Rollup最近在Ethereum社区风靡一时，有望在未来成为Ethereum的主要扩容解决方案。但这项技术到底是什么样的呢？它可以给我们带来什么变化？我们如何使用这项技术？这篇文章将试图回答其中的一些关键问题。
背景：什么是Layer1和Layer2扩容？
目前主要有两种区块链扩容方式。
首先，你可以直接提高区块链交易吞吐量，但这类技术主要挑战为「当区块容量越大时，区块链将更难以验证，而且很可能逐渐变得更中心化」。为了避免这样的风险，开发者可以提高客户端软件的效率，或者使用Sharding技术让构建和验证工作分散到许多节点上，目前Ethereum准备借助Eth2升级引入Sharding技术。
其次，你也可以改变使用区块链的方式。用户不必将所有交易放在区块链上，而是可以通过Layer2协议在链下执行大部分交易。即链上的智能合约只需执行两个任务：处理存取款和验证链下交易的有效性。由此减轻链上负担，提高交易处理效率。
Statechannelsvsplasmavsrollups
目前主要有三种Layer2扩容方案：Statechannels、Plasma和Rollups，这三种各有优劣。
译者注：译文中省略Statechannels和Plasma科普内容，主要讲述Rollups部分。
术语说明
Batch：批处理交易，指将Layer2交易批量打包并提交到Layer1的Rollup合约。
Sequencer：排序者，指在Layer2上打包排序交易的角色，类似Layer1的矿工。
Stateroot：状态根，指Layer2上所有状态通过MerkleTree生成的哈希值。
Rollups
参考：Optimisticrollups和ZKrollups。
Plasma和StateChannels是「完全」的Layer2方案，因为它们试图将数据和计算都转移至链下。然而，由于存在「数据可用性的博弈问题」，意味着这两种方案不可能安全地满足所有应用场景。
Plasma和StateChannels通过依赖所属权的owner来解决该问题，但这使它们无法完全通用化。
另一方面，Rollups是一种「混合」的Layer2方案。Rollups将计算转移至链下，但同时将每笔交易的部分数据保留在链上。
数据：Vitalik Buterin过去8天通过地址0x556向Bitstamp转入1,602枚ETH:9月3日消息，据Spot On Chain监测，Vitalik Buterin于20小时前将999枚ETH（163万美元）从地址0xD04转移至地址0x556。据了解，Vitalik似乎在过去8天内通过地址0x556向Bitstamp转入1,602枚ETH（268万美元），并出售100枚ETH获得17.3万美元。[2023/9/3 13:14:23]
为了提高效率，他们使用了不少fancy的压缩技巧，尽可能地使用「计算」代替「数据」。其结果是系统的扩容仍然受限于底层区块链的数据带宽，但效率是可观的：EthereumERC20代币转账成本约为45,000gas，而Rollup中的ERC20代币转账仅使用16字节的链上空间，成本低于300gas。
事实上，数据上链是关键。将数据放在链上并获得共识，如果任何人愿意，他们可以在本地处理rollup中的所有操作，从而允许他们监测欺诈交易，请求提款，或亲自生成transactionbatches。
因为没有数据可用性问题，所以恶意或离线运营者所造成的损失会更少，从而为谁有权发布batches打开了更大的设计空间，并简化rollups系统。最重要的是，没有数据可用性问题也意味着不再需要将资产映射到owners。
这是Ethereum社区对rollups比以往的Layer2扩容方案更兴奋的关键原因：Rollups是完全通用的，我们甚至可以在rollup内运行一个EVM，使得现有的Ethereum应用不必编写过多新的代码就可以迁移到rollups上。
那么Rollup到底是如何工作的呢？
链上会有一个智能合约维护着stateroot：rollup状态的Merkleroot。
任何人都可以发布一笔batch交易，这是一个高度压缩的交易集合，包含旧的stateroot和新的stateroot。合约会检查batch中的旧stateroot是否匹配当前的stateroot，如果匹配，则将stateroot更新到新的stateroot。
Vitalik：跨链证明是实现跨链社交恢复钱包的关键，ZK-SNARK等是可行选择:6月20日消息，以太坊联合创始人VitalikButerin在最新文章《更深入探讨钱包和其他用例的跨L2读取》中指出，实现跨链社交恢复钱包的一个可行方案是维护一个存放在特定位置的密钥库，以及多个不同位置的钱包，这些钱包可以读取密钥库来更新自身的验证密钥视图或在每次交易验证过程中。跨链证明是实现这个功能的关键，需要对其进行深度优化，可能的方案包括零知识证明（ZK-SNARK）、等待Verkle证明或自定义KZG解决方案。
从长远看，我们需要实现聚合协议，通过生成聚合证明来打包所有用户提交的操作，以此来降低成本。这可能需要将其集成到ERC-4337生态系统中，可能需要对ERC-4337进行一些修改。同时，为了减少从L2内部读取L1状态的延迟，L2应被优化。
钱包不只可以放在L2上，也可以放在与以太坊连接程度较低的系统上，如L3或只同意包含以太坊状态根的独立链。然而，密钥库应放在L1或高安全性的ZK-rollupL2上。尽管这样会增加复杂性，但从长期来看，可能在L2上设置密钥库才是成本更低的方案。在这个过程中，我们也需要致力于提供保护隐私的解决方案，并确保我们的方案可以与隐私保护方案兼容。[2023/6/21 21:50:47]
为了支持存款和提款，我们增加了交易的能力，其输入或输出是「外部」的rollup状态。如果一个batch来自外部的输入，那么提交该batch的交易也需要将这些资产转移到rollup合约中。如果一个batch有对外的输出，那么在处理该batch时，智能合约将会执行「提现」操作。
这一切就这么简单!除了一个主要的细节：如何知道batch中的post-stateroots是正确的呢?如果有人可以用任意post-stateroot提交一个batch而没有任何惩罚，他们就可以直接将rollup内的全部资产转给自己。这个问题有两种截然不同的解决思路，从而衍生出两种「口味」的rollup方案。
OptimisticrollupsVSZKrollups
以下是这两种「口味」的rollups方案描述：
Optimisticrollups，采用欺诈性证明：rollup合约会跟踪历史的stateroots和每一个batch的哈希值。如果有人发现某个batch的post-stateroot不正确，那么他们可以向合约提交证明，证明该batch计算错误。合约验证该证明有效后，会对该batch和之后的所有batch进行回滚。
Vitalik Buterin：在以太坊上重新质押时需谨慎:金色财经报道，以太坊联合创始人Vitalik Buterin表达了对以太坊共识机制超出其原始设计的过度复杂化的担忧，特别是在重签方面，重签是Eigen Layer等公司正在开发的一种机制，它扩大了以太坊验证者的责任，包括确保外部链的安全。他担心，重新锁定可能会引入影响网络安全的风险。Vitalik Buterin表示，在以太坊上重新质押时需谨慎。[2023/5/22 15:18:50]
ZKrollups，采用有效性证明：每一个batch都包含一个称为ZK-SNARK的密码学证明，它可以证明post-stateroot是执行该batch的正确结果。无论计算量有多大，合约都可以迅速地在链上验证证明。
但两种「口味」的rollup之间有着复杂的权衡：
方案权衡
总的来说，我的观点是：
短期内，Optimisticrollups很可能在通用的EVM计算中胜出，而ZKrollups则可能在简单的支付、交易和其他特定应用场景中胜出，但最终从中长期来看，随着ZK-SNARK技术的改进，ZKrollups将在所有场景中胜出。
欺诈性证明剖析
Optimisticrollup的安全性主要取决于：如果有人将一个无效batch发布到rollup合约中，那么保持跟踪链上信息并发现欺诈的任何人都可以发布欺诈性证明，向合约证明该batch无效并回滚。
如图所示，声称某batch无效的欺诈性证明将会包含这些绿色数据：该batch本身和Merkletree的部分内容，从而证明该batch读取或修改特定账户。
而该树中的黄色节点可以从绿色的节点重建，所以不必提供。这些数据足以执行该batch并计算post-stateroot。如果计算出的post-stateroot和该batch中提供的post-stateroot不一样，那么说明该batch具有欺诈性。
区块链健康数据平台DEVITA与Polygon达成合作:金色财经消息，区块链健康数据平台DEVITA与Polygon达成合作，通过Polygon的网络，DEVITA可以利用快速数据传输和超低的交易成本，为其用户提供更公平的医疗保健和个人数据管理机会。
据悉，DEVITA 是一个基于区块链的健康数据平台，旨在通过去中心化识别 (DID) 和不可替代令牌 (NFT) 技术的最新创新来优化传统医疗流程和运营，该平台即将Polygon上线。（blog.polygon.technology）[2022/4/14 14:24:17]
如果一个batch存在错误，但之前所有的batches都是正确的，那么就可以创建一个欺诈性证明以表示该batch是错误的。
请注意对旧的batches声称无效的处理：如果存在多笔无效batches提交到rollup中，那么最好尽量证明最早无效的batch。当然，如果一个batch是正确的，那么永远不可能创建一个欺诈性证明以表示其无效。
Rollups是如何压缩数据的？
一笔简单的Ethereum交易通常消耗约110字节。然而，在Rollup上发送ETH仅仅消耗约12字节。
字节消耗对比
为了达到这样的压缩效果，一方面是采用了更简单高级编码，而目前Ethereum的RLP在每个值的长度上都浪费了1字节。另一方面，还有一些巧妙的压缩技巧：
Nonce：该参数的目的是为了防止「重放」。如果账户的当前nonce是5，那么该账户的下一笔交易必须使用nonce5，但一旦交易被处理，那么该账户中的nonce就会被递增到6，这样采用nonce5的交易就不会被执行。在rollup中，我们可以完全省略nonce，因为我们只是从pre-state中恢复nonce。同时由于签名会采用最新的nonce进行检查，如果有人试图使用旧的nonce重放交易，那么签名将无法通过验证。
Gasprice：我们可以允许用户使用固定范围的gasprices进行支付，例如2的16次幂。或者，我们也可以在每笔batch中收取固定费用，甚至可以将gas支付完全移到rollup协议之外，让交易者通过特定渠道向batch创建者支付费用。
现场 | Vitalik Buterin：区块链可以被视作是一种促进各种经济协调的工具:金色财经现场报道，今日，由金色财经提供战略媒体支持的以太坊产业发展峰会在香港举办，会上以太坊创始人Vitalik Buterin及其团队接受了包括金色财经在内的中外媒体采访。在回答“区块链究竟能给我们这个社会带来些什么”这一问题时，Vitalik Buterin表示：“我认为你可以把区块链看作是一种促进各种经济协调的工具，就像其他不同种类的经济机制一样，人们可以在互联网上合作制作内容，然后再各自获得报酬，这样就会鼓励人们更具有责任心，他们在制作新闻的时候也会更负责，不会出现虚假新闻。现阶段，人们正在提出各种不同的工具、或是不同的经济机制，鼓励大家以更广泛的受益形式来工作。传统支付方式很难满足这种协作工作模式，因此区块链能够创建全新的经济机制。我写论文的时候，也得到了开发者们的支持。”[2018/9/8]
Gas：我们同样也可以将gas设置为2的多次幂。另外，我们也可以在batch层面设置gas限制。
To：我们可以使用「索引」来代替20字节的地址。
Value：我们可以用科学计数法存储value。在大多数情况下，转账仅需1～3有效位。
Signature：我们可以使用BLS聚合签名，它允许许多签名聚合成一个约32-96字节的签名。然后，这个签名可以一次性对整个消息集和发送者进行batch检查。表中的~0.5表示一个区块中可验证的聚合签名的数量是有限制的，因为它需要在一次欺诈证明中验证签名。
ZKrollups特有的一个重要压缩技巧：如果交易的一部分仅用于验证，并与计算状态更新无关，那么这部分可以省略。这在Optimisticrollup中是做不到的，因为该数据仍然需要包含在链上，以防将来欺诈性证明检查所需，而在ZKrollup中，证明数据正确性的SNARK已经提供了任何验证所需的数据。
一个重要的例子是隐私保护rollups：在Optimisticrollup中，每笔交易中～500字节用于隐私的ZK-SNARK需要上链，而在ZKrollup中，覆盖整个batch的ZK-SNARK已经足以表明「内部」的所有ZK-SNARKs是有效的。
这些压缩技巧是rollup扩容的关键，如果没有这些技巧，rollup或许只能在基础链的扩容上有大约10倍的提升，但有了这些压缩技巧，几乎所有应用的扩容系数都可以超过100倍。
谁可以提交batch？
关于哪些人可以在Optimisticrollup或ZKrollup中提交batch的问题存在许多流派。一般来说，大家都认为提交batch的用户必须先交纳一大笔押金，如果该用户提交欺诈性的batch，那么这笔押金的一部分将被烧掉，另一部分作为奖励给到提交欺诈性证明的用户。但除此之外，还存在许多可能性：
Totalanarchy：任何人都可以在任何时候提交batch。这是最简单的方法，但它有一些严重的缺点，比如存在这样的问题：多个参与者同时生成并试图提交batch，而其中仅有一个batch可以成功被收录。这将导致大量的浪费，比如没有意义的生成batch证明或者提交batch到链上。
中心化的Sequencer：通过Sequencer这样的角色提交batch。这是最「高效」的，但它依赖于一个中心化的角色。
Sequencer拍卖：通过拍卖来决定谁有权利成为第二天的Sequencer。这种方案的优点是可以筹集资金，而这些资金可以通过rollup的DAO来分配。
从PoS集合中随机选择：任何人都可以将ETH存入rollup合约中，每一个batch的sequencer都会从其中一个存款人中随机选择，被选中的概率与存款金额成正比。这种方案的主要缺点是大量资产被锁定，导致资金效率低。
DPoS投票：Sequencer通过拍卖选中，但如果他们表现不佳，那么代币持有者可以投票将其踢出，并举行新的拍卖来替代他们。
改进提交batch和stateroot的方式
目前一些正在开发的rollup方案采用的是“splitbatch”模式，即提交Layer2batch的动作和提交一个stateroot的动作分开执行，这会有一些关键优势：
你可以允许许多sequencers并行发布batch，以提高抗审查能力，而不用担心一些batch会因为其他batch已经被打包而无效。
如果一个stateroot存在欺诈，你不需要回滚所有batch，仅恢复该stateroot即可，并等待有人为该batch提供新的stateroot。这样可以更好地保障交易发送者的交易不会被回滚。
总的来说，这是一个相当复杂的技术组合，它们试图在涉及效率、简单性、抗审查和其他目标的复杂权衡中获得平衡。但现在谈哪种组合最有效还为时过早，而时间会证明一切。
Rollups将会带来多大的扩容？
目前Ethereum的gaslimit是1,250万，交易中每个字节的数据需要消耗16gas。那么如果一个区块仅包含一个batch，那么该batch会有=75万字节。如上图所示，每一位用户转账ETH仅消耗12字节，那么也就是说，该batch最多可以包含62,500笔交易。
在平均区块时间为13秒的情况下，这相当于达到约4,807TPS。
部分用例扩容提升规模
那么扩容上限可以这么计算：
(L1gascost)/(bytesinrollup*16)*12million/12.5million
现在值得注意的是这些数字还是过于乐观，原因有几个：
首先，最重要的是一个区块几乎永远不会仅包含一个batch，因为将可能会存在多个rollup方案同时运作。第二，存款和提款将持续存在。第三，短期内使用量会很低，所以固定成本成为主要消耗。但即使将这些因素考虑在内，预计扩容规模也会超过100倍。
现在，如果我们想要超过~1,000-4,000TPS，该怎么办呢？这就是ETH数据分片的意义所在，sharding建议每12秒开辟一个16MB的空间，这个空间可以被任何数据填满，系统保证对这些数据的可用性达成共识，而这些数据空间可以被rollup使用。
这个约1,398kB/s的数据量比当前Ethereum60kB/s提高了23倍，从长远来看，数据容量有望进一步增长。因此，使用Eth2分片数据的rollup可以处理高达约100kTPS，未来甚至会更多。
Rollup还有哪些尚未解决的挑战？
虽然现在Rollup的基本概念已经被大家所熟知，我们也很确认它们从根本上是可行的、安全的，以及已有多个rollup方案被部署到主网上，但rollup的设计仍然存在许多地方没有被很好地探索，将Ethereum生态系统的大部分内容完全迁移到rollup上以利用其扩容能力也存在不少挑战：
Userandecosystemonboarding-使用rollups的应用不多，用户对rollups也不熟悉，目前很少有钱包开始整合rollups，而商家和慈善机构还不接受它们用于支付。
Cross-rolluptransactions-有效地将资产和数据(例如oracle输出)从一个rollup转移到另一个rollup中，而不会产生经过Layer1的费用。
Auditingincentives-如何最大限度地提高至少一个诚实节点会真正全面验证一个Optimisticrollup的概率，以便出错时他们会发布欺诈性证明。对于小规模的rollup来说，这不是一个重要的问题，可以简单地借助利他主义，但对于更大规模的rollup来说，需要更严谨地推理这个问题。
Exploringthedesignspaceinbetweenplasmaandrollups-是否存在一些方法可以将状态更新的相关数据放在链上，而不是所有的数据。
Maximizingsecurityofpre-confirmations-许多rollup为了更快的用户体验，提供了一个「预确认」的概念，即sequencer立即给予一个承诺，交易将被包含在下一个batch中，如果他们食言，sequencer的押金将被销毁。但这种方案的经济安全性是有限的，因为可能同时向许多用户做出承诺，这种机制能否获得改进？
Improvingspeedofresponsetoabsentsequencers-如果一个rollup的sequencer突然下线，那么快速和经济地从这种情况中恢复过来将是非常有价值的：要么快速且经济地大规模退出到另一个rollup，要么更换sequencer。
EfficientZK-VM-生成通用EVM代码的ZK-SNARK证明可以被正确执行，并且有一个明确结果。
结论
Rollups是一种强大的Layer2扩容范式，预计将成为Ethereum短期和中期扩容的基石。我们已经看到了Ethereum社区对此感到大大的兴奋，因为这与之前的Layer2扩容方案不同，它们可以支持通用的EVM代码，允许现有的智能合约轻松迁移。
这是通过一个关键的妥协来实现的：放弃将数据和计算完全放在链下，而是将每笔交易的少量数据留在链上。
Rollups方案有很多种，在设计空间上会有很多选择：可以采用欺诈性证明的Optimisticrollup，或者采用有效性证明的ZKrollup。Sequencer可以是一个中心化的角色，也可以是一个去中心化的角色，或者是介于两者之间的其他选择。
总的来说，Rollup仍然是一项早期阶段的技术，一切仍在迅速发展，特别是Loopring，ZKSync和DeversiFi已经运作了几个月。
期待在未来的几年内，Rollup领域会出现更多令人兴奋的工作成果。
原文：AnIncompleteGuidetoRollups
作者：Vitalik
译者：阿树
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