最近，以太坊創始人Vitalik Buterin在一篇題為“混合式二層協議的曙光” 的文章裡對Rollup方案大加讚賞，認為它為智能合約的可擴展性打開了大門。

那麼什麼是Rollup？它包括哪些主流方案？這些方案各自有什麼優缺點？它們未來發展的前景如何？

Rollup的出現

最近幾年，以太坊二層（Layer-2）擴容技術得到了迅猛發展。

所謂二層，就是將一部分資金存儲在主鏈智能合約裡，在保證足夠安全的前提下，把一部分交易放到主鏈之外進行，就好像鏈下多出來了一層網絡。

在二層方案裡表現比較突出的就是狀態通道和Plasma側鏈。雖然這兩種方案誕生時間很早，但是發展的卻比較緩慢。其背後的原因歸根結底是數據的可用性問題。

就在二層擴容技術舉步維艱的時候，一種名叫Rollup的新方案被提了出來。

但是與狀態通道和Plasma不同的是，它可以“打包”交易，並將“打包”後的交易數據連同一個SNARK零知識證明發佈到鏈上。

打包的正確性可以通過零知識證明來見證，負責“打包”的操作者不可能發布惡意或無效的交易。這就是後來被Vitalik Buterin稱之為ZK Rollup 的二層擴容方案。

ZK Rollup並非萬能，它遇到的最大問題就是通用性。除非要證明的交易非常簡單，否則創建SNARK證明的成本會非常高。

因此，一種名叫Optimistic Rollup的折中方案被提了出來。

Optimistic Rollup同樣也是把交易數據都放到鏈上，但不是用SNARK做見證，而是採用“加密經濟學有效性博弈”來實現有效性驗證。

作為一種提高區塊鏈吞吐量的技術，Rollup可以在有效提高網絡吞吐量的同時，避免對協議層進行大量的更改，部署Rollup也不需要對網絡發起硬分叉升級。

目前已經有許多以太坊上的項目（如Celer，ANON等）採用了Rollup協議來提高Dapp的吞吐量和用戶體驗。

Rollup是如何工作的？

鏈上有一個智能合約，它維護狀態根：rollup狀態的Merkle根（意思是，“餘額”內的帳戶餘額，合同代碼等）。

任何人都能夠以高度壓縮的形式發布批處理，交易集合以及先前的狀態根和新的狀態根（處理交易後的Merkle根）。

合同檢查批處理中的先前狀態根是否與其當前狀態根相匹配；如果是這樣，它將狀態根切換到新的狀態根。

為了支持存款和提款，我們增加了使輸入或輸出處於rollup狀態“之外”的交易的功能。

如果批次具有來自外部的輸入，則提交該批次的事務也需要將這些資產轉移到rollup合同中。

如果某個批次有外部輸出，則在處理該批次時，智能合約會啟動這些提款。

就是這樣！除了一個主要細節：如何知道批次中的狀態後根是正確的？

如果某人可以提交具有任何後期狀態根源的批次而沒有任何後果，那麼他們可以將rollup中的所有Token轉移給自己。

這個問題很關鍵，因為有兩個非常不同的解決方案系列，而這兩個解決方案系列就導致了兩種rollup方式。

Optimistic Rollup與ZK Rollup

Rollup的兩種類型分別是Optimistic rollup和ZK Rollup。

Optimistic Rollup

Optimistic rollup，使用欺詐證明—rollup合同會跟踪其整個狀態根歷史以及每個批次的哈希值。

如果有人發現某個批次的狀態後根不正確，則發布需要鏈的證明，以證明該批次的計算不正確。合同將驗證證明，並還原該批次及其之後的所有批次。

ZK rollup

ZK rollup，使用有效性證明—每個批次都包含一個稱為ZK-SNARK的加密證明（例如，使用PLONK協議），這證明後狀態根是執行批次的正確結果。

無論計算量有多大，都可以在鏈上非常迅速地驗證證明。

總的來說，我個人認為，在短期內，對於通用EVM計算而言，樂觀可能會勝出；而對於簡單付款，交易和其他特定於應用的用例，ZK可能會勝出。

隨著ZK-SNARK技術的改進，中長期ZK將在所有用例中勝出。

Rollup工作細節

在Optimistic Rollup中，首先我們需要設立一個可信任的節點，這個節點負責收集所有的交易信息、驗證然後打包.

打包後的信息集合將帶上該節點的簽名發送到區塊鍊網絡中。

當一個可信節點設置成功後，該節點將成為Rollup節點，這個節點需要同全節點一樣，下載整個區塊數據並實時更新區塊狀態。

我們仍舊以之前那個公司為例，假設目前有2000筆交易正在等待執行，公司的員工會將2000筆交易發給Rollup節點。

之後，Rollup節點需要根據已有的狀態和區塊數據，對交易進行驗證，並保存以下數據集（交易內容，交易前狀態，交易後狀態）。

當Rollup節點對所有交易完成了驗證與執行並生成數據集後，節點需要對這個數據集進行簽名，即Sig Rollup節點（交易內容，交易前狀態，交易後狀態）。

最後將簽名與數據集整合到一筆交易中，這個交易被稱作斷言Assertion，發送到區塊鍊網絡等待其他節點驗證即可。

需要注意的是，網絡中的其他節點並不會驗證Rollup節點發來的數據集，僅僅只驗證其簽名，驗證完畢後將根據數據集更新區塊鍊網絡狀態。

正如它的名稱“Optimistic Rollup”，實際上所有的Rollup協議由於將交易驗證從鏈上轉移到了鏈下，因此都是一種基於“樂觀”的假設—假設大多數情況下Rollup節點不會作惡。

但光有樂觀假設是不足的，節點總會因為各種各樣的原因出現問題。

為了避免這些節點惡意行為，提高作惡成本，Optimistic Rollup中還有如下機制：

一方面，Rollup節點需要向網絡質押一定額度的Token，這些Token有一定的解鎖時間，並會在Rollup節點做出惡意行為時被罰沒。

另一方面，Rollup節點所提交斷言不會被網絡立即認可，所以存在一定時間的窗口期（一般是1週）。

如果其他節點認為該Rollup節點提交的斷言存在惡意行為，節點可以質押一定押金並對該斷言發起挑戰。

並且區塊鏈中的出塊/驗證節點會對該斷言中的所有內容（包括數據集）進行重新驗證、執行，比對交易狀態的差距。

如果的確存在惡意行為，那麼Rollup節點的押金會被罰沒，則發起挑戰的節點則會獲得一定獎勵。如果不存在惡意行為，則發起挑戰節點的押金會被罰沒。

另外，在窗口期結束時沒有其他節點對斷言發起挑戰的話，斷言中的狀態信息將會被係數更新至區塊鏈狀態中。

Optimistic Rollup可以將多個交易信息經可信第三方聚合為單筆信息，由於交易中的狀態變更情況是由鏈下節點驗證而非鏈上節點驗證。

因此降低了區塊鏈上節點的驗證難度（僅需要驗證Rollup節點所提交的簽名，並更新由該節點提交的狀態信息即可）。

數據集雖然看起來並沒有較單個交易的疊加更小，但數據集因為不會受鏈上節點的驗證，故不需要為其支付高昂的手續費。

依靠這種Layer2處理方案，可以很容易的提高區塊鏈的有效吞吐量。

ZK rollup是如何工作的？

一個簡單的以太坊交易（發送ETH）需要約110個字節。但是，Rollup上的ETH傳輸僅佔用約12個字節。

ZK特有的一個重要壓縮技巧是，如果事務的一部分僅用於驗證，而與計算狀態更新無關，則可以將該部分留在鏈下。

這不會完全在樂觀的狀態下完成，因為如果以後需要在欺詐證明中檢查數據，則仍需要將數據包含在鏈上。

而在ZK中，SNARK證明批次的正確性已證明任何數據提供了驗證所需的信息。

還有一個重要的例子是隱私保護，在樂觀的狀態下，每筆交易中用於隱私的約500字節需要進行保留，而在ZK中，覆蓋整個批次的ZK-SNARK已經沒有了。

這些壓縮技巧是Rollup可伸縮性的關鍵。沒有它們，Rollup可能只會使基礎鏈的可伸縮性提高約10倍，而採用壓縮技巧時，縮放係數幾乎可以超過100倍所有應用程序。

鏈金分析

Rollup的基本概念現在已經得到了很好的理解，但我們可以肯定它們在根本上是可行且安全的，並且已經將多個Rollup部署到了主網上。

但仍有很多Rollup設計領域尚未得到很好的探索，充分利用以太坊的可伸縮性，將以太坊生態系統的大部分完全整合到Rollup中還將面臨很多挑戰。

Rollup是一種強大的新的2層伸縮範例，在短期和中期的未來（以及可能也是長期的）中，有望成為以太坊伸縮的基石。