撰文：Cati，编辑：南风可扩展性的「三难困境」存在于所有区块链网络中。区块链L1(主网)推进可扩展性的难度越大，在该网络上运行一个全节点的最低硬件要求就越高。当运行全节点不那么容易时，区块链网络就会变得更加中心化。显而易见的是，以太坊长期以来优先考虑了L1的安全性和去中心化，而不是可扩展性。但随着以太坊转向一条以Rollup为中心的路线图，以太坊正在利用其L1基础层(特别是其庞大的全节点网络)提供强大的数据可用性来代替L1可扩展性，同时维持网络的安全性和去中心化。
上图：区块链的「三难困境」，图源：VitalikButerin以太坊转向这一路线图的意图是，我们今天在以太坊区块链上的大部分交易执行(包括DeFi、NFTs等活动)将转移到Rollups中进行，而不是在以太坊L1上进行。虽然这与该行业许多L1s链将重点放在速度和安全性(而非去中心化)的理念相违背，但这种「三难困境」并不适用于Rollups：Rollups继承了以太坊L1主网的安全性，且由于以太坊L1处理了困难的部分，Rollups得以能够专注于成为最好的执行层。你可能已经听说过Optimism和Arbitrum这两个网络，二者都是基于OptimisticRollups技术的Rollup网络；另一种类型的Rollup网络是基于ZK-Rollups技术，目前已经有一些基于ZK-Rollups的网络上线了(比如当前的Loopring和zkSync1.0等)，但尚未有哪个ZK-Rollup网络提供通用计算EVM兼容性(即zkEVM)，但随着zkSync2.0、Scroll、StarkNet等网络正在取得快速进展，这种情况将不会持续太久。那么，为什么这很重要？当以太坊实现从「单片式区块链」蜕变成一个「模块化系统」时，这将改变区块链的竞争动态。正如Polynya在其文章中指出的，其他L1智能合约区块链将不再与以太坊直接竞争，而是与Rollups进行竞争。我相信，随着兼容于EVM的通用ZK-Rollups网络的出现，这将不仅使得OptimisticRollups方案有些过时，还将导致其他所有L1智能合约区块链过时。事实上，通过这些竞争性的Rollups实现及其专注于提升执行效率，Rollups将以极快的速度进行自我迭代至最佳的版本。由于它们都很可能将会经历快速的变化，本文中我将不会试图对特定的ZK-Rollups方案进行描述；相反，本文将强调ZK-Rollup在以太坊新旧两条链合并&实施分片之后的以太坊世界中所具有的能力和可能性。01.安全性
Rollups所具有的安全性保障，使其能够实现一些有趣的动态。逃生舱口
如果你的资金在PolygonPoS(以太坊侧链)或者Solana区块链上，而该网络离线了几个小时，那么在此期间，你对于自己被困的资金无能为力。与使用这些“侧链”或者其他L1智能合约链不同，基于以太坊L1主网的Rollups链的合约包含了“逃生舱口”(escapehatches)，允许用户在即便Rollup网络离线的情况下也能将资金从Rollups网络撤回至以太坊L1主网上。在Rollups链中，你总是可以根据需要手动地向以太坊主网上的Rollup合约提交交易，包括将资金从Rollups撤回至以太坊主网。
理想情况下，将资金从Rollup撤回至L1不会应该是一个很“舒适”的过程。图源：Google中心化的定序器&证明器(以及为什么它们并没有那么可怕)
我知道在上文的介绍部分我说过，本文将介绍Rollups所提供的“最佳优势”，在有人对此感到失望之前，我需要澄清一个明显的事实：理想的场景是Rollups实现了完全去中心化的定序器(sequencers)和证明器(provers)；但最初的情况并非如此：大多数Rollups在启动初期都有不同程度的中心化，并逐步实现去中心化。但话虽如此，有着中心化定序器的Rollups链仍然会比中心化的L1链更加安全，这是一个值得强调的事实。当你使用某个有着一个中心化定序器或证明器的Rollup网络时，你只是在信任和抗审查性方面有所妥协，而不是在安全性方面妥协。Rollups定序器的运营者并不能盗走你的资金，你总是可以将资金撤回至以太坊主网上。实际上，你主要依赖于中央定序器的活性。我们之前都听过这样或那样的关于区块链是一条“数据中心链”的笑话。通过ZK-Rollups，你实际上可以拥有一个由超高规格的机器组成的数据中心，这些机器专门负责完成证明工作，这对于网络而言并不是一种存在风险。去中心化的定序器&证明器
值得庆幸的是，由于Rollups开发者能够在需要时触发逃生舱口，且无法窃取资金，因此他们可以在无需担心灾难性后果的情况下试验各种方案。在实现定序器和证明器去中心化的设计领域相当宽广。就其最终形式而言，我预计Rollups网络的定序和证明工作将对公众开放，并提供不同形式的经济激励(代币、质押、惩罚等等)以确保人们正确行事。更重要的是，我们将拥有分布式的Rollups网络，网络中包含了诸多业务、Rollup开发者以及运行证明器的爱好者。02.数据可用性
数据可用性(dataavailability)是指每个以太坊节点都需要维护的数据。链上的数据存储由于具有不可篡改性而非常具有价值的，但是以太坊链上的数据容量有限，而且这些数据的维护也是需要消耗大量资源的；因此，在链上存储并不便宜！但一旦以太坊实现了数据分片(datashards)并转向成为一个「模块化系统」时，Rollups将能获得大量的数据容量，而且这些容量只会随着时间的推移而增加(因为以太坊将从最初的64条分片链增加至1024条分片链)。大量的全节点和验证者意味着以太坊将拥有最高容量的数据可用性。以太坊数据分片
分片是以太坊将实施的一场多阶段升级。分片(shards)将作为网络数据存储需求的负载均衡器，允许Rollup执行层获得巨大的可扩展性提升。重要的是，这也避免了对以太坊网络全节点施加过高的要求，从而允许网络保持去中心化。最初，以太坊上将实现64条数据分片(也即“分片链”)；最终将会有1024条数据分片。数据分片不会负责处理交易或智能合约，而是为Rollups提供额外的数据容量。
以太坊分片示意图，图源：Hsiao-WeiWang我们知道，Rollups通过将交易批次以压缩的形式，不定期地向以太坊主网发布单个状态根更新，该状态根更新包含了发生在Rollup层的许多不同交易的结果。由于Rollups必须将这些状态根发布至主网上，Rollups需要支付的Gas费用也受到了主网区块空间需求的波动，该成本通常会转移到Rollups的用户身上(对此我们将在下文中详细解释)。一旦以太坊分片上线了，主网的容量将会增加近20倍，这将允许Rollups上的操作便宜和快速！Volitions
Volitions是一种混合式扩容解决方案，让用户能够在“ZK-Rollup模式”和“Validium模式”之间进行选择。与ZK-Rollups方案类似，Volitions也需要向以太坊主网提交状态根和证明，但不同的是，Volitions方案允许用户在数据可用性方面进行选择：如果用户想要或者需要使用链上数据可用性，则可以选择Volition的zk-Rollup模式；如果想要链下数据可用性，可以选择Validium模式。这种权衡决策只在ZK-Rollup领域可用；OptimisticRollups领域无法实现Volitions方案。Volition方案的一个例子就是zkSyc2.0：
上图：zkSync2.0将实现的Volition方案。图源：MatterLabszkSync的Validium模式称为「zkPorter」。在这个方案中，数据可用性由zkPorter验证者(validators)保护。MatterLabs团队声称，zkPorter将能够实现20,000TPS的吞吐量和100倍的Gas成本降低。值得注意的是，zk-Rollup上的最终交易吞吐量上限实际上受到了其证明器的计算和存储能力的限制。我认为，从长期来看，20,000TPS实际上可能是一个过高的预估。03.交易成本&吞吐量
目前，Rollups上的交易成本已经相当低了，但还不够低。值得庆幸的是，还有更多的优化方法将带来Gas成本的大幅降低。此外，还将部署许多技术来增加Rollups的交易吞吐量。Rollups大军
鉴于主网上的Rollups的轻量级性质，未来很可能将会有数百个Rollups网络并行运行，每一个Rollup都能支持数十万的用户，且都有各自巨大的交易吞吐量，所有这些Rollups都由以太坊提供支持和保护。当某个Rollup饱和时(比如由于其定序器不堪重负等)，跳至另一个Rollup并开始进行交易将是轻而易举的。如果需要，你还可以对某个Rollup进行分叉并部署一个该Rollup的副本。有效性证明摊销
有效性证明摊销是指ZK-Rollups上每个交易批次在向以太坊L1提交状态根更新时需要支付的Gas成本会分摊到该交易批次中包含的所有交易中。在本文中，我将提供一种快速理解摊销概念的例子。请记住，为了简单起见，这个例子在数学上是不准确的。我提供的公式只是为了进行解释说明；在现实中，Rollups交易成本的拆分并不会这么简单。以下是我们想象的场景：假设某个Rollup网络向以太坊L1更新一个状态根的成本是5,000,000Gas；与主网类似，Rollup用户在发起交易时也要支付一笔Gas费用；这样每笔交易需要支付的成本公式就是x=5000000/y，其中x表示每笔交易需要支付的Gas费用，y表示给定Rollup交易批次中包含的交易笔数。这样我们就可以推算出：如果该交易批次中包含200笔交易，那么单笔交易的成本就是25,000Gas；如果该交易批次中包含100,000笔交易，那么单笔交易的成本就是50Gas，基本上可以忽略不计。可以看出，当更多的用户在一个批次中提交更多的交易时，经摊销的交易成本就会变得更低。这与单片式区块链(比如当前的以太坊)的情况完全相反：在单片式区块链上，对区块空间的需求会随着网络中活跃用户数量的增加而增长，由于区块空间的稀缺性，这将导致Gas价格的飙升。摊销的一个例子就是：StarkEx提供一种称为SHARP(全称为SharedProver)的机制，也就是在所有StarkEx部署中分摊成本。Volitions
关于Volitions的大部分相关信息已经在上文提及了。尽管如此，该方案仍然与Rollup吞吐量相关，因此值得我们再次提及Volitions。简单回顾一下：Volitions给予开发者和用户能够在Validium模式中使用链下数据可用性；这种链下数据可用性的安全性虽然不及链上数据可用性，但能够带来交易成本的大幅降低；除了交易成本的降低，链下数据可用性也解锁了大量额外的交易吞吐量。04.隐私性
众所周知，隐私性并非以太坊公链固有的属性。默认情况下，ZK-Rollups方案也不具备隐私性。ZK-Rollup中的“ZK”(zeroknowledge，零知识)是指计算发生在链下，然后以零知识证明(zero-knowledgeproof)的方式在L1主链上被验证其合法性，这并不意味着“你的交易活动被隐藏起来不被窥探”。不过也没那么糟糕：目前在实现ZK-Rollups无须许可的隐私性方面正有大量工作在进行中。递归证明
Vitalik在其撰写的《Rollups不完整指南》(AnIncompleteGuidetoRollups)一文中谈到了OptimisticRollups和ZK-Rollups之间的一些关键区别，其中一大区别就是这两种Rollup方案如何处理隐私问题。Vitalik特别提到了「递归证明」(recursiveproofs)。递归证明是指在一个证明(proof)内部验证另一个证明的行为，比如在一个SNARK证明内部验证另一个SNARK证明。这是一种方便的压缩技术，可以提高效率并降低隐私保护成本。比如，Aztec团队正在致力于有关ZK-ZK-rollup(即ZK2-rollup)方面的研究工作，该方案利用了他们具有创新性的PLONK证明和Turbo-PLONK来提供交易隐私性。需要注意的是，OptimisticRollups并不能实现这种创新，因为它们无法安全地允许内部的SNARK验证在Rollup之外；数据必须在链上发布。这并不是说OptimisticRollups不能从零知识证明中获益，而是它们在效率和成本效益方面总是会更低。撰文时，zkSnyc和MinaProtocol已经采用了PLONKs。随着时间的推移，我们可以预计将会有更多关于递归证明的创新(包括来自Groth16、Marlin、Fractal、Halo2等其他协议的创新)为所有的ZK-Rollups带来更便宜和更强大的隐私性。
上图：Turbo-PLONK多项式逻辑单位，图源：ZeroKnowledgeSummit。05.灵活性
ZK-Rollups享受着在多个方面进行创新的自由，而不用像其他L1链那样面临着灾难性失败的风险。以太坊以Rollup为中心的路线图的一个关键原则是，自由市场正在寻找搭建Rollup的所有最佳方式，而不是让一小群核心开发者来假设那种方式应该是最好的。由于开发和部署一个Rollup网络是一项无须许可的工作，我们将看看到许多采用不同方法的Rollups来竞相吸引用户，包括采用不同风格的治理方式、代币经济学、流动性激励机制、在去中心化频谱中的不同权衡、意识形态的不同表述，甚至选择不同的VM(虚拟机)环境(比如LLVM、自定义的VMs等等)。不过，并不是本章节中提及的所有内容都是ZK-Rollups所独有的。尽管OptimisticRollups缺乏ZK-Rollups提供的一些特性，但OptimisticRollups也具有相当的灵活性。然而，其他L1智能合约链并不能像Rollups那样快速迭代其中任何一个特性。请记住：现在是Rollups对战其他L1智能合约平台的时候了。如果L1链试图快速迭代，放弃适当的测试和安全措施，那么对于用户来说就会有很高的风险。任何时候，L1网络上的所有资金都是一种“赏金”，如果L1链失败了，那么损失可能是灾难性的。宕机时间也会对该L1上的任何可扩展性执行环境(比如Rollups、状态通道等)产生影响。L1网络优先考虑安全性和去中心化是有道理的。在最坏的情况下，当某个Rollup奔溃时，将需要手动进行操作，直到问题得到解决。就好像在Etherscan网站上与智能合约进行交互一样，Rollups开发者和dApp开发者可能会提供“紧急情况下”的门户网站，允许用户在需要的情况下快速、简单地手动操作Rollups。值得庆幸的是，这些快速的迭代很可能在早期就会得到解决，我认为相关的开发工作将会得到充分的重视。06.大量新的应用
通过将计算外包出去(即在L2层执行计算)，能够使大量新的、在当前的以太坊主链或任何其他智能合约平台上都是不可实现的链上应用成为可能。这种全新的范式也允许我们构建出任何现有的链上产品的高级版本。应用专用型ZK-Rollups
虽然本文主要关注的是通用计算ZK-Rollups的好处，但关于应用专用型ZK-Rollups的影响也是有很多需要阐述的。dYdX交易所由L2可扩展性引擎StarkEx驱动的dYdX是一个去中心化交易所，支持永续合约交易、保证金交易和现货交易，同时也支持资产借贷。自从dYdX在L2网络部署以来，该交易所上的ETH-USD交易对产生的流动性已经可以与FTX交易所相匹敌。虽然这些流动性可能是为了参与该平台DYDX代币奖励计划而流入的「唯利是图的流动性」，但我相信，dYdX或一些其他的ZK-Rollup原生的DEX(去中心化交易所)总有一天会在交易量和流动性方面永远超过所有的永续合约交易所。
上图：dYdX的ETH流动性对比FTX，数据截止2021年9月26日。来源：Hsaka在UX(用户体验)方面，你只需要一个以太坊钱包和一些ETH就可以登录并开始在dYdX上交易。与一般的中心化交易所不同，这里不需要KYC，也不需要将你的个人信息存储到第三方，当然，DEX是非托管式的。你确实需要将资金转移到Rollup来使用这个DEX，但你可以控制自己的资金，并在需要时将资金撤回至以太坊主网。dYdX的一些用户表示，它给人的感觉就像使用中心化交易所一样反应迅速。一些区块链已经吸引了高频交易人群的关注。假设高频交易公司是理性的、以利润为导向的实体，我认为随着时间的推移，这种活动将会主要驻留在ZK-Rollups上面。ImmutableX另一个迅速获得关注的例子是ImmutableX，这是一种Volition方案(同样由StarkEx提供支持)，该平台专门为NFTs(非同质化代币)的铸造和交易提供了巨大的可扩展性好处。最近，TikTok为了他们的TikTokTopMomentsNFTs而选择了ImmutableX平台。ImmutableX平台允许用户支付极低的费用甚至免费地铸造NFT，而无需花费100甚至1000美元的Gas成本。该平台在声明中表示：“ImmutableX提供免Gas费和即时的交易：对于任何市场、游戏和去中心化应用(dApps)，ImmutableX都提供免Gas费的交易(NFT的铸造、交易、盈利和收集都是免Gas费用的)、即时的NFT交易(每秒高达9,000多笔交易)，在无需进行用户托管的情况下驱动可扩展性。”你看到他们说每秒高达9000多笔交易了吗？其他观念
Volitions将为实现Web3.0使命带来新的方式。例如，区块链原生的社交网络将从链下数据可用性中受益匪浅。JackDorsey(Twitter创始人)已经谈到他的计划，要把Twitter变成一个开源的分布式系统，在这个系统中，Twitter仅仅是一个“Twitter”协议之上的客户端。Volitions(更具体地说是Validiums)可能在该实现中扮演关键角色。类似地，我能够想象一个开源的Vine(现已关闭的短视频应用)的复活，其中用户提交的短视频(6秒或更短)被铸造成NFTs。TikTok及其“TopMoments”NFT计划与这个想法很相似，但TikTok终归是一个闭源的实体，对其而言一点小突破从来都不是坏事。07.这场竞争会如何演变？
ZK-Rollups带来了很多东西，以太坊很快将会让ZK-Rollups发挥其最佳能力。但其他竞争性L1链呢？在所有方面都被ZK-Rollups超越了，这些L1链会怎样呢？这是一个好问题，但必然会有许多复杂的答案。对于它们的命运，我有一些想法。以太坊的实用主义黑洞
在过去的一年里，我们看到许多“便宜而快速”的EVM兼容链如雨后春笋般出现。我们也看到了一些打着在基础层“克服了区块链三难困境”旗号的区块链上线，这些链摒弃了通过分层来继续扩展的理念(但实际上它们为了实现速度和安全性而牺牲了去中心化)。显而易见的是，通用计算ZK-Rollups将比任何其他L1智能合约链更安全、更加去中心化、更具适应性和灵活性，也更加轻量级。这些事实很重要；每条独立运行的L1链都将承担不必要的安全成本和风险，同时也是一个“劣质产品”。在我看来，对于这些区块链而言，未来的实用主义方案是放弃其多余的共识机制和数据可用性，转而成为一个ZK-Rollup或者Volition。它们应该吸收以太坊的一流安全性、数据可用性及其结算保证。通过将共识和安全性「外包」给以太坊，将使得这些链能够更加专注于执行。在未来以太坊实施分片并由Rollups占主导地位的世界，这将能使这些链保持相关性。否则，它们的安全性成本就变沉重地难以跟上脚步。随着时间的推移，这将是一个变得越来越清晰的现实。
上图：以太坊(左边)&其他L1执行层(右)，大约在2023年。图源：NASA/CXC/M.WEISS也即是说，摒弃它们多余的共识机制和安全成本，成为一个基于以太坊的Rollup，这并不意味着它们的代币会消失。相反，它们可以赋予其代币新的用途，以适应其定序器和证明器的激励机制，或者提供链上流动性激励。这些链并不需要牺牲它们的身份，只需要摒弃它们的危险包袱。对于它们而言，这带来的影响是积极的。现实
如果认为这些L1链的架构师、风险投资人和用户会很快接受这一事实，那就太自欺欺人了。它们产生的模因(Memes)影响是很强大的，它们也不乏自豪感，且许多风投都有一个梦想，即他们想要继续将代币出售给散户投资者。历史告诉我们，某个区块链网络的消亡从来都不是一个快速的过程。你可以在今天的以太坊经典(EthereumClassic)上看到数千个空块(emptyblock)，这表明这条链缺乏采用。还有很多其他的区块链网络也是如此。它们一直持续着，持续着，直到有一天它们消亡了。时间
即便这些L1链选择了最实用的方式，即成为一个Rollup网络，也需要进行大量研究、准备和谨慎才能实现如此巨大的变化。任何一条L1链采取这种方式都需要较长的时间。也许与人们的直觉相反，我的直觉是Solana将是最早采取这种方式的区块链之一。08.免责声明
ZK-Rollups的未来可能看起来像是一个神奇的技术解决方案，但也有一些事情你需要记住。一般性概述
这里是一个不全面的清单：根据不同的Rollups实现，中心化的定序器在执行MEV(矿工可提取价值)方面可能更有优势。根据Volitions中的Validiums的数据可用性委员会的实现方式不同，数据委员会的验证者有可能可以恶意冻结或者拒绝更新Validiums的状态。但这种情况并不适用于Volitions中的ZK-Rollups模式。许多Rollups的出现意味着有着更多的流动性场所，不管是代币交易还是NFTs交易。虽然ZK-Rollups允许在Rollup和主网之间快速地转移，甚至在Rollup与Rollup之间也是如此，但流动性的碎片化可能会造成早期的动荡。幸运的是，诸如dAMM(一个支持在不同L2s网络共享流动性的自动化做市商协议)等旨在解决这一问题。运行一个Rollup证明器是需要消耗计算的，因此我们应该找到降低潜在的kW/h消耗的方法，同时使证明器更高效。需要注意的是，Rollup上的证明工作并不是一场像PoW挖矿那样的消耗游戏，它不会随着时间的推移而变得更加困难。因此，Rollups验证器的能源使用量不太可能接近以太坊在PoW时代的能源使用量。话虽如此，除了MEV(矿工可提取价值)，我预计市场将会相对迅速地为大多数问题提供解决方案。就MEV而言，不幸的是，这是一个棘手的问题，并不是通过任何一个神奇的解决方案或协议就能解决的，但各种最小化MEV和使其民主化的方法将有助于减少其影响。OptimisticRollups
虽然我不相信OptimisticRollups具有长期可行性，但对于以太坊而言，OptimisticRollups仍然是目前最好的兼容EVM的可扩展性方案。通用计算EVM兼容的ZK-Rollups还没有出现，还需要一段时间才能实现本文中介绍的这种方案带来的所有好处。Optimism最近宣布了将对其执行环境进行一项令人激动的变更，这将极大地造福于用户和开发者。Arbitrum很快也将迎来Nitro升级，这将增强该网络的EVM兼容性，并为其用户提供更快的速度。有趣的是，越来越多新的和现有的DeFi应用都部署在这些Rollups网络中。这两个L2网络已经吸了数十亿美元的流动性。从以太坊L1桥接至Optimism或者Arbitrum网络只需几分钟！你可以通过此链接来桥接至Optimism：https://gateway.optimism.io/welcome或者通过此链接来桥接至Arbitrum：https://bridge.arbitrum.io/我建议你在与这两个网络中的任何一个互动之前，都要验证每个链接的有效性。你可以通过Optimism和Arbitrum官方推特账号的个人资料里公布的链接来进行再次确认。截至撰文时，Optimism对于可以部署在其上的智能合约设有白名单，但普通用户可以随心所欲地使用白名单中的任何智能合约应用。我预计该白名单很快就会取消。Arbitrum没有设置白名单，用户和开发者都可以自由地交易和部署他们的应用。需要记住的是，使用这两个网络自身的桥梁来将资金撤回至以太坊主网都需要等待约7天时间(这是OptimisticRollups处理欺诈问题的方式)。当然还有第三方服务桥梁，让你可以在Rollup和主网之间来回交换，但这些桥梁会收取费用。在使用任何一个桥梁之前，你需要自己进行研究，并对滑点和费率进行仔细检查。09.总结
我们正处在一个巨大的范式转变的边缘，这将永远改变加密货币生态系统。ZK-Rollups将扩展以太坊，而且它们在这方面做得最好。这种范式转变如此强大，清楚地标志着其他每个L1智能合约链终结的开始——甚至包括我们今天所知的这个以太坊。在可扩展性方面有着很多不同的主张。数千个小时的研究、实现、成功和失败都在寻找创造这个众所周知的明亮灯泡(即ZK-Rollups)的正确方式——当然，这方面的工作远未结束。前面的道路是曲折的，但目的地从来都没有像现在这么明确过。希望本文能够让你在思考这个行业未来时有助于塑造你的思维模式。我对即将发生的事情感到无比兴奋。
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