V上帝带你去了解以太坊扩展性解决方案汇总

Rollup在以太坊社区非常流行，在可预见的将来，它将成为以太坊的一个关键可扩展性解决方案。但是这项技术是什么，你能从中得到什么，你将如何使用它？本文将尝试回答一些关键问题。

背景：什么是第1层和第2层扩展？

有两种方法可以扩展区块链生态系统。首先，你可以让区块链本身更具交易性。这种技术的主要挑战是，具有“较大区块”的区块链更难验证，并且可能变得更中心化。为了避免此类风险，开发人员可以提高客户端软件的效率，或者更可持续地使用碎片化和其他技术，将构建和验证链工作拆分为多个节点。众所周知，“ETH2.0”目前正在尝试构建到以太坊的升级版本。

第二，你可以改变你使用区块链的方式。用户没有将所有活动直接放在区块链上，而是在“第2层”协议中执行区块链之外的大部分活动。链上有一个智能合约，它只有两个任务：处理存款和取款，以及验证链下发生的一切是否符合规则。实现这些证明的方法有很多，但它们都有一个共同的特点，即验证链上的证明比验证链下的原始计算便宜得多。

状态通道vs等离子vs汇总

Layer2可以通过三种方式扩展：状态通道、等离子体和汇总。它们有三种不同的方式，各有优缺点。在这一点上，我们非常有信心，所有的第2层扩展可以大致分为这三类。（尽管在命名方面存在一些争议，例如“validium”）。

国家频道是如何运作的？

您可以单击此处：https://www.jeffcoleman.ca/state-channels以及statechannels.org网站

假设Alice为Bob提供了一个Internet连接，Bob每兆字节支付她0.001美元。Alice和Bob使用下面的第2层方案，而不是每次付款都进行交易。

首先，Bob将一美元（或一些ETH或稳定的等值货币）放入智能合约。为了向爱丽丝支付第一笔钱，鲍勃签了一张“罚单”（一条链外信息），上面只写着“0.001美元”，然后寄给爱丽丝。为了第二次付款，鲍勃将在另一张写着“0.002美元”的账单上签字并寄给爱丽丝。你需要多少就付多少。在Alice和Bob完成交易后，Alice可以将价值**的账单发布到链中，该账单由她自己的另一个签名包装。

智能合约验证Alice和Bob的签名，向Alice支付Bob账单上的金额，并将剩余金额返回Bob。如果Alice不愿意关闭频道（由于恶意或技术故障），Bob可以开始退出期（例如，7天）；如果Alice在此期间不提供新的账单，Bob可以收回所有的钱。

这项技术非常强大：它可以调整为处理双向支付、智能合约关系（例如，Alice和Bob在频道中签订金融合约）以及组合（如果Alice和Bob有公共频道，Bob和Charlie也有一个，那么Alice可以与Charlie进行无信任的交互）。

但渠道的作用是有限的。资金链上尚未参与的人不能把资金送出去。通道不能用于表示没有显式逻辑所有者的对象（例如。当渠道被用来做比简单的定期支付更复杂的事情时，它们需要锁定大量资金。

等离子是如何工作的？

单击此处查看：plaa原纸和plaa现金

为了存放资产，用户将其发送到管理plaa链的智能合约。

plaa链为资产分配一个单独的ID（如537）。每个plaa链都有一个操作员（可以是中心化式角色，也可以是多重签名，或者更复杂的东西，比如pos或DPO）。每隔一段时间（可能是15秒，或一小时，或两者之间的任何时间），操作员就会生成一个“批处理过程”，其中包含他们在链外收到的所有plaa事务。

它们生成一棵梅克尔树。如果树中的每个索引x上都有一个事务，则会有一个transfer asset ID x的事务，否则为零。他们把这个鱼根送到锁链上。它们还将每个指数x的Merkel分支发送给资产的当前所有者。要提取资产，用户需要发布Merkle分支，将资产发送到**的事务中。注：Merkle树在中文中称为Merkel树或hash树。在密码学和计算机科学中，它是一种树数据结构。每个叶节点都用数据块的哈希值标记，而叶节点以外的节点则用其子节点的加密哈希值标记。Merkle树的一个明显优点是它可以取出一个分支（作为一个小的树）来验证部分数据。在许多情况下，它比哈希表更方便、更高效。

合同的开始是一个质疑期。在此期间，任何人都可以尝试使用其他Merkle分支，通过证明（1）发送方在发送时不拥有资产，或（2）他们在稍后的时间点将资产发送给其他人，从而使退出无效。如果在（例如）7天内没有人证明退出是不真实的，用户可以收回资产。

Plaa提供了比国家渠道更强大的属性：您可以将资产发送给从未属于该系统的参与者，而且资本要求要低得多。但是有一个代价：在“正常操作”期间，通道不需要在链上运行任何数据，plaa需要定期在每条链上发布一个哈希值。另外，等待等离子传输并不是立即的：您必须等待区间结束和块被发布。

此外，等离子和状态通道有一个共同的弱点：为什么它们是安全的？这背后的博弈论依赖于这样一种观点，即两个系统控制的每个对象都有某种逻辑上的“所有者”。如果所有者不关心其资产，则可能导致涉及资产的“无效”结果。这对于许多应用程序都是可以接受的，但是对于许多其他应用程序（例如。Uniswap）。甚至发送资产对象的系统，其状态可以在未经所有者同意的情况下更改，例如。基于帐户的系统，你可以增加某人的余额，而无需他们的同意，是不能很好地处理等离子。

所有这一切意味着，在任何真实的等离子或状态通道部署中，都需要大量的“特定于应用程序的推理”，不可能构建一个等离子或通道系统来模拟整个以太坊环境（或“EVM”）。

为了解决这个问题，我们可以看一下汇总

汇总

有关详细信息，请参见：ETHhub on optimal rollups和ZK rollups

等离子体和状态通道是完整的Layer2计划。他们试图将数据和计算从链中移出。然而，围绕数据可用性的基本博弈论问题意味着，这不可能对所有应用程序都是安全的。Plaa和channel依靠一个明确的所有者概念来解决这个问题，但这阻碍了它们的通用性。另一方面，rollup是一种“混合”的第2层解决方案。

Rollup将计算（和状态存储）移出链，但为链上的每个事务保留一些数据。为了提高效率，他们使用了许多奇特的压缩技术，试图用计算来代替数据。因此，系统的可扩展性仍然受到底层区块链数据带宽的限制，但比例非常有利：以太坊底层ERC20代币的传输成本约为45000gas，而rollup中ERC20代币的传输成本小于300gas，占用链上16字节的空间。

数据链上的事实是关键（注：将数据“放在IPFs上”是不可行的，因为IPFs不同意是否需要提供任何特定数据；数据必须放在区块链上）。如果有人想在本地发现或提取数据，他们就可以开始对数据进行汇总。缺乏数据可用性意味着恶意或离线运营商的危害较小（例如，他们不会造成一周的延迟），从而为有权发布批处理的人打开了更大的设计空间，并使聚合更容易推理。

最重要的是，数据可用性的缺乏意味着不再需要将资产映射到所有者，这也是以太坊社区对汇总比之前的第2层扩展更感兴趣的关键原因：汇总是完全通用的，即使EVM可以在rollup中运行，以允许现有的以太坊应用程序迁移到rollup，几乎不需要编写新代码。

好的，那么汇总有多好？

链上有一个智能合约，它维护一个状态根：rollup state的Merkle根（即帐户余额、合约代码等位于rollup内部）。

任何人都可以发布批处理，这是一种高度压缩的事务集合形式，以及以前的状态根和新的状态根（事务处理后的Merkle根）。协定检查批处理中以前的状态根是否与当前状态根匹配；如果匹配，则将状态根切换到新的状态根。

为了支持取款，我们添加了使事务的输入或输出“超过”汇总状态的功能。如果批处理有来自外部的输入，提交批处理的事务还需要将这些资产转移到汇总合同。如果批处理已输出到外部，则智能合约将在处理批处理时开始提取。

好吧，这里只有一个主要细节：如何知道批处理中的后状态根是正确的？如果有人可以提交一个带有任何post-state根的批处理而不产生任何后果，那么他们可以将rollup中的所有代币传输给自己。

这个问题很关键，因为这个问题有两套非常不同的解决方案，导致两种类的汇总。

**汇总与ZK汇总

这两个汇总是**汇总和ZK汇总。

**汇总，使用防欺诈：汇总契约跟踪其状态根的整个历史以及每个批的哈希。如果在批处理链上发现批处理错误，有人可以证明。随后的批和批将恢复所有的认证。

ZK rollup，使用有效性证明：每个批都包含一个名为ZK snark的加密证明（例如，使用plonk协议），它证明状态根是批处理的正确结果。无论涉及多少计算，证明都能在链上迅速得到验证。

这两种类的汇总之间存在复杂的权衡

和

总的来说，我的观点是，在短期内，**汇总有机会赢得多用途EVM计算，而zkrollup在简单的支付水平、交易平台和其他特定应用的用例上有望更好。然而，从中长期来看，随着ZK snark技术的改进，ZK rollup将赢得所有用例。

欺诈证明分析

**汇总的安全性取决于是否有人将无效的批发布到汇总中。任何跟踪公链并发现欺诈行为的人都可以出具欺诈证明，向合同证明该批次产品无效，应予以恢复。

和

声称无效批的欺诈证明将包含绿色数据：批本身（可以根据存储在链上的哈希值进行检查）和Merkle树的部分只需要证明批读取和/或修改的特定帐户。

黄色树中的节点可以由绿色节点重建，因此不需要提供（数据）。这些数据足以执行批处理和计算后状态根（注意，这与无状态客户机验证单个块的方式完全相同）。如果批处理中计算的后状态根与提供的后状态根不同，则批处理是欺诈性的。

可以保证，如果一个批次构造不正确，并且之前的所有批次构造都正确，那么就有可能创建一个欺诈证明来证明该批次构造不正确。注意前面批的声明：如果在rollup中发布了多个无效批，**尝试证明最早的批是无效的。当然，如果批处理过程构造正确，就永远不可能创建一个证明批处理过程无效的欺诈证据。

压缩是如何工作的？

一个简单的以太坊事务（发送ETH）大约需要110字节。然而，一个ETH传输只需要大约12个字节

和

部分原因是更**的编码：以太坊的RLP在每个值的长度上浪费了一个字节。但也有一些非常聪明的压缩技术：

暂时：防止重播。如果帐户的当前nonce为5，则该帐户的下一笔交易必须具有nonce 5，但一旦处理了该交易，该帐户中的nonce将增加到6，因此无法再次处理该交易。在rollup中，我们可以完全忽略nonce，因为我们只从pre状态恢复nonce；如果有人试图用较早的nonce重放事务，签名将不会得到验证，因为签名将根据包含新的较高nonce的数据进行检查

天然气价格：我们可以允许用户在一个固定的天然气价格范围内支付，例如2的16次方。或者，我们可以在每个批中设置一个固定的费用水平，甚至可以将天然气付款完全从汇总协议中转移出去，这样事务处理程序就可以通过一个渠道向批创建者付款。

气体：同样地，我们可以把气体总量写为2的幂。或者，我们只能批量设置气体限值。

收件人：我们可以使用索引而不是20字节的地址。如果地址是添加到树中的4527地址，我们只需要使用索引4527来引用它。我们将在状态中添加一个子树来存储索引到地址的映射。

价值：我们可以使用科学计数来存储价值。在大多数情况下，传输只需要1-3个有效数字

根据协议，我们可以将~BLS签名聚合为单个签名。然后可以一次为整个消息集和批处理中的发送者检查此签名。表中的~0.5表示一个集合中可以包含的签名数是有限制的，因为签名需要在单个欺诈证明中进行验证。

ZK rollup独有的一种重要压缩技术是，如果事务的一部分仅用于验证，而与计算状态的更新无关，那么就可以将其排除在链之外。这种**汇总无法实现，因为这些数据仍然需要包含在链中，以防将来需要在欺诈证明中检查它们。在ZK rollup中，Snark证明了批处理的正确性，它提供了验证所需的任何数据。

一个重要的例子是保护隐私的ollps：在**汇总中，需要将用于每个事务隐私的大约500字节的ZK snark放到链上，而在ZK汇总中，覆盖整个批的ZK snark无疑表明“内部”ZK snark是有效的。

这些压缩技术是rollup可扩展性的关键，如果没有它们，rollup可能只会将基本链的可扩展性提高10倍左右（尽管有些应用程序计算量很大，即使是简单的rollup也非常强大）。使用压缩技术，几乎所有应用程序的比例因子都可以超过100倍。

谁可以提交批量交易审核？

关于谁可以提交乐观或ZK汇总中的批处理事务，有很多意见。一般来说，大家都同意，为了能够提交一批，用户必须提交一大笔押金。如果用户提交了欺诈性批量交易（例如，无效状态根），则部分存款将被烧掉，部分存款将用作对欺诈证明人的奖励。但除此之外，还有许多可能性：

完全无序：任何人都可以随时提交批量事务。这是最简单的方法，但也有一些严重的缺点。若要将这些交易提交到一起，则只有一个特定的交易批才能成功处理，并且只有一个交易批才能成功提交。这就导致了大量的能源浪费就产生了证明，同时也导致了由于气体浪费而需要批量交易环节。

中央音序器：只有一个参与者：音序器。他可以提交批量交易（除了取款：通常的技术是用户可以先提交取款请求，然后如果分拣机在下一批中没有处理取款请求，则用户可以提交单个操作批进行处理）。这是最有效的，但它依赖于一个中心化的角色来维持其运作。

例如，谁有权决定第二天的拍卖（Sequencer）。这种技术的优点是，它筹集的资金可以由rollup控制的Dao分配（参见：MeV拍卖）

从POS中心化随机选择：任何人都可以将ETH（或rollup自己的协议代币）存入rollup合同。每批订货人从一个寄存人中随机选择，被选中的概率与寄存量成正比。这种技术的主要缺点是会导致大量不必要的资本锁定。

DPO投票：通过拍卖选择一个序列器，但如果它们表现不好，代币持有者可以投票将它们踢出，并举行新的拍卖来取代它们

批处理和状态根供应的分配

目前，一些正在开发的汇总使用“分配批处理”模式，其中提交一批Layer2事务的操作和提交状态根的操作是分开执行的。这种方法有一些关键优势：

您可以允许许多排序器并行地发布批处理事务，以增加审核阻力，而不必担心某些批处理会失败，因为其他批处理是首先包含的。

如果某个州根目录中存在欺诈，则不需要恢复整个批次。您只需恢复状态根并等待有人为同一批提供新的状态根即可。这为事务发送者提供了更好的保证，以确保其事务不会被还原。

所以，总而言之，有一个相当复杂的科技园，试图在复杂的权衡之间取得平衡，包括效率、简单性、**审查和其他目标。现在说哪种组合最有效还为时过早，时间会证明一切。

rollup能给您多少可伸缩性？

在现有的以太坊链中，gas的上限是1250万，事务中每个字节的数据花费16 gas。这意味着，如果一个块只包含一个批（我们说使用ZK rollup，500K gas用于验证），那么该批（1200万/16）就等于750000字节的数据。

如上所示，对于每个用户操作，ETH transfer summary只需要12个字节，这意味着批处理最多可以包含62500个事务。平均阻塞时间为13秒时，这意味着约4807 TPS（相比之下，以太坊本身上ETH传输的1250万/21000/13~=45 TPS）。

以下是一些其他用例图：

和

**可扩展性增益计算为（L1 gas cost）/（rollup bytes*16）*1200万/1250万。

现在，值得记住的是，这些数据过于乐观有几个原因。最重要的是，一个块几乎从不只包含一个批，至少包含多个汇总。第二，存款和取款将继续发生。第三，短期内利用率将非常低，因此固定成本将占主导地位。但即使考虑到这些因素，100倍以上的可扩展性也有望成为标准。

现在，如果我们想超过1000-4000 TPS（取决于具体的用例），我们应该怎么做？这是ETH2数据分段的起点。分区方案每12秒打开16MB空间，可以填充任何数据，系统保证数据可用性的一致性。此数据空间可用于汇总。这大约是1398kb/s，是现有以太坊链60kb/s的23倍。从长远来看，数据容量有望进一步增长。因此，使用ETH2切片数据的rollup最多可以处理10万TPS，将来甚至更多。

在汇总中还有哪些未解决的挑战？

虽然汇总是一个基本概念，现在可以很容易理解，我们非常肯定，他们是可行的和安全的性质。主网络上已经部署了几种rollup方案，但是还有很多领域的rollup设计还没有得到很好的开发，如果我们想将以太坊的大部分生态系统完全迁移到rollup，以利用它们的可扩展性，仍然有很大的挑战。

一些关键挑战包括：

用户和生态系统适应：很少有应用程序使用rollup，用户不熟悉rollup，很少有钱包开始集成rollup。商人和慈善机构还不接受这种付款。

从一个层到另一个层（例如，通过一个跨事务的汇总，有效地将数据从一个层移动到另一个层）。

审计激励机制：如何**限度地提高至少一个诚实节点实际充分验证**汇总的可能性，从而在出现问题时出具欺诈证明？对于小规模的汇总（多达数百个tp），这不是一个重要的问题。人们可以简单地依赖利他主义，但对于大规模的汇总，还是需要更明确的推理。

探索plaa和rollup之间的设计空间：是否有任何技术可以将一些（但不是全部）状态更新相关数据放在链上，从中可以得出什么有用的结论？

**限度地提高预确认的安全性：许多汇总都提供了“预确认”的概念，以获得更快的用户体验，其中sequencer会立即提供一个承诺，即交易将被包括在下一批中，如果他们违背承诺，sequencer的押金将被销毁。但这项计划的经济保障是有限的，因为它有可能同时向许多参与者作出许多承诺。这一机制能否得到改进？

提高缺席分拣机的响应速度：如果一个汇总分拣机突然下线，那么尽可能快速、廉价地恢复分拣机的角色是非常有价值的。方法是快速而廉价地退出到不同的汇总，或者快速地更换分拣机。

给出一个有效的snark（或ZK）来生成一个与现有的智能VMS不同的结果。

结论

Rollup是一个强大的新的第2层扩展范例，预计在短期和中期（可能在长期）将成为以太坊扩展的基石。他们看到了以太坊社区对这件事的极大兴趣。与以前扩展layer2的尝试不同，它们可以支持公共EVM代码并允许现有应用程序轻松迁移。为此，他们做出了一个关键的妥协：他们没有试图完全脱离链，而是为链上的每个事务留下少量数据。

卷积有很多种，在设计领域有很多选择：例如，使用**卷积的欺诈性证明，或者使用ZK卷积的有效性证明（即ZK snarks）。分拣机（可以将事务批发布到链的用户）可以是中心化式参与者、自由参与者，或者是中间的许多其他选择。Rollup仍然是一项早期技术，开发仍在快速发展中，但它们确实可以工作，其中一些（尤其是looping、zksync和devosif）已经运行了几个月。在未来的几年里，将有更多令人兴奋的工作在汇总空间。