一文了解以太坊扩容方案Rollup

原文标题：《 引介 | Rollup 不完全指南 》

撰文：Fulvia

翻译 & 校对：Shengchao& 阿剑

译者注：
原文中 Rollup 同时以单复数形式出现多次，在译文中统一确定为首字母大写的 Rollup。

Rollup 在当前的以太坊社区已经十分著名。在可预见的未来，Rollup 是以太坊实现扩容的关键解决方案。但 Rollup 到底是什么？你能从这项技术身上得到什么，又该如何使用它？这篇文章将尝试回答一些关键问题。

背景知识：什么是一层扩容，什么是二层扩容？

实现区块链生态系统扩容有两种方式。第一种扩容的方式是让区块链本身拥有更高的事务处理容量。比如让区块变得 “更大”，但 “大区块” 会让区块链的验证过程变得更为困难，而且可能会使节点更加中心化。为了避免这样的风险，开发者可以提高客户端软件的效率。更加具有可持续性的扩容方式是，使用分片等技术，让构建和验证区块链的工作分摊到许多不同的节点上——“ eth2 ”就在尝试使用这种方式升级以太坊。

第二种扩容的方式是改变使用区块链的方法。用户不需要直接把所有的活动都直接放在区块链主链上，而是在主链外的 “二层” 协议中执行大部分活动，并生成一个证明，证明链外发生的这一切活动都遵循规则。主链上部署一个智能合约，它只有两个任务：处理存取款，以及对上述证明进行验证。有多种方法实现证明和验证，但它们都有一个共同的特性，那就是在链上验证证明比在链下做原始计算的开销要小得多。

状态通道 vs plasma vs rollup

二层扩容主要有三种方案：状态通道，Plasma 和 rollup。三种方案代表了三种不同的范式，每种方案有自己的优缺点。所有的二层扩容大致都属于这三类（对于一些折衷的方案如何分类存在争议，例如“ validium ”）（编者注：中文译本）。

状态通道如何工作？

另请参阅https://www.jeffcoleman.ca/state-channels，statechannels.org

想象一下，Alice 向 Bob 提供了网络连接服务。作为交换，Bob 为上网产生的流量支付 0.001 美元/MB 的费用给 Alice。Bob 不需要在一层主链支付每笔费用，双方使用如下二层方案。

首先，Bob 将 1 美元（稳定币，或是等值的 ETH）存入一个智能合约中。为了向 Alice 支付第一笔款项，Bob签署了一张 "票据"（一条链外消息），“票据”上写着 “0.001 美元”，并将其发送给Alice。为了支付第二笔款项，Bob 签署另一张写着 “$0.002” 的票据，并将其发送给 Alice。以此类推，每次付款都重复这个过程（译者注：状态通道参与方只需保留一个最新的状态变更，因此新的票据签署后，前一张票据作废）。当 Alice 和 Bob 完成交易后，Alice 可以将价值最高的票据包裹上自己的签名后，发布到主链上（关闭通道）。智能合约会验证 Alice 和 Bob 的签名，验证通过后，将 Bob 的票据上标注的金额支付给 Alice，剩下的金额（译者注：1 美元减去前者）返还给 Bob。如果 Alice （出于恶意或技术故障）不愿意关闭通道，Bob可以发起一个提现挑战期（例如7天）——如果 Alice 在这段时间内无法提供 Bob 支付的票据，那么 Bob 就可以拿回之前存在智能合约里的所有钱。

状态通道技术很强大：广义的状态通道可以支持双向支付、实现智能合约（例如 Alice 和 Bob 在通道中签订金融合约），并具有可组合性（如果 Alice 和 Bob 之间有一个开放的通道，Bob 和 Charlie 之间也有一个开放的通道，那么 Alice 就可以和 Charlie 进行免信任的交互）。但是通道的作用是有限制的：不能向还没有加入通道的用户在链下发送资金；不能用于没有明确逻辑所有者的对象（比如 Uniswap 智能合约）。此外，如果使用通道处理的事务比小额支付场景更复杂，需要锁定大量的资金在通道中。

Plasma 如何工作

另请参阅Plasma原始白皮书，Plasma Cash

要将资产从主链存入 Plasma 链，用户需要在主链将资产发送至管理 Plasma 链的智能合约。Plasma 链会给该资产分配一个新的唯一 ID（例如 537）。每条 Plasma 链都有一个操作者（这可能是一个中心化的角色，或者由多签控制，也可以是更复杂的东西，例如一条 PoS 链或 DPoS 链）。每隔一段时间（可以是 15 秒，也可以是一小时，或者介于两者之间的任何时长），操作者就会生成一个 “批处理”（batch），包含这段时间内所收到的所有 Plasma 链的交易。操作者生成一棵 Merkle 树，在索引为X的叶子节点处，如果资产 ID 为X的资产在这一批次中发生了交易，则叶子节点上存有对应交易，否则该叶子节点为零。操作者将这棵树的 Merkle 根发布到主链上。操作者还需要将每个索引X的 Merkle 分支发送给该资产的当前所有者。如果需要将资产从 Plasma 链提取至主链上，用户需要给主链的智能合约发送该资产最近一次交易对应的 Merkle 分支。智能合约随即开始了一个挑战期（例如7天），在此期间，任何人都可以尝试使用其他 Merkle 分支来证明：（i）用户在提取资产时并不拥有该资产，或者（ii）用户在某个时间点将资产发送给了其他人，从而使退出申请无效。如果在 7 天内没有人证明退出是欺诈性的，用户便可以成功取回资产。

Plasma 提供了比状态通道更强的功能：你可以将资产发送给从未加入二层的用户，锁定的资金也低得多。但这是有代价的：状态通道在 “正常运行” 时不需要将任何数据存入主链，但 Plasma 要求每条链每隔一段时间在主链发布一次哈希值。此外，Plasma 链中的交易没有即时性，即必须等待一批交易（也可称为 Plasma 区块）的证据（即那个 Merkle 根值）发到主链上。

此外，Plasma 和状态通道都有一个重要缺陷：其安全模型所对应的博弈论依赖于这样的想法：两个系统所控制的资产在逻辑层面都要有 "所有者"。只要资产所有者在乎自己的资产，那么当涉及该资产的状态变更 “无效” 时，资产所有者就会想办法出示变更 “无效” 的证明。这对一些应用来说无关紧要，但对不少其他应用来说这是个问题（例如 Uniswap）（译者注：对于 Uniswap 这样的 DEX 交易应用来说，其智能合约不属于任何人，与上述安全假设依赖的想法矛盾）。即使系统中一个对象的状态可以在未经系统所有者同意的情况下被改变（例如在基于账户的系统中，可以在未经所有者同意的情况下增加其余额），也不能很好地与 Plasma 兼容。这意味着，在现实中部署 plasma 或状态通道时，都需要推演 “特定应用” 的潜在逻辑设计定制化方案，不太可能做出一个能完整模拟以太坊运行环境（即 “EVM”）的 plasma 或状态通道系统。接下来让我们看看 rollup 是如何解决这个问题的。

Rollup

另请参阅：EthHub 关于 optimistic rollup 的介绍，EthHub 关于 ZK rollup 的介绍

Plasma 和状态通道方案都是 “完全的” layer 2 方案，因为它们将数据和计算都转移到链下（即自己的二层系统中）。然而，数据可得性的基本博弈论原理意味着这样的系统不可能安全地实现所有应用。Plasma 和状态通道通过明确资产对象和所有者之间的关系来解决这个问题，但这使它们无法完全通用。Rollup 则与前两者不同，是一种具有 “混合性质” 的二层方案。Rollup 将计算（和完整的状态存储）转移到链下，但在链上保存了每笔交易的部分数据信息。为了提高效率，Rollup 使用了一系列花哨的压缩技巧，并尽可能地用计算替代数据。其结果是，这个系统的可扩展性仍然受限于底层区块链的数据带宽，但在此基础上实现的扩容倍数非常可观：在以太坊主链执行一笔 ERC-20 代币的转账大约消耗 45000 gas，但在 Rollup 中，每笔交易仅需要在主链上存储 16 字节数据，消耗的 gas 小于 300。

数据存储在主链是 Rollup 的关键因素（请注意：这同将数据存储在 “IPFS” 上不同，因为 IPFS 不会对存储的数据进行共识，Rollup 的数据则必须存储在区块链上）。将数据存储在主链并进行共识，使得任何人可以在本地处理 Rollup 中的所有操作，包括欺诈检测，发起提款，生成批处理等。因为不存在数据可得性问题，所以运营者如果作恶或者离线所造成的损失相对更少（比如他们无法造成长达 1 周的退出延迟），也在谁有权发布批处理这个问题上提供了更多的可能性，同时也使 Rollup 更易于理解。更为重要的是，不存在数据可得性问题意味着，资产无需和所有者有明确的逻辑映射关系。相比其他二层扩容方案，这是以太坊社区对 Rollup 感到更加激动的重要因素：Rollup 是具有通用性的，比如可以在 Rollup 中运行 EVM，从而使现有的以太坊应用可以在不写新代码的情况下迁移至 Rollup。

Rollup 究竟如何工作？

在主链上有一个智能合约，存有一个状态根—— 表征 Rollup 状态的 Merkle 根。（状态内容包括 Rollup 中的账户余额，合约代码等）