一文全面读懂 Layer2 Rollup
本篇文章重点介绍以太坊的 Layer2 Rollup 宇宙（仅包括 Secured Rollup），将从核心概念和机制设计上以通俗易懂的方式探讨当前 Rollup 的优劣，并思考潜在的路线以及他们每个未来解决方案在去中心化、进一步扩展、可组合性和隐私等附加功能方面的优缺点。
Secured Rollup 是类似 Arbitrum 或 Optimism 的 Rollup 模型，其中结算、共识和数据可用性都依赖于以太坊等 L1，并且只处理执行本身。
如果 Rollup 使用 L1 以外的方案进行结算、共识或数据可用性，那么它就不是纯粹的 Secured Rollup，也不在我们狭义的 Rollup 定义中。
01
Rollup 的本质和原理
Rollup 的本质
扩展区块链有两种方法：一种是优化区块链本身，另一种是更好地使用区块链。
Rollup 是第二种类型，它真正的本质很简单：更快、更便宜和“可信”地使用区块链，来扩展区块链（基本上特别指以太坊）。
Rollup 是：链上智能合约 + 链下聚合器。
就这么简单。这两个特性的结合定义了 Rollup 的概念。
链上智能合约，即其信任模型是以太坊上的智能合约，借用了以太坊的安全性，而不是像其他Alt L1那样需要新的信任共识。我们可以像信任 Uniswap 的协议（其核心是智能合约）一样信任 Arbitrum 的协议。
链下聚合器，这意味着它将在链下执行和聚合交易，压缩大量交易并最终将它们放在以太坊主网上，以使交易更快、更便宜。
以太坊的机制是每个节点存储并执行提交给它的每笔交易，因此这样的去中心化网络非常昂贵。
以 Aribitrum 和 Optimism 为代表的 Optimistic Rollup 的机制，以及以 zkSync 和 StarkNet 为代表的 zk Rollup 的机制在后面展示，供读者简单理解。
Optimistic Rollup 的机制
顾名思义，Optimistic Rollup 是乐观的。它使用无罪推定，默认情况下每个人都会相信每次执行都是正确的，并且每个批次状态都可以通过欺诈证明来挑战这一事实，从而确保了安全性。
用户在 Arbitrum 网络中提交交易，Arbitrum 的排序器执行交易，将完整的状态根和交易数据批量提交到以太坊主网上的智能合约。
如果 Optimistic Rollup 执行产生错误怎么办？
Optimistic Rollup 有一个争议验证周期，这意味着数据在上传一周后才会最终确定，在此期间任何人都可以对其提出质疑并证明批次不正确。
zk Rollup 的机制
zk Rollup，顾名思义，就是使用 zk 零知识证明技术（其实就是 Validity Proof）。它使用有罪推定，人们将默认质疑每次执行是否错误，并且每批中包含证明以确保安全。
用户在zkSync中提交交易，zkSync的sequencer 执行并存储交易，并将状态证明和新状态分批完整提交给以太坊主网上的智能合约。
zk如何证明执行没有错？
证明者（或大多数情况下的定序器）生成不可伪造的交易执行证明，证明这些新状态和执行是正确的。Sequencer 将证明和其他数据压缩并提交给以太坊主网中的智能合约进行验证。
他们如何压缩数据，从而降低gas费用？
Rollup 可以按照每个事务的字节数进行压缩，包括 nonce 和签名等。对于 zk Rollup，它可以进一步压缩与状态更新无关的数据，因为 zk proofs 已经可以证明state update，而 Optimistic Rollup 不能忽略这些数据，因为它需要能够被挑战。
为什么上传到主网的数据需要完整（用于安全汇总）？
因为为了防止sequencer逃逸，我们可以从以太坊上的数据重建整个Layer 2。这与数据可用性的概念有关。
两种 Rollups 的区别
如果还是看不懂，可以看下图。
Optimistic Rollup 的设计更像是 Arweave，使用经济学和博弈论来设计一种性能良好但并不能真正保证 100% 正确的机制。
zk Rollup 设计更像 Filecoin，它使用密码学和数学来设计一种保证 100% 正确但总是有额外计算和时间开销的机制。
不同之处在于，一种使用质询期来确保可以纠正错误，而另一种使用密码学来确保不会发生错误。
02
Rollup 整体的优点
生态系统：Arbitrum 拥有 NFT 和 Metaverse 生态系统；Optimistic 已经发行了代币，有了治理和社区；StarkNet 有多种 GameFi 创新在进行中；zkSync 有许多新的 DeFi 项目。每个 Rollup 都是独立的。
Scaling：他们的 TPS 确实很出色，虽然没有理论峰值那么高，但是 L2 的快速确认提供了快速且流畅的 Web3 体验。
体验：切换到 Rollup 对开发者和用户来说都是一项简单的任务，体验几乎与以太坊相同。各种跨链桥、钱包、Uniswap 等基础设施也为流畅的用户体验服务。这也得到了良好生态系统的支持。
创新：Rollup 已经是 EVM 应用创新的绝佳之地，也比 Polygon 的“测试网络”式网络更具想象力。
另外，如果您对子网和 Rollup 的比较感兴趣，可以参考我们之前的文章。
更详细地说，主要的 Optimistic Rollups 和 zk Rollups 的性能如下所示：
Arbitrum：TVL 约为 24 亿美元。Nitro 升级现已在测试网络上运行，并将用 WASM-Geth 替换 Arbitrum 的现有 VM，从而优化性能和适应性。（我们可以在后面的文章中更多地谈论 WASM 的潜力）
Optimism：推出的代币，已经进行了许多“开创性和令人难以置信的乐观实验”（各种失误、隐瞒事实和冷漠，最近经常被沮丧的用户质疑为“以太坊基金会的废奴王子”）。基岩升级将使 VM MIPS-Geth 与 EVM 做同样的事情。Optimism开发者也一直在谈论zkMIPS的概念，不知道他们以后会不会朝那个方向工作？
StarkNet：跨链桥还没有完全开放。Cairo 和 StarkNet 建立了良好的开发生态系统，游戏生态系统值得关注。StarkEx 的 Validium 模型也做了 dYdX、ImmutableX 等应用。StarkNet 也可以作为结算层，在 L2 之上构建 L3。
zkSync：第一个制作更完整的 zkEVM。2.0 版本的 Volition 模式让用户可以灵活地在 zkPorter 或 Ethereum 数据可用性选项之间进行选择。
Aztec：UTXO 模型的隐私 zk Rollup，即将支持隐私 DeFi 生态系统（但由于交易数据量大，需要额外的优化）。虽然它不支持通用计算，但它是为数不多的真正 zk 的 zk Rollup 之一。
Fuel：V1 是一个 Optimistic Rollup，非常去中心化。V2 不是适配 EVM，而是一个高性能的 VM，带有一个 UTXO 模型以支持并行 tx 处理，旨在构建最快的执行层。
Scroll：优化当前的 ZK Rollup 方案，实现「ByteCode」级别的兼容，也就是以太坊上的应用可以几乎无缝迁移至二层网络上。
除了基于以太坊的网络 Rollup，还有这些：
everPay：Arweave 上基于SCP Paradigm的第 2 层。
Milkomeda：Algorand 上的 EVM 汇总。
Orbis：Cardano 上的 Validium 汇总。
Rollup 解决方案的不同设计具有许多独特的功能，真正服务了无数用户，并带来了更好的加密和区块链体验。
03
Rollup 待解决的问题
中心化
Rollup 网络顺畅的用户体验是通过牺牲安全性来获得的，并且网络的许多组件都是中心化的，尽管围绕这个问题可以提出三点“辩解”：
zk Rollup 中的 zk 证明不能在数学上被证伪。
用户可以通过 DA 在 L1 上重建所有状态。
信任模型本身始终是一个可以中心化的智能合约。
然而，Rollup 的中心化仍然导致审查和安全性低的问题。目前其中心化主要体现在：
集中式排序器：Optimistic Rollup 和 zk Rollup 的排序器大部分是集中式的。这意味着 tx 的执行、排序和块的生产都由中央服务器支持。此前，Arbitrum因音序器硬件问题而停机……
集中升级：大多数 Rollup 网络都是集中升级的，这意味着与网络上数十亿的 TVL 相比，实际破解整个 Rollup 的成本可以忽略不计。例如，zkSync 是一个管理升级的安全委员会。回想一下 Ronin hack，依靠几个人的多重签名，拥有数十亿美元肯定是不安全的。
闭源组件：Rollup 的一些关键组件是闭源的。例如，StarkNet 的几乎所有关键组件都不是开源的，并且仍然是集中开发的，没有开源许可证。这不是 Web3。
在我看来，网络或协议最终必须是去中心化的和开源的，否则就违背了 Crypto 和 Web3 的精神。
真实表现
Rollup 目前演示的超强性能是“假的”，真正的“终结性”并没有那么好，性能还有提升的空间。这是一把双刃剑。
当用户在 L2 上提交交易时，他/她会立即得到交易成功或失败的反馈，但这种即时的用户体验只是 L2 上的最终性。
当数据没有提交到 L1 或证明者仍在证明中或仍在欺诈证明窗口中时，数据未达到 L1 最终确定性。这就是为什么 Rollup 有这么好的用户体验，因为用户实际上是通过 Rollup 借时间，让用户先得到一个软确认。
由于上述设计，会出现以下问题：
Fake Finality：真正的最终性是当数据在像以太坊这样的真实区块链上时，那么 Rollup 的真正最终性有多快。也就是说（当然如果你真的要算TPS，一批数据中包含的tx的数量也要考虑在内），他们多久向以太坊提交一次数据？这是对链上数据的真实分析。
膨胀的 TPS：我个人认为 TPS 是一个非常糟糕的指标，现在应该被淘汰。各种 Rollup 或区块链通过无数的前提条件和令人困惑的概念计算出超高或至少比竞争对手更高的 TPS 来显示它们的力量。但在实践中，它们的表现仍然不如“Web3”。我理想中的真正 Web3 体验需要完全没有意义，整个网络必须是去中心化的。
经济学
以 Optimism 的代币为例，我们考察了 Layer 2 Rollup、代币模型和 MEV 的商业和经济机制。
商业模式：Rollup 的利润 = Layer 2 费用 - Layer 1 区块空间费用（在 L1 上存储和验证数据的安全成本等） - 节点服务器等计算成本。其中，Layer 2 费用 = Gas 费 + MEV + Layer 2 收取的一些溢价。但是这种商业模式不允许用户作为节点参与，只有 Rollup 开发团队可以赚取。以下是 Arbitrum 和 Optimism 在第 2 层费用和第 1 层区块空间费用方面的收益和成本。
代币模型：Optimism 的网络很好，但代币经济仍然薄弱。OP 存在三个致命问题：1. 没有实用程序，例如无法支付网络 gas 或 PoS 质押（当然，这不是很好的 Rollup 实用程序）。OP 仅用于治理。2. 无法获取网络收益和区块空间的价值。Sequencer 的利润与持有者无关。3.流动性数量很少，卖压很高，做市意外加剧。这些问题不仅是 Optimism 的问题，其他 Layer2 Rollup 也可能面临这些问题。
MEV：由于 Rollup 现在在集中式排序器上运行，所有这些收益都可以被 Rollup 捕获。MEV 是一个双面的东西。好的一面是，Rollup 网络可以拥抱 MEV 对网络的价值，使其成为网络去中心化后矿工经济机制和激励的重要组成部分；在黑暗的一面，Rollup 网络需要消除任何 MEV，因为它通常被认为是对用户的额外税收。Arbitrum 选择“忽略”MEV，采用先到先得的机制，但这对节点提出了更高的硬件要求，降低了 DDoS 的成本。
让网络的商业模式去中心化、完善代币机制、处理MEV，将是Rollup网络在代币上线和去中心化的路上的三大障碍。
04
Optimistic Rollup VS zk Rollup
我不想像其他帖子那样比较 Optimistic 和 zk Rollups 的 TPS 和其他数值性能（如果您好奇，请阅读本文末尾的更多参考资料），而是比较它们的性质和特征，以及他们的长期终局表现：
该图表的详细解释如下：
开发难度：实际上zk Rollup在EVM兼容性、节点配置要求、优化等方面比Optimistic Rollup更难构建。这实际上是一种证明额外证明开销合理的方法……额外的证明开销不仅使网络性能的额外负担永久存在，而且对 EVM 兼容性的技术实现也是一个巨大的障碍。
更容易添加隐私等功能：由于我们已经在使用 zk，因此开发真正私有的 zk-zk Rollup 比 zk-Op Rollup 容易得多。当然，还有像 ZKOPRU 这样的 zk-Op Rollup 项目已经上线。
优化：对于 Optimistic Rollup，并行化 tx 处理是一种直接高效的优化，而相同方案的 zk Rollup（StarkNet 的下一个版本的 sequencer 可以做并行化执行）从长远来看仍然会输给 Optimistic Rollup（同样是由于额外的证明开销）。因此，zk Rollup 将采用 Fractal L3 scaling 的替代方案，即在 Rollup 之上继续构建 Rollup。递归超能力不仅可以让 L2 验证 L3 的证明是否正确，还可以让 L1 验证 L2 对 L3 的验证是否正确。
优化实施：这些源自路线图和设想的设计解决方案，目前尚未付诸实践。就个人而言，我认为完成这些升级需要很长时间。其中一些升级有副作用，例如引入需要额外信任假设的新机制。
虽然这张图得出的结论是 Optimistic Rollup 从长远来看会优于 zk Rollup，但数学保证的信任更强。我认为 Rollup 性能的最终结果是 Optimistic，但真正的整体最终结果是 zk。
设计完美，但工程挑战依然巨大，上面的对比还是和TPS对比一样，只是纸上谈兵。我们仍然需要从实际的角度来看待 Rollup 网络的安全性、去中心化以及实际性能和生态系统。
05
Rollup 的未来
通过 Optimistic Rollup 和 zk Rollup 的对比，我们其实对它们未来的性能优化选项有了一个全面的认识。那么从其他角度来看，Rollup 的未来会是什么样子呢？
权力下放
在去中心化的角度，我们关注的是sequencer和合约升级问题，未来一个Rollup必须是去中心化的，那么就需要如下去中心化的设计：
去中心化的sequencer：Optimistic Rollup的sequencer的共识机制基本会是多种PoS（leader选举、MEV拍卖、轮换机制）；和 zk Rollup 的 Hermez-like Proof of Efficiency 或 Proof of Validity Proof 或 Tendermint PoS。当然，如果网络是 PoS 机制，那么实际上还有额外的资金成本。
去中心化合约升级：合约升级不应由多重签名管理，而应由去中心化治理（涉及代币）或放弃合约升级控制（例如，像 Uniswap V2 到 V3 的非强制性升级）来管理。
多语言客户端：与以太坊一样，多语言客户端在去中心化中是必要的，以确保网络的 100% 正常运行时间。
Arbiturm 和 Optimism 文档的比较表明他们对去中心化的态度略有不同。
可组合性
Rollup 的可组合性是不同于 Rollup 上的智能合约可以直接相互读写的能力。
对于以太坊上的 Rollups，以太坊作为结算层是 Rollups 之间的共享桥梁。Rollup 之间的未来可组合性可能主要是通过 L2 ⇒ L1 ⇒ L2 来形成调用（如 StarkNet 的dAMM设计）。
由于 Rollup 之间的机制不同，很难实现真正的可组合性，这使得 tx 无法相互验证。这需要进一步探索。
特点
对于功能扩展，zk Rollup 更有潜力。L3 的概念使得 App-specific Rollup 特别有吸引力，Immutable X 宣布将在 StarkNet 上部署额外的协议，使其能够作为 L3 存在。
L3的诉求是：
让应用成为一个协议，使其接口和服务开放，实现更大的可组合性
L1 为时针，L2 为分针，L3 为秒针。在不影响 L1 脉冲的情况下进一步提高整体网络性能。
我预见到 L3 中最有趣的功能将是：
隐私 L3
仅付款 L3
NFT 市场 L3
游戏引擎 L3
DEX 和 DeFi L3
但 L3 的挑战在于如何实际处理 DA。我们可以使用几种不同的模型：
Secured Rollup：仍然是一个 Rollup，将 DA 与 L2 一样放在 L1 上，但可能涉及更复杂的退出机制。
Validium/Optimistic Chain：有一个额外的 DA 层，如 L2 或 Celestia，这需要额外的信任假设。
06
结论
这就是我们需要了解的关于 Rollup 的内容。
除此之外，Rollup 还创造了无数新主题：L3、模块化区块链、数据可用性解决方案、账户抽象带来的 UX 增强、新技术堆栈、新编程语言、新开发人员、新审计员……
Rollup 的一切都是新的、闪亮的，但还那么早……
如何更好地“使用”区块链，就像 Rollup 一样，是一个值得探讨的问题。
07
关于zkpDAO
zkpDAO是一个专注于零知识证明、Web3领域研究和治理的公益组织，致力于为大家免费创造并提供一个zk领域方向学习、分享、交友、创造、成长的平台。zkpDAO的成立来源于一群热爱、看好zk方向的研究者们，因全球各行各业都面临着数据信息泄露的威胁，也有以太坊二层扩容的需求，研究者们希望通过zk技术去解决，并将ZK技术普及应用到各行各业，本着这个初衷才成立了zkpDAO，前期zkpDAO会通过打磨自身的专业内容，吸引更多有志成功人士的加入、探讨。
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