ROLL:欧易OKEx研究院：全面解析以太坊二层扩容方案 Rollup 发展历史与原理机制

原文标题：《欧易OKEx研究院：以太坊中场战事---Rollup的实与虚》

撰文：欧易OKEx研究院

自以太坊诞生以来，其低下的交易处理能力，导致以太坊网络时常发生堵塞，且Gas费用高涨，严重地限制了以太坊生态的发展。为此，以太坊扩容问题一直被市场所关注，在DeFi大爆发的背景下，侧链、状态通道、Plasma等Layer2扩容方案都无法满足市场的要求，Rollup成为了时代的宠儿。

当然，Rollup并不是一种纯粹的Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2的混合体：数据在链下进行计算并打包压缩，随后链上进行存储。此外，为了解决数据的真实性和有效性，保障资产安全，Rollup推出了使用「有效性证明」的ZK-Rollup，以及沿用Plasma「欺诈证明」的OptimisticRollup。

综合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup各有优劣，ZK-Rollup适用于支付、交易等非合约领域，成本低且速度快；而OptimisticRollup因为OVM的存在，目前适用于智能合约应用领域；但随着ZK-Rollup类项目推出图灵完备的EVM，未来ZK-Rollup可能会取代OptimisticRollup。

但是，Rollup的扩容上限取决于区块Gas消耗量的上限，因此只能成为以太坊在未来短中期的扩容方案，以解决DeFi生态的燃眉之急，从长期看，要根本性地解决以太坊扩展性问题，还仰仗以太坊2.0分片技术的顺利实现。

不过值得注意的是，Rollup协议可以捕获价值，在经济上具有可持续性。可以预见的是，Rollup项目发行的代币将具有巨大的投资潜力。

经过近两年的蛰伏，以太坊的Rollup扩容方案终于走到了要开花结果的黎明前夕：今年2月，Optimism宣布完成了A轮融资，并将于三月上线主网；来自MatterLabs的ZkSync，其主网也于去年上线，并将在今年推出支持图灵完备的智能合约；此外，另一个受行业瞩目的Rollup方案---Arbitrum，也将于今年上线主网。

数据：若stETH跌至1570美元，超4.7万枚stETH将面临清算风险:6月15日消息，DefiLlama数据显示，在Aavev2的stETH市场上，如果stETH跌至约1570美元，将有4.73万枚stETH（约7450万美元）面临清算风险。目前ETH价格为1651美元，距1570美元的跌幅空间约4.9%，据Chainlink数据，目前以太坊主网的stETH/ETH价格为0.99877386。[2023/6/15 21:38:27]

表1.Rollup方案进展情况，资料来源：欧易OKEx研究院

在Rollup夜尽天明之时，市场也对其充满了期待与追捧。但从实际情况看，很多投资者和以太坊用户对Rollup的认知并不清晰，不过在总体上达成了共识：Rollup很重要，是以太坊的未来。

这句话的前半部分是对的，Rollup对当前的以太坊而言，确实是重要的；但后半部分却是不准确的，Rollup并不是以太坊的未来。更切确地说，Rollup只代表了以太坊的中短期扩容方案，是以太坊解决网络拥堵问题的中场战事，从长期看，要根本性地解决以太坊扩展性问题，还仰仗以太坊2.0分片技术的顺利实现。

想要正确地理解、预测Rollup的未来，把握其中的财富机会，我们还需要从Rollup的历史脉络、原理机制方面进行剖析。

以太坊的扩容战争和Rollup的崛起

自以太坊诞生以来，其低效的性能就不断受到市场的病垢：以太坊网络的TPS约为15笔/秒，而Visa网络则是2000笔/秒，双十一期间支付宝更是达到50万笔/秒。低下的交易处理能力，导致以太坊网络时常发生堵塞，且Gas费用高涨，尤其是在2017年的大牛市，以及自2020年兴起的DeFi浪潮期间这一现象尤为突出，严重地限制了以太坊生态的进一步发展。

图1.以太坊网络日均交易笔数和Gas消耗量变化，资料来源：Etherscan，欧易OKEx研究院

Azuki：已重新获得Instagram账号控制权:金色财经报道，NFT项目Azuki在社交媒体上发文表示，目前已重新获得Instagram账号的控制权，且正与Meta合作调查本次事件。

此前报道，Azuki官方Instagram账户被盗，正与Meta取得联系以夺回控制权。[2023/4/13 14:00:27]

解决区块链网络的拥堵，提升公链的可扩展性，逐渐成为行业关注的重点。各种区块链的扩容方案也纷至沓来，主要包括两大类：

链上扩容方案，也叫Layer1方案，主要通过提高区块链本身的交易容量来实现扩容。常见的Layer1方案有增大区块容量，隔离见证，分片技术。

链下扩容方案，也叫Layer2方案，主要通过第二层协议在链下执行大部分交易，以降低成本提高效率。目前主流的Layer2方案包括状态通道、侧链、Plasma。

图2.区块链扩容主要方案，资料来源：欧易OKEx研究院

在以太坊发展早期，人们普遍认为侧链技术是解决区块链扩容问题的最佳方案。所谓侧链，即平行于主链的另一条独立的区块链，通过将部分交易以托管的方式转移到侧链，以此实现主链扩容，但这带来两个严重问题：首先，侧链上的资金安全得不到保障，一旦黑客控制住了某条侧链，就可以将侧链上的资金盗走；其次，侧链不能保证数据的可得性，只要黑客控制了侧链，就可以拒绝分享底层交易数据，对主链安全性造成重大打击。

图3.侧链技术方案原理，资料来源：欧易OKEx研究院

为了解决侧链存在的问题，并实现以太坊扩容，以太坊创始人Vitalik在2017年推出了名为「Plasma」的Layer2扩容方案。Plasma的特别之处在于设计了一套欺诈证明机制：Plasma将特定的底层数据发送给用户自己进行保管，解决了数据可得性问题；此外，Plasma有一个「退出期」设计，即便黑客取得侧链的控制权并尝试取款时，任何用户都可以在「退出期」内提交证据来进行挑战，如果挑战成功，任何人都不能提取这笔资产，并且运营方也将被罚款，由此保证了数据的真实、有效和准确性，解决了资金安全性问题，。

邯郸邯山区人民法院：法院首次依法冻结“数字货币”:金色财经报道，近日，河北省邯郸市邯山区人民法院在执行过程中依法冻结了一名被执行人账户内的数字人民币，这在邯郸法院尚属首次。该案是一起民间借贷案件，经邯山区法院判决生效后，被告郝某迟迟不履行判决义务，申请执行人向人民法院申请强制执行。近日，邯山法院接到线索：被执行人郝某名下可能有数字人民币进账。执行干警立即到银行查询，发现被执行人确实开通了新的银行账户，并且卡内有3万元的数字货币。经向银行确认属于被执行人财产后，邯山区法院执行干警立即作出冻结裁定。[2023/4/9 13:52:44]

然而，Plasma解决了侧链的问题，却产生了新的问题：首先，用户必须每两周上线一次，以实现对Plasma链的监控，否则错过了「退出期」，黑客就可以取出资产；其次，用户必须自己保存底层交易数据，以保证数据的可获得性，但却给用户带来巨大的存储成本。因此，Plasma对用户并不友好，体验极差。在2018年的大熊市背景下，曾经被以太坊社区基于厚望的Plasma方案也逐渐被抛弃。

事实上，即便没有2018年的大牛市，Plasma也难以适应以太坊生态的发展---从2019年开始，DeFi逐渐兴起，以Uniswap为代表的AMM更是成为其中的佼佼者。对于Uniwap上的流动性提供者而言，其存放在交易池中的资产，很容易发生改变，不可能满足Plasma方案中对LP每次交易时都进行挑战验证的要求。事实上，大量的DeFi协议都可以在不经用户同意下改变账户状态，因此Plasma在DeFi时代是注定没落的。

图4.Layer2扩容方案的演化发展，资料来源：欧易OKEx研究院

同样地，状态通道也存在侧链和Plasma面临的问题：状态通道不能代表那些逻辑上没有明确所有者的对象(如Uniswap)，需要对象都是明确的资产所有者。

因此，在DeFi对于以太坊生态越来越重要的今天，无论是状态通道、侧链，还是Plasma，都无法满足以太坊的现实需求。与其说是V神对Rollup起到了决定性的推动作用，不如说是时代选择了Rollup。那么Rollup的特殊之处在哪呢？

被标记为 Alameda Research 地址出售约 72 万枚 LDO:12月28日消息，被 Etherscan 标记为 Alameda Research 的地址出售了 719,498 枚 LDO 并获得了 601 枚以太坊，出售均价为 0.9972 美元。目前 Alameda 仍持有 186 万枚 LDO，价值约 181 万美元。[2022/12/28 22:12:20]

Rollup原理解析

在解析Rollup之前，我们不妨了解Plasma的扩容方式：在链下，由Plasma运营者将等待批量处理的交易汇总起来，生成一个梅克尔树，树中每个叶子可以代表一笔交易资产的信息，如果没有交易，则叶子值为0。随后，Plasma将梅克尔树的树根发送给主链上链，同时将梅克尔树的分支发送给用户保管。

因此，主链实际上只保存了梅克尔树根的哈希值，而通过梅克尔树根的引索，可以找到分支叶子中的具体交易信息，但这些具体的交易信息，而是由用户在链下存储，因此节省了链上区块大量的空间，实现了主链的扩容。

图5.Plasma扩容原理，资料来源：Plasma白皮书，欧易OKEx研究院

但正如前面所言，由用户在链下保存具体的交易信息，在数据可用性上打了折扣，也不适用于DeFi应用。为此，以太坊社区提出了一种新方案：将交易数据压缩并放在链上，这就是Rollup方案。

具体而言，Rollup将交易数据进行压缩编制成梅克尔树，并存储在链上；同时在智能合约中保存梅克尔树的树根。Rollup的运营方可以将发布一批汇总交易，该交易即压缩过的交易集合，而且包含之前的状态根和新状态根(处理交易之后的新梅克尔树根)。智能合约会对状态根进行检查并更新，由此实现资产的转移。

当然，从上我们可以看出，Rollup并不是一种纯粹的Layer2方案，而是更像Layer1和Layer2的混合体：数据在链下进行计算打包，但在链上进行存储。因此将Rollup称为半链下扩容或semi-layer2方案更为合适。

MakerDAO社区拒绝CoinShares投资高达5亿美元债券的提议:金色财经报道，去中心化借贷协议MakerDAO社区拒绝了一项提议，即使用高达5亿美元的稳定币USDC与加密货币投资公司CoinShares一起投资债券。CoinShares曾提议管理1亿至5亿美元的USDC，并将这些资金积极投资于公司债务证券和政府支持债券的投资组合，旨在赚取与有担保隔夜融资利率(SOFR)相匹配的收益率，SOFR目前为3.8%，大约72%的选票反对该提案。[2022/11/29 21:08:15]

图6.Rollup扩容原理，资料来源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，欧易OKEx研究院

用一个形象的比喻，现在我们要保存很多电影，Plasma类似于我们将电影存储在电脑上，然后只在U盘上保存一个目录文件，根据这个目录文件的指引，我们可以方便地找到任何一部电影在电脑中的位置；而Rollup的方法则是先将电影进行压缩，随后再全部保存到U盘中。这样一来，我们就可以在U盘中存储更多的电影。

那么Rollup是如何实现压缩的呢？---主要是对交易的参数进行压缩，主要包括Nonce，Gasprice，Gas，To，Value，Signature，如下表所示：

表2.Rollup压缩方式，资料来源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，欧易OKEx研究院

在过去，一笔交易需要占用112字节的存储空间，现在只需要12字节的空间，一个字节大约花费16Gas；而在以太坊上，Gas上限是1250万，我们假设Rollup需要花费50万Gas，那么在Rollup上，其交易处理能力是：

/每字节的Gas消耗量/一笔交易字节数/出块时间=/16/12/14=4464笔/秒

目前在以太坊上进行一次转账需要消耗约21,000Gas，这意味着如果全部用来转账，那么以太坊的最大交易处理能力为：区块Gas消耗量上限/单笔转账Gas消耗量/出块时间=12,500,000/21,000/13=45笔/秒

这意味着Rollup在转账场景下降以太坊的TPS提升了100倍。同样地，根据Vitalik的计算，在ERC20转账、Uniswap运用场景，可实现同条件下以太坊TPS扩展100-400倍。

前面的分析一直很顺利，但我们忽略了一个与侧链技术类似的重要问题：如何防止Rollup运营方伪造数据进行盗取资产呢？以太坊社区提出了两个方案：使用「有效性证明」的ZK-Rollup，以及沿用Plasma「欺诈证明」的OptimisticRollup。

ZK-RollupVSOptimisticRollup

首先我们看实现有效性证明ZK-Rollup方案。ZK-Rollup即采用ZK-SNARK来保证交易的安全性。

"零知识证明"是由S.Goldwasser、S.Micali及C.Rackoff在20世纪80年代初提出，指证明者能在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。

一个经典的例子：有一个缺口的环形长廊，出口和入口距离非常近，但走廊中间某处有一道只能用钥匙打开的门，Alice要向Bob证明自己拥有该门的钥匙。采用零知识证明，则Bob看着Alice从入口进入走廊，然后又从出口走出走廊，这时Bob没有得到任何关于这个钥匙的信息，但是完全可以证明Alice拥有钥匙。

图7.零知识证明案例，资料来源：欧易OKEx研究院

从上我们可以看出，ZKP具有计算的不对称性。在ZK-Rollup的方案中，由Rollup运营方投入大量资源以执行ZK-SNARK计算并放在汇总交易中，而智能合约可快速低成本低证明交易安全性。因此ZK-Rollup有诸多好处：能在保护隐私的同时简洁快速地验证数据的真实有效性；但其缺点是计算量大，技术难度高且难以支持虚拟机。

在前面的Plasma方案中，我们已经介绍过其设计的「欺诈证明」机制，可实现交易数据的真实、有效和准确性，保证了资产的安全。OptimisticRollups正是沿用了该机制：这类Rollup会追踪所有历史状态根以及每个batch的哈希值。如果任何人发现某个batch的后状态根不正确，都可以向区块链发布一个证明，证明该batch计算错误。智能合约会对证明进行验证，并且对该batch及其之后的batches进行回滚。

Optimistic选择了Plasma的欺诈证明机制，即意味着有像Plasma一样漫长的「退出期」，这极大地降低了资金的利用效率，但好消息是，随着DeFi生态的成熟，可以有大量的流动性提供者为用户在「退出期」内提供资金，可有效解决资金利用抵消的问题。此外最重要的是，OptimisticRollup也继承了Plasma的OVM，这意味着可在OptimisticRollup网络部署兼容以太坊EVM的智能合约，这一点对DeFi尤为重要。

表3.ZK-Rollup和OptimisticRollup性能对比，资料来源：Vitalik.AnIncompleteGuidetoRollups，欧易OKEx研究院

综合而言，ZK-Rollup和OptimisticRollup各有优劣，ZK-Rollup适用于支付、交易等非合约领域，成本低且速度快；而OptimisticRollup因为OVM的存在，目前适用于智能合约应用领域；但随着ZK-Rollup类项目推出图灵完备的EVM，未来ZK-Rollup可能会取代OptimisticRollup。

Rollup的未来与财富机遇

从上面我们可以看出，相较于其他Layer2方案，Rollup能更好地保证数据的安全性和数据的可得性，然而Rollup真的是以太坊的未来吗？

并不是，从Rollup的扩容方案可以看出：区块Gas消耗量的上限即是Rollup方案的上限。这类似于早高峰时乘坐地铁，为了使地铁车厢能装更多的人，我们可是再挤更多的人进车厢。然而，再怎么压缩，也是有上限的。在未来随着区块链应用的不断发展，我们仅仅会为了最多扩容100倍而满足吗？所以从长期看，以太坊扩容的未来还是取决于以太坊2.0分片技术的顺利实现。

然而，根据以太坊官方的规划，以太坊2.0分片的实现可能要等到2030年了。但即便在目前，由于DeFi的大热，以太坊早已拥挤不堪，Gas费高企。几年前的状态通道、Plasma等Layer2方案无法满足DeFi的要求，分片技术又是一个遥远的目标。正是「往者不可谏，来者也不可追」，Rollup自然而然成为了在短中期应对以太坊扩容方案的最佳方案，成为迈向以太坊2.0的中场接力手。

当然，Vitalik主推Rollup的另一个原因在于：Rollup协议可以捕获价值，在经济上具有可持续性。

先谈经济价值，Rollup可以缓解以太坊的拥堵，降低Gas费。节约出来的成本，其中的部分就可以转化为Rollup协议的收入，并具有经济上的可持续性。

那么Rollup为什么可以捕获价值呢？这与Rollup的特殊性有关：数据放在主链上，仅仅是在链下进行数据计算。这种介于Layer1和Layer2的混合方案，使得Rollup成为主链上一个特殊Dapp应用，因此Rollup项目是可以在主链上发行基于该Rollup协议的代币，能通过代币来捕获协议的价值。

可以预见的是，在未来几个月Rollup大爆发后，将会有众多Rollup发行项目代币，那些愿意将协议经济价值附着在代币上的项目，其代币将具有很大的投资潜力。

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