零知识证明科普：什么zk-Rollup？

本系列将试图用通俗举例和语言，帮助大家理解复杂概念。本系列非学术论述，举例只为帮助大家通俗理解。如有错误，欢迎指正。更严谨的表述，欢迎大家查看专业论文学习。

前情回顾，

1/ 零知识证明，英文为 Zero Knowledge Proofs，简写为 ZK 或 ZKP。

zkXXX，即代表应用了零知识证明。

2/ 零知识证明技术，要在证明速度、验证速度、整体大小之间做取舍，继而产生的用户体验不同。

zk-SNARK 诞生时间久，经过验证，应用比较成熟，并诞生了 Groth16、PLONK、Halo2 等多技术分支。zk-STARK 相较而言，诞生时间较短，仍需时间验证完善。

Manta 采用 Groth16，是目前最快、数据量最小的 zk-SNARK。Manta在椭圆曲线密码（FH-ECC）算法等基础上，进一步优化升级，ZK 生成速度比Zcash快十倍。交互确认时间仅需 2-3秒。

3/ ZK 开发逐渐模块化。zk-SNARK 与 zk-STARK 之间，可通过切换多项式承诺，进行相互转换。且，代码终会开源，所以长期看，单靠技术无法构筑壁垒。

正式开始本篇内容。

什么是 Rollup ？

Roll，卷、滚的意思。Up，向上、起来的意思。Rollup 就是“卷起来”。

当然，这不是内卷那个“卷”，而是像面饼一样，把食材统统卷进去的那个“卷”。

Rollup，就是把许许多多多笔交易“卷”起来，在自己的网络里处理掉。

Rollup 通常运行一组中心化定序器（Sequencer），为 Rollup 上的交易进行排序。定序器就像中心化的服务器。

Rollup 与 以太坊主链关系，举个便于理解但不十分严谨例子，如同初期的支付宝与银行。

资金从以太坊主网转入 Rollup，如同把钱从银行卡转入支付宝。

用户在 Rollup 交互，交互信息并不直接提交到以太坊主链上，而是由 Rollup 定序器进行排序。

这个过程，称为“链下扩容”，所谓“链下”指的是在以太坊链下。

支付宝初期，用户直接使用支付宝余额交易，银行对具体交易信息，并不知情。支付宝相对银行，也是“链下”。

定序器会对 Rollup 里的交易，统一进行排序、打包、压缩，隔一段时间提交到以太坊主链，由以太坊主链提供结算、校验交易数据，以减轻主链负担。

主链矿工可以通过欺诈证明（Fraud Proof，通常由Optimistic Rollup 采用）或有效性证明（Validity Proof，通常由 zk-Rollup 采用），验证 Rollup 交易数据是否真实。

举个例子，用户在 Aribitrum 上，使用 Gmx 疯狂进行衍生品交易。这些操作，都让 Aribitrum “卷”起来处理掉了，这些交互仅在 Aribitrum 当前 Rollup 上发生，不会造成以太坊主链拥堵。

Aribitrum 会将一段时间内的交互信息排序、打包、压缩、提交到以太坊主链，由以太坊全节点校验交易数据真实性，所以，Rollup 称为执行层，主要负责执行交易。

Optimistic Rollup 与 ZK Rollup？

Optimistic 与 ZK，是以太坊主链全节点，校验 Rollup 交易数据真实性的方式，可以理解成是对账方式。

Rollup 是处理交易的方式。

这俩都是 Rollup，所以，处理交易方式一致，都是“卷起来”。区别在于，对账方式：

1/ Optimistic，意为“乐观的、积极的”。

Optimistic Rollup“乐观的”默认交易信息真实有效。

万一有人提供虚假交易信息呢？

若使用 Aribitrum 或 Optimi，会发现，把代币跨回其他网络，需要等待几天时间，即“等待期”。

“等待期”内，以太坊主网全节点都可以发起挑战，证明某交易为假。

由于 Rollup 数据层和结算层仍使用以太坊，相当于根账本在以太坊上，所以，Rollup 自身是无法篡改、作弊的。

若挑战成功，则会罚没作弊者保证金，交给挑战者，并回滚该区块内的交易。

2/ zk-Rollup

还记得 ZK 的基本原理及特性嘛？

证明者（Prover）和验证者（Verifier）。证明者生成证明，验证者在不获取信息本身的前提下，验证该证明。

ZK 有以下特性：

完备性（Complete）：提交者若确实掌握了答案，那他能找到方法向验证者证明为真，即真的假不了。

合理性（Sound）：若提交者未掌握答案，那他无法向验证者证明为真，即假的真不了。

零知识性（Zero-Knowledge）：证明过程中，验证者除了“证明”之外，不会获得其他相关信息。

zk-Rollup 会在向以太坊主网提交区块时，生成一个零知识证明。主网全节点验证该证明即可。

需要注意的是，zk-Rollup 通常只应用了 ZK 前两个属性，即完备性与合理性，达到压缩计算的目的。

Optimistic Rollup 需要将一段时间内交易数据，压缩后，完整地连同状态根（包含用户地址余额等信息）、欺诈证明（仅在发生争议时），传回到以太坊主网。

由于交易数据和结算仍存储在以太坊主网上，当全节点提出挑战时，可根据先前存储的状态，校验欺诈证明是否成立，判断 Optimistic Rollup 是否作弊。

zk-Rollup 不需要将全部交易数据发布至以太坊主网，仅发布状态差异（类似用户账户状态变化）和有效性证明即可，这样会使得交易成本 Gas 更低。使用 zk 前两个属性，达到压缩计算目的。

zk-Rollup 证明文件很小，验证时间一定，所以证明本身不会随着交易数量增加而变大。

长期来看 zk-Rollup 在 Gas 成本和 Tps 方面，要优于 Optimistic Rollup，且无需提现等待期。

所以，以太坊创始人 Vitalik 认为，短期内 Optimistic Rollup 会因 EVM 兼容性占据优势，但长期来看，zk-Rollup 会胜出。

本质上，Optimistic Rollup 安全来自于经济学，作恶者要考虑损失的成本，挑战者的动机由经济利益驱动。

zk-Rollup 安全来自于密码学，用密码学手段验证证明，可以做到去信任化。

长期看，zk-Rollup 相比 Optimistic Rollup 更具优势，但短期仍受制于 zk-EVM 发展。这也是我们在下一篇会聊到的话题。

这里需要区分的是，用户在 zk-Rollup 上的交易信息仍是透明可查询的。

而 Manta 作为基于 ZK 的可编程隐私公链，除前两个特性外，还重点应用了零知识性，让链上交易隐私化。

Rollup 与模块化

不可能三角，又称三元悖论，通常指去中心化（Decentralization）、可扩展性（Scability）、安全性（Security）三者不可同时兼得。

通常，模块化是指，把 Layer1 共识、结算、数据、执行四层分别解耦（单拆出来），在不增加节点硬件负担，造成中心化前提下，实现扩容，打破“不可能三角”。

V神在波哥大以《Hardening rollups with multi-proofs》为主题进行分享，即采用多证明机制，加强Rollup安全。

方案二是多证明人机制（multi-provers），采用多证明系统，用欺诈证明或 zkEVM 多种实现，预防网络宕机情况。

方案三是双重证明加治理小组（two-provers plus governance tie break），采用欺诈证明加ZK证明，再加上治理小组裁决。当一个证明系统出现漏洞，另一个系统不受影响。

在此之前，Optimi 的 Kelvin 曾写过《The hybrid ZK/Optimistic Rollup of the future》（ZK/Optimistic 混合 Rollup 的未来），探讨过将 Optimistic 与 ZK 相结合。

总结下， 1/ Rollup 内的交易，隔一段时间统一压缩打包，提交到以太坊主网，由主网提供结算、验证交易数据，以减轻主链负担。

2/ Optimistic 与 ZK，是以太坊主链全节点，校验 Rollup 交易数据真实性的方式，可以理解成是对账方式。Rollup 是处理交易的方式。

3/ Optimistic Rollup 需要将一段时间内交易数据，压缩后，完整地连同状态根、欺诈证明（仅在发生争议时），传回到以太坊主网。

zk-Rollup 不需要将全部交易数据发布至以太坊主网，仅发布状态差异（类似用户账户状态变化）和有效性证明即可，这样会使得交易成本 Gas 更低。使用 zk 前两个属性，达到压缩计算目的。

4/ 本质上，Optimistic Rollup 安全来自于经济学，作恶者要考虑损失的成本，挑战者的动机由经济利益驱动。

zk-Rollup 安全来自于密码学，用密码学手段验证证明，可以做到去信任化。

5/ 用户在 zk-Rollup 上的交易信息仍是透明可查询的。而 Manta 是基于 ZK 的可编程隐私公链，除前两个特性外，还重点应用了零知识性，让链上交易隐私化。

6/ 当前，将 Optimistic 与 ZK 结合，是 Rollup 探索方向之一。

本篇重点讲述了 zk-Rollup，略微涉及到 zkEVM 内容。下一篇，我们将重点阐释 zkEVM 相关内容，欢迎继续关注 Manta Network中文公众号及推特。