样也带出了未来对于 Cross-rollups bridging 技术的需求，当Rollups 逐渐成为主流，势必需要可以在各个 Rollups 之间自由且安全地移动资产的技术，同时也不需要支付以太坊高昂的手续费。

什么是 Rollups

Rollups 是目前 Layer 2 实行的主要选项，Rollups 本身是一条独立的区块链，用户们在 Rollups 上进行交易，并且将交易数据发送至以太坊上纪录。通过这样的方法，Rollups 获得了来自主网的安全性。同时 Rollups 将上百笔资料打包成单笔的交易资讯送往主网，这笔交易费由所有人分摊，因此也能够大幅降低手续费。
Rollups 旨在通过在独立的区块链进行交易的计算，并将交易纪录、数据打包送往以太坊上纪录，以此来提升以太坊的可扩展性。
目前 Rollups 有两种，分别是 Optimistic rollups 与 Zero-Knowledge rollups，主要的差别在于它们具备不同的安全模型。

什么是 OP-Rollups

Optimistic rollups 之所以被称之为“乐观的”，是因为所有发生在 OP-Rollups 上的交易都会被假定是真实且有效的，乐观地看待所有的交易内容。

OP-Rollups 如何验证交易的正确性？

OP-Rollups 通过加密货币的诱因与惩罚，让验证者保持诚实，在链上任何人都可以成为验证者，但同时必须提供一部分的保证金，如同权益证明 Proof of Stake 一样，若是提出了无效的交易或是试图恶意分叉，将会削减其保证金。
同时 OP-Rollups 通过欺诈证明（Fraud Proof）来检测交易的真伪，当区块链上的交易被打包送往以太坊主网后，会保留一段称之为挑战期（Challenge Period）的时间，在这段时间内，任何人都可以通过计算欺诈证明来验证这份来自 OP-Rollups 上的交易包。

进入 OP-Rollups

为了进入 OP-Rollups，用户需要将 ETH 、 ERC-20代币或是其他加密货币资产存入跨链桥，跨链桥的合约会连接到 Layer 2 也就是 OP-Rollups 上，并在该区块链上铸造等量的资产，之后送到用户选择的地址上。

退出 OP-Rollups

相较之下，要离开 OP-Rollups 较为困难。当用户试图离开 OP-Rollups 时，由于资金皆托管在以太坊主网上，必须等待挑战期过后，才能将资金收回，在此期间任何人都能对该笔交易提出质疑。虽然过程对于用户来说相当简单，但是较为费时，时间通常在1-2周。

EVM 兼容性

OP-Rollups 的优势在于与 EVM 有良好的兼容性，这让原本在以太坊上部署合约的团队可以在不用修改大量代码的前提下，部署合约到 OP-Rollups 上，除了省下相当多的时间外，也可以持续使用熟悉的编程语言、测试工具等。
若是想了解更多关于 EVM 以太坊虚拟机的知识，可以前往学院中心阅读 What is EVM 。

Arbitrum

Arbitrum 是采用 OP-Rollups 的其中一条 Layer 2 区块链，也是目前 Layer 2 的领先者，在当前的 Layer 2 市场中，占据了将近一半的市值。

除一些明星级项目已经开始在 Arbitrum 运行之外，如Uniswap 、 Yearn 、 Sushiswap，也有许多特别的原生项目也开始在 Arbitrum 运行，如衍生品协议 GMX 、打算建造庞大 NFT 生态系统的TreasureDAO等。
Arbitrum 目前尚未发行自己的代币，加上其 TVL 位居 Layer 2 龙头，使得所有投资人虎视眈眈。而 Arbitrum 也在 2022年 4月推出 Arbitrum Odyssey 奥德赛，旨在让用户体验完整的 Arbitrum 生态，该活动与 Project Galaxy 合作，整个活动持续8周，完成每周挑战可以获得 NFT，收集至少13个 NFT的用户最终将获得独家、象征 Arbitrum 之旅结束的 NFT。
但是在奥德赛活动举办一周后，由于无数用户涌入，导致交易量爆量，Arbitrum 的网路费用飙升，造成网路拥挤的问题， Arbitrum 决定暂停奥德赛，并在 Nitro 发布后恢复。

OPTIMISM

OPTIMISM 简称 OP，同样也是采用 OP-Rollups 的 Layer 2 ，在目前 Layer 2 总市值中排名第二。与 Arbitrum 不同，OP已经在 2022年6月1日宣布发放第一波空投。发放空投之后，OP 生态激励计划也随之开始，为了获得高额奖励的投资人纷纷进入 OP ，OP 的总锁仓量也大幅增长。

除了同样有明星项目（Uniswap , Aave 等）入驻外，OP生态系上的原生项目 Velodrome，是采用 ve（3,3）经济模型的去中心化交易所，也取得了相当大的成功，甚至在锁仓量上超越了去中心化交易所的龙头 Uniswap 。

什么是 ZK-Rollups

与 OP-Rollups 略有不同，ZK-Rollups 在链下对大量交易进行打包且通过发送有效性证明到主网，让智能合约状态更新，因此仅需将最小的数据发布到主网上即可验证交易。

ZK-Rollups 如何验证交易的正确性

ZK-Rollups 区块链的状态由部署在以太坊主网的智能合约维护。通过 ZK-Rollups 提出的有效性证明，可以在送往主网验证没问题后，更新 ZK-Rollups 区块链状态。送往主网的数据资料包含了以太坊智能合约的状态更新与证明这些变动是正确的加密证明。
此外， ZK-Rollups 同样使用权益证明挑选操作员，操作员必须事先在合约中存入加密货币作为保证金，存入的多少会影响被选中的机率，若操作员有恶意行为，存入的保证金也将面临损失。
由于用户离开 ZK-Rollups ，同样是必须将交易内容打包，通过有效性证明验证、更新区块链状态，因此与 OP-Rollups 不同，无需额外等待挑战期。

EVM 兼容性

ZK-Rollups 要兼容 EVM 并不容易，比起简单的运算，运行复杂的智能合约要困难许多。因此， ZK-Rollups 的进展相对于 OP-Rollups 慢了许多。但随着近年来零知识证明技术的进步，实现 zkEVM 也不再是件难事。

有效性证明 Validity Proofs

ZK-Rollups 将区块链上的交易打包后，集合成一单笔数据，即为有效性证明。有效性证明允许当事人在不陈述事件本身时证明事件本身的真实与正确性，因此也被称为零知识证明 zero-knowledge proofs 。
目前有效性证明有两种模式，分别是：

1. ZK-SNARK 零知识简洁非交互式知识论证
   因为其证明较短，能够大幅提升交易速度与交易吞吐量而受到欢迎。但若是用于创造公共证明的信息落入恶意的操作员之手，可能会产生虚假的有效性证明，因此有安全和信任上的疑虑。

2. ZK-STARK 零知识可扩展的透明知识论证
   ZK-STARK 被认为是对 ZK-SNARK 的改进，ZK-STARK 具备了透明性，因此依靠公开验证的随机性来设置验证证明的函数。此外其具备了可扩展性，在验证大型数据集时，能够更快完成。

由于 ZK-STARK 提出的有效性证明较大，送往主网验证时需要的费用也较高。

Immutable X

Immutable X 成立于2018年，是目前采用 ZK-Rollups 中最为人所知的区块链之一。其特色是具备良好的 NFT 环境，许多大型 GameFi 都预计在 Immutable X 上发行，如 Illuvium , Ember World等。

其早期开发的 Gods Unchained 也十分火热。Gods Unchained 是一款卡牌对战游戏，通过搜集、交易组成自己的牌组来与对手决斗。

Polygon zkEVM （Hermez）

近期 Polygon 持续扩张其在 ZK 领域上的版图，陆续收购了 Mir Protocol 、 Hermez Network ，并在2022年 7月，通过旗下各个团队的协助，推出了 Polygon Hermez 。这是第一个开源的 EVM 等效 zkEVM 项目 ，因 Polygon 强大的品牌，一推出就吸引了众人的目光。在开放测试网后，开发人员可以将任何以太坊智能合约无缝部署到 Polygon Hermez。

（图片来自 Polygon zkEVM）

OP-Rollups vs ZK-Rollups

安全模式

ZK-Rollups 依靠去信任化的加密机制确保区块的安全，OP-Rollups 则是仰赖加密货币激励来维持信任。
OP-Rollups 通过将大量交易打包成单笔交易，送往主网验证，并且不事先对这些交易验证真伪，乐观地假定所有交易皆正确，保留约1-2周的挑战期，让任何人都可以提出欺诈证明质疑交易内容的真实性，以此来保护区块链状态。由于 OP-Rollups 有挑战期，因此用户若是打算离开，需要等挑战期结束，才能确定该交易的正确性。
ZK-Rollups 则是会事先对打包好的交易提出有效性证明，并将该证明送往主网上的智能合约，以此来证明区块链状态更新的真伪。由于需要提供有效性证明来更新区块链状态，因此可以随时离开。

区块空间利用

OP-Rollups 将大量交易打包成单笔交易送往主网进行验证 ; 相较之下，ZK-Rollups 则是将少量的证明送往主网。发送数据上主网是 Rollups 的主要成本，因此仅需要发送少量有效性证明的 ZK-Rollups 更具优势。

EVM 兼容与成长性

由于 OP-Rollups 更容易兼容 EVM ，因此目前运行的 Layer 2 中，OP-Rollups 在市值上占据了大半部分，但是由于配备了欺诈证明的特性，须待时间过后才能确定交易的最终正确性。
ZK-Rollups 在成本、去信任与交易的确认时间皆具备优势，但其难以兼容 EVM，且仍有许多问题待改善，如开源程度较低、各家手法不一等。
综合来看， OP-rollups 的开源程度高，相对容易开发，因此目前 Layer 2 市场以 Op-Rollups 为大宗，但由于其依赖欺诈证明，与 ZK-Rollups 的有效性证明相比有先天性安全的落差。 ZK-Rollups 则受限于技术难度高、开发尚不成熟等问题，进展速度较慢。
因此对于 Rollups 未来的发展，普遍的认知是短期内看好 OP-Rollups ，能有效舒缓以太坊压力，中长期则看好 ZK-Rollups ，以实现更强大的安全性与可扩展性。

Rollups 面临的挑战

不完全去中心化的 Rollups

当前的 Rollups 可以将其区分为两者来看，区块产生是中心化的，由特定的运营商产生；而区块验证则是去中心化的，由去信任化和高度去中心化的以太坊负责。

特定的运营商可向 Layer 1 提交数据证明，但这样容易导致 Single point of failure（单点故障），事实上 Arbiturm 就曾停机数次。

Rollups 的安全性与开发难度

依据提交数据送往以太坊的方式不同，分成了Optimistic rollups 与 Zero-Knowledge rollups 两种类型。

OP-Rollups 目前已经有成熟的开源的程式码，由于相对容易实现，因此发展较快。但是由于 OP-Rollups 默认所有交易正确，需要通过欺诈证明与代币激励手段来刺激外部验证人在挑战期内检查交易的正确性，用户想离开必须等待挑战期结束，因此安全性较差。

种种原因导致了目前相对成熟的 OP-Rollups 虽然成长发育较好，但先天安全性不足，未来若是没有更好的解决办法，可能会被更为安全的 ZK-Rollups 取代。

ZK-Rollups 需要对压缩的交易提出有效性证明，仅需要将交易数据送往以太坊保存即可，并以此来证明区块链状态更新的真伪。由于采用的是提供有效性证明来更新区块链状态，因此用户可以随时离开。

ZK-Rollups 虽然安全性较佳，但是当前开源程度较低、各家手法不一样、交易速度受零知识证明（ZKP）计算限制、难以与 EVM 兼容等问题仍未改善，仍然有许多难题待克服，短期内很难看到具体落地方案。

另外要想实现 Multi-rollups ，Cross-Rollups Bridging 是必要的，但要避免跨链桥的设计，因其安全性更低且容易被窃取资产；也需顾虑跨链安全及互操作性，这部分底层技术相当复杂，仍处于概念阶段，先不展开讨论。

Multi-rollups 的想像是非常动听且吸引人的，但当前 Rollups 仍不够成熟且处于早期阶段。随着进入 Rollups 的专业团队越来越多，许多困扰许久的问题許多困也将逐渐得到解答，教育普及与各式应用也会随之成长，未来势必可以看见全方面发展的 Multi-rollups 生态系统。

总结

由于 Rollups 的技术相对来说还处于早期阶段，仍然需要时间做更深入的研发，目前市场普遍对 Rollups 的共识为 ZK-Rollups 技术难度较高加上较难达成 EVM 兼容，因此短期内看好 OP-Rollups，而在中长期更看好 ZK-Rollups 。
Rollups 旨在减缓以太坊压力，目前，两大 Layer 2 Arbitrum 与 Optimism 的日常交易量较低，皆在每日 10 万交易附近，而主网以太坊却有着每日百万的交易量，Layer 2 需要更多时间的累积和教育，才能更有效地引导用户及项目将活动转移至 Layer 2。
而由 Vitalik 提出的 Multi-rollups 加上链上扩容-分片结合储存资料可用性（Data Availability），未来区块链不可能三角将不会再是魔咒，而区块链的发展也会顺势走入下个新篇章。

（图取自 Etherscan）

以太坊的扩容目标是在不影响其去中心化和安全性的前提下，提升其可扩展性以解决区块链面临的不可能三角。Rollups 的实现仅是庞大扩容目标下的一种方式， Rollups 技术成长注定会到来, 加上分片技术实现链上扩容，便可以真正地提升以太坊主网的交易吞吐量。在这之前，我们能做的就是持续学习 ,了解最新技术的实现与相关新闻，同时吸收来自不同角度的观点，形成自己对于未来的想象及判断，发掘属于自己的潜在机会。