白話科普 Layer 2 — 主講 Rollup

以太坊 Layer2 擴容方案，OP 與 ZK Rollup 的比較

Author：ChangMinYu, NCCU MIS

Published on December 24, 2022

目錄

1. 甚麼是Layer2
2. 擴容的種類以及方案
3. Rollup 介紹
4. Layer2 實際應用
5. Layer2 困境
6. 未來可能性與結論
7. 補充資料

甚麼是Layer2 - 為甚麼需要Layer2

在了解Layer2之前，我們要先知道為甚麼需要Layer2，其主要是有兩大問題需要解決，分別是 :

1. 區塊鏈三角悖論
或稱區塊鏈三難，在以太坊進行Sharding分片鏈的升級之前，三角悖論一直無法被突破，為了保持去中心化以及保證第一大公鏈的安全性，可擴展性就被限制了。

區塊鏈三角悖論

2. 以太坊窘境
同三角悖論提及的擴展性問題，無非就是TPS過低(每秒最多約15筆交易)、交易GAS費用過高參與者難以接受、所有Dapp都建立在一條主鏈上過於擁擠造成的高負載。

因此，以太坊迫切的需要一個方案去應對高需求高負載的應用場景，應運而生了「不更動主鏈Layer1架構」的Layer2各種擴容方案，而Layer2也是Ethereum共同創辦人Vitalik點名必須存在、短期最好的擴容方式。

甚麼是Layer2 — 其他方案比較

了解了Layer2發展的必要性後，我們可以比較一下Layer2之外其他同為解決三角悖論的方案，分別是 :

1 ／其他公鏈 (Layer1)

如BNBChain、Solana、Aptos等新興公鏈，各個都打著以太坊殺手的名號橫空出世，有的交易處理特別快、有的手續費極度便宜，但缺點也很明顯，其勢必也犧牲了某些東西，根本上並沒有突破區塊鏈三角悖論窘境。

🔺優點
．公鏈競爭激盪出很多創新技術，如Solana的POH共識機制
．避免以太坊一家獨大，分散Dapp到不同鏈，分散風險也增加使用場域
🔺缺點
．依舊沒有項目突破三角悖論，不是犧牲安全性就是
．不一定有EVM兼容，故可能會有較高的Dapp轉移成本
🔺與以太坊「完全競爭」

2 ／分片鏈 (Sharding)

分片鏈解釋起來較為複雜，詳情筆者建議拜讀以下兩篇文章，文章敘述十分清晰，值得細品消化吸收！

Rollup 的大補帖：Proto-Danksharding（一）

認識 Danksharding -以太未來擴容的新方案

🔺以太坊的「自我升級」

3 ／側鏈 (Side Chain)

側鏈運行自己的共識機制，可能犧牲部份安全性與去中心化程度，目的是不被主鏈的共識機制所限制住交易速度和費用，但也意味不繼承以太坊的高度安全性。它透過類似跨鏈橋的方式與主鏈掛勾，透過鎖定主鏈資產、鑄造側鏈資產方式(如wETH)，可以做到資產無痛轉換。

🔺優點
．與以太坊主鏈完全EVM兼容(OP-code Support)
．交易費用極低且非常穩定
．機制與Layer2類似但共識機制獨立設計，可擴充性性能很高
🔺缺點
．犧牲部分安全性，因不依賴主鏈共識，故安全性仰賴側鏈自身
．犧牲去中心化，Operator中心化管理跨鏈Bridge資金
．由於為自身共識系統，多需要獨立的經濟代幣系統維持獎勵生態
🔺與以太坊的「互補」

擴容的種類以及方案

1 ／ Rollup

Rollup L2 打包後透過主鏈的共識機制驗證有效性，本篇文章稍後將著重介紹 Rollup，故不於此贅述。

🔺簡要概念：「計算搬到鏈下、儲存搬回鏈上」
🔺著名項目： zkSync、Arbitrum

2 ／ Plasma

其機制類似側鏈框架，一個巢狀的區塊鏈，具有很高的擴展性，並且採用信任最小化機制，也就是沒有人提出審查請求，主鏈就會認為子鏈天下太平，且Plasma創造出了很特殊的資產退場機制，即「欺詐證明」，申請退出 Plasma 需要接受七天的挑戰期。
這套方案優點是擁有很高的擴展性，並有很高的開發靈活性、可玩性，但缺點也顯而易見，7天欺詐證明曠世費時較不Make sense。

這套方案為Vitalik 與 Joseph Poon 共同提出的，但在後來逐漸被冷淡淘汰，原團隊轉開發Optimism項目，曾經採用的Polygon Matic目前也已棄用，改採全方位擴容方案。

🔺簡要概念：「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目： Polygon(已淘汰Plasma)

3 ／ Validium

這套方案非常類似ZK Rollup，算是ZKR（ZK Rollup簡稱）的衍生品，差別只在Rollup之資料可用性（Data Availability，簡易來說即是將鏈上資料壓縮儲存的位置，即後續想追溯時能取得資料的地方）是在鏈上，而Validium是在鏈下，也就是其詳細交易資料不會同時上傳到鏈上。
所以最大的優點是吞吐量會大非常多，是目前Layer2方案擴展性天花板，缺點是安全性較差，鏈外的資料可用性管理者有辦法隨意凍結用戶資金等等。這套方案適合中心化交易所CEX採用，並在後來衍伸出Volition變種，即用戶可自行選擇Rollup/Validium 的混合模式。

🔺簡要概念：「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目： StarkWare(Volition)

計算與資料儲存位置比較

4 ／ State Channel

中文稱狀態通道，簡單來說就是雙方約定好把預估要使用到的資產提前放到Layer1的一合約中，放入後多次的來回交易挪至State Channel通道中去執行，最後再將彙整的最終結果統一傳回Layer1上面，故適合多次反覆的小額交易避免每次交易的GAS摩擦成本。
而它的優缺點也很明顯，在高隱私性、低交易成本情況下，由於需要特定通道，無法傳輸給沒在通道內的用戶、也由於只匯總餘額結果故無法支援智能合約，無法根本性解決擴展性問題。

🔺簡要概念：「計算搬到鏈下、儲存也放在鏈下」
🔺著名項目： Bitcoin Lighting Network(始祖)、RAIDEN、Layer2.Finance

由於以上介紹較為短淺，可以透過以下這篇文章獲得更深入的研究探討！

從 Rollups 來聊聊以太坊 Layer2 的演進

Rollup 介紹

1. 機制

將執行層以及儲存層共識層分離，交易與計算移至鏈外，只留最少的事情給主鏈做，即「 計算搬到鏈下、儲存搬回鏈上」，而Rollup意即中文的匯總，就是將「大量交易 Txn 壓縮」和「當前狀態摘要與簽名」數筆資料一起打包後，以 Calldata 形式傳回到主鏈上進行共識的驗證。
此外，上主鏈的費用會由包起來的交易平攤，大大降低個別交易上鏈的成本。這套架構的交易資料會上傳Layer1避免資料被Operator掌控，但交易成本就會高一點。而Rollup最大的重點在於如何證明Layer2交易的有效性，主要可以分成兩大陣營。

Rollup 運作示意圖

2. 兩大證明方式解決方案

Rollup競爭激烈的兩陣容分別是Optimistic Rollup以及 Zero-Knowledge Rollup。

1 ／ Optimistic Rollup

Optimistic 樂觀模型即假定所有數據都是正確的不會有人作惡，所以在Layer2資產退場回Layer1時並不需要攜帶任何的證明，但需要使用Plasma所留下的「欺詐證明 Fault Proof」之7天舉證時間，又稱為退出延遲，也就是想拿回Optimistic Layer2上的錢最快都要等7天時間澄清自己的清白。
＊欺詐證明 Fault Proof：欺詐證明指的是一種資料有效性的驗證方式，若有人認為被同步的資料不正確，即存在詐欺行為，可在一定時間的舉證期內提出挑戰，會透過智能合約計算裁決出誰在詐欺並做出懲罰。

🔺優點
．EVM 兼容性佳，基本都能做到Dapp完全無痛轉移
．機制簡單開發容易，故易實施落地
．由於容易實施故生態系開發較早目前應用生態高度發展，龐大許多
．由於不須像ZK方協同ZK-Proof，打包體積一般都較小，「理論」上交易成本較低，但目前依照鏈上數據來看，OP的間接成本較高
🔺缺點
．資產轉移回Layer1很慢，七天的欺詐證明機制不方便，降低資金利用率
．可擴展性較低，極限TPS天花板約為1588
（TPS數據為限定條件情況下的測試，詳情條件假設可閱這篇文章）

2 ／ Zero-Knowledge Rollup

透過零知識證明來驗證交易有效性，機制是壓縮交易內容後，將所有交易的簽名使用ZK壓縮產生ZKP，最終將壓縮交易包與ZKP一同打包回傳Layer1。
雖然開發難度高上許多，目前產品也尚未成熟，但Vitalik 認定 ZK 才是真正的未來。

🔺優點
．資產轉移回Layer1非常快，因有ZKP的幫助，得以馬上驗證有效性
．安全性等同於Layer1
．可擴展性較高，極限TPS天花板約為12000
🔺缺點
．EVM挑戰，大部分無完美EVM兼容(OP-Code)，並非做不到但難度高很多
．由於開發難度高故發展較慢，目前主流應用生態系相對較不健全
．ZK計算量龐大且需要GPU的支援較不環保，對定序器的硬體要求較高

OP與ZK陣營比較

Rollup介紹 — Rollup 比喻

這邊使用了「打麻將賭博」來做比喻，為了方便易懂省略了部分細節，僅供理解。

打麻將賭博，不會每一把都結算現金

每一把都結算現金 (想像成Layer1的運作方式)
缺點：一直給錢很麻煩、很浪費時間成本
優點：很安全不怕算錯錢，也不怕作弊鬼

1 ／ 採用 Optimistic的方式結算麻將

2 ／ 採用 Zero-Knowledge的方式結算麻將

Rollup介紹

OP Rollup 主要項目：

OP Rollup主要項目概覽

ZK Rollup 主要項目：

ZK Rollup主要項目概覽

補充說明 (zkSNARK 以及 zkSTARK 加密方式)：

1. zkSNARK
   ． ZKP尺寸很小，交易成本理論上較低
   ．加密採用ECDSA等非對稱式加密
   ．無法抵禦量子電腦碰撞攻擊
2. zkSTARK
   ．雖然ZKP尺寸較大，但算法較簡單且產生速度更快
   ．可擴展性更高一點
   ．隱私性更高一點，主要是因為初始塊不需要trusted setup
   ．加密採用抗碰撞哈希函數和隨機預言模型
   ．可以抵禦量子電腦碰撞攻擊

Layer2 實際應用

簡單實際大型應用概覽

Layer2 困境

1 ／ 各個方案的定序器幾乎都高度中心化

目前Sequencer定序器節點 99% 都是官方運行，交易順序可以被控制，也能做到隱藏合法交易，純看官方Sequencer 單一節點是否誠實

🔺目前解法 1 ：Metis 致力推動 P2P Sequencer 節點
🔺目前解法 2 ：許多官方項目都正在朝開源前進，未來有望改進

2 ／ 生態發展可能性還須探尋

借貸協議、Dex 、 UniSwap 、 Aave 在 Layer2 TVL 極低，可能是因現貨交易、借貸等對交易速度不敏感，故其Layer2使用量還遠不如Layer1即使較便宜

🔺目前解法：只能等待 Layer2 技術成熟普及化

3 ／ zkEVM 兼容問題

目前還無法完全攻克在ZK Rollup 陣營的EVM兼容問題，比較有希望的項目可以關注Polygon以及Scroll

🔺目前解法 1：透過轉譯以適配EVM兼容但 GAS 花費徒增
🔺目前解法 2：轉念去做zkVM兼容，目標放遠不單專注在以太坊擴容上

4 ／ Optimisitc 七天詐欺舉證時間太長

Layer 2 資產轉回 Layer1 時，欺詐證明的等待期限過長，大大降低資產的流動性以及資產效率，也不太 Make sense

🔺目前解法 ：如BOBA等服務商推出流動池，在舉證期先借給用戶

5 ／ ZK Rollup 計算量複雜且龐大

由於過程牽扯到複雜且龐大的密碼學數學運算，對於定序器節點的 GPU 要求極高且運算不環保，後續還有量子電腦衝擊的問題

🔺目前解法 ：等待密碼學以及硬體設施的進步

未來可能性與結論

由於Optimistic 先天生上的詐欺證明期以及 TPS 天花板的劣勢，Optimistic
可能陣容遲早會變成輔助的角色。

Vitalik：「 ZK Rollups 的技術仍需要多年的改進才會成熟，但終將打敗 OP 成為主流 」

補充資料

1 ／ 值得看的深入分析報告與文章

🔺Layer2完整分析
🔺StarkWare 生態圈
🔺Layer2 EVM 兼容分析
🔺Arbitrum 完整分析
🔺Optimistic 機制完整分析
🔺區塊鏈第二層擴容方案 Plasma 和 Rollups
🔺STARK底層邏輯
🔺最全最細的零知識(ZK) 證明解讀

2 ／ 筆者整理的 Layer2 完整心智圖

網頁版：https://gitmind.com/app/docs/mkqos4f6
圖片版：https://imgur.com/gallery/hJGdWzo

3 ／ 筆者之前整理的ETH 2.0 POS介紹

雲端連結 ：https://drive.google.com/file/d/144O9YsRxPVcUjvzbnfbsAhLqP_gGC9Gq/view

4 ／ 本篇文章之 PDF 簡報版本

雲端連結：
https://drive.google.com/file/d/11Fp0ugDh8PAC89apFnHS-cXXCP6oIpMp/view?usp=share_link

To Be Continued…

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