ROLL:干货 | 各 Rollup 解决方案的权衡研究_ENT

撰文：TrongNguyen&LoiLuu

翻译&校对：闵敏&阿剑

随着以太坊生态的发展拉动人们对区块空间的需求增长，以太坊基础层上的交易变得极其昂贵。然而，区块空间供应量仍保持不变。与DeFi应用交互需要支付价值数百美元的gas费，让许多终端用户望而却步。Rollup旨在用户的交易转移到成本较低的Layer2上执行，然后再将这些L2交易的证明批量打包到一个L1交易中并提交到Layer1上进行结算，从而大幅减少对区块空间的占用，缓解对Layer1的需求压力。

Rollup分为多种类型，在吞吐量、延迟、安全性、通用性和运行成本上有着不同的权衡关系。本文围绕这些权衡关系制定了一个Rollup分析框架，并分析了这个框架为何适用于不同的Rollup实现。我们希望这个框架能为项目方按需选择Rollup方案提供基本参考。

介绍

自以太坊诞生以来，其吞吐量限制就已是众所周知的问题。采用权益证明和分片机制的ETH2.0一直被视为可扩展性问题的解决方案。虽然ETH2.0在2020年12月就启动Phase0并上线信标链，但是在Phase2启动之前还无法有效缓解可扩展性和吞吐量问题。

与此同时，Rollup实际上已经成为缓解可扩展性问题的短期解决方案。在最近的一篇文章中，Vitalik提出了一个基于Rollup的以太坊路线图，称“以太坊生态有可能在短期和中期完全依赖Rollup方案来实现可扩展性”，很多团队已经开始努力实现该路线图。点击此处，阅读Vitalik对Rollup的全面解析。

Rollup在2020年取得了巨大发展：FuelLabs和Optimistic在主网发布了第一版OptimisticRollup；Loopring的ZK-Rollup的总锁仓量已超过1亿美元；Starkware推出了Cairo工具链，方便开发者使用零知识证明技术。我们看到rollup技术有了很多突破，包括Aztec和ZkSync通过改进PLONK引入递归计算能力。在2021年，我们还将看到更多进展。

在以太坊的基础上构建一个单独的层非常复杂，而且分析现有的Rollup实现并非易事。Rollup团队都在大力宣传其解决方案在理论上的最佳性能和功能，但是其风险和权衡的相关信息却鲜为人知。让我们来深入研究如何分析Rollup的权衡关系和风险，以及现有实现与这些风险模型的相符程度。

分析框架

我们定义并解释了Rollup的主要考量因素——安全性、通用性、成本、延迟、吞吐量、资本要求和用户体验——并在此基础上构建了权衡关系的分析模型。我们可以用这些特征来评价现有实现，这样不仅可以从微观上了解每个Rollup的风险和权衡关系，还能从宏观上把握Rollup的总体情况。

Rollup的衡量标准：

安全性

Rollup的安全性依托于底层Layer1区块链。但是，一些Rollup方案的某些假设及其构建方式也关系到安全性。

1.诚实暸望塔假设

该假设认为至少有一个诚实的“暸望塔”可以在挑战期内成功将欺诈证明提交给Layer1智能合约。这种假设引入了安全性和延迟之间的权衡，因为挑战期越长，诚实的暸望塔提交欺诈证明的可能性就越高；反之，挑战期越短，这一可能性就越低。

2.批量退出假设

该假设认为所有Layer2用户都能在批量退出期内成功执行退出事务。该假设引入了资本效率的权衡，因为运营者的资金在批量退出期内处于锁定状态。

3.起步设置

每个ZK-Rollup方案都使用零知识证明协议来创建有效性证明。零知识证明系统将一个证明需要检查的逻辑和关系封装成一个能满足所有约束条件的电路。零知识证明协议要求在证明器和验证器之间进行名为“起步设置”的预定义配置。

Zk-Rollup主要有三类设置：可信设置、可更新设置和透明设置。

可信设置：在该设置下，gas成本较低，最大吞吐量较高。但是，每个电路只支持某些固定功能。另外，每次电路升级时，都需要完成可信设置流程。

可更新设置：在该设置下，gas成本较高，最大吞吐量较低。但是，该设置最主要的优点是，无需修改电路即可引入自定义智能合约，这都得益于递归性。

透明设置：在该设置下，当Layer2区块被填满时，gas成本很低，但是在类似空块这种非理想情况下，gas成本会变得异常高。

通用性

1.完全兼容EVM

完全兼容EVM指的是Layer2系统完全兼容以太坊主网上已有的智能合约。

2.自定义智能合约

Layer2客户端可以自定义并引入有限的智能合约。Layer2用户和合作伙伴可以通过各种工具以zk-SNARK电路的形式引入其智能合约，不过电路会带来局限性。

3.固定功能

可以加入一些dApp或智能合约，但是必须通过系统升级来实现。

运营者的成本

1.gas成本

最优gas成本：取决于calldata成本和固定成本。

次优gas成本：取决于最优gas成本、固定成本和实现最优gas成本的概率。

固定成本：包括Layer2区块头、Layer2区块根的存储量和零知识证明的成本。当需求较低时，固定成本将占交易成本的绝大部分。

2.计算成本

证明器时间：在Zk-rollup中，证明器需要大量时间来生成证明。证明过程中需要进行大量计算，来验证证明中的数百万个限制条件。一般而言，零知识证明的证明器时间取决于电路大小和证明过程中使用的硬件的容量。如果是Plonk，证明器时间可能是2至14分钟；如果是Loopringv3.0，证明器时间可能是7至10分钟；如果是Stark，证明器时间可能是3至5分钟。这是Zk-rollup的硬终局性延迟的主要决定因素。

证明器成本：证明器生成证明所消耗的资源，取决于证明器时间和实证吞吐量。

终局性延迟

硬终局性：敲定Layer2区块所花费的时间。对OptimisticRollup来说，这个时间就是挑战期的时长；对Zk-rollup来说则是证明器时间。

软终局性：将Layer2区块提交到Layer1上所花费的时间。

取款时间：一些快速交易方案需要先提交Layer2区块，再作进一步处理。

吞吐量

理论最大吞吐量：基于链上操作的gas成本和以太坊上每个区块的最大gas。

Zk-rollup的实证吞吐量：

1）实证吞吐量取决于证明器时间。

2）证明成本、实证吞吐量和资本要求之间存在权衡关系。更高的吞吐量需要更高的证明成本和资本要求。

用户体验

使用体验是否与使用以太坊相仿。

资本

资本要求：运营者存储在智能合约内用来保障系统安全性的资金。

资本效率：流动性提供者/运营者在x时间内锁定在智能合约里的资金。

所有使用欺诈证明的Rollup必须接受活性假设。该假设引入了安全性和延迟的权衡。Arbitrum的测试网案例将挑战期设为30分钟，非常短而且实际上并不安全。这意味着，恶意运营者可以对以太坊发起30分钟的网络拥堵攻击，然后窃取Layer1上的Rollup智能合约中的所有资金。

每当Loopring改变其功能或数据结构时都需要新的设置。

就每30万笔交易生成一个证明的电路而言，Stark的验证者需要500万gas。但是，deversiFi使用的Stark电路是每150笔交易生成一个证明，需要超过200万gas。。

常规Plonk的证明器时间是2至14分钟。如果是递归Plonk，证明器时间会翻一番，但是生成一个证明需要5至10倍数量的证明器。如果是Loopring中使用的Groth16，证明器时间约为7分钟。

最优gas成本还取决于Rollup的功能，因此它并不一定能正确反映Rollup的费用。

在1.0版本中，Loopring需要更多时间来收集足够多的交易打包成一个区块，因为存款、取款和结算都是相互独立的。

StarkWare的一个解决方案不提供链上数据，而是引入数据可得性委员会。数据可得性委员会的确认会上链。

为了解决证明器成本问题，Zksync开发了新的硬件。为了提高最大吞吐量，Zksync和Aztec改进了Plonk中的递归电路。

StarkWare专门为证明器打造了硬件，同时也致力于开发基于Stark的解决方案。

Plonk的tps为300，递归Plonk的tps为800至3000。

Zk-rollup的实证吞吐量取决于证明器时间。例如，假设有50个证明器：在Plonk中，证明器时间约为720秒，因此实证吞吐量不可能超过50x300/720~20tps。在Loopring中，证明器时间为420秒，因此实证吞吐量为50x2048/420=244tps。

在Optimism的首个Rollup主网版本中，每笔Layer2交易需要消耗2.1万gas。但是，该团队承诺会提供一个优化版本，将gas成本降至5000。

Aztec提供的隐私交易需要更多调用数据。

各Rollup方案已公开的理论性能

StarkWare

Zksync

Loopring

Arbitrum

Optimism

Fuel

挑战

用户采用率：对于像Rollup这样未经过测试和验证的新技术，用户通常持有谨慎态度。不明确的权衡关系和复杂性限制了主流采用。

安全性：零知识证明协议的选择和挑战期等因素都对Rollup方案的安全性有着极大影响。分析和理解这些选择并非易事。虽然没有嵌入零知识证明电路所带来的复杂性，但是对常规的智能合约进行审计本身就很有挑战性。对Zk-rollup方案进行审计是很艰巨的任务，只有非常优秀的安全专家才能胜任。

资金要求：在早期阶段，Rollup的成本很高，采用率却一直很低。为一小部分用户创建并定期运行Rollup需要投入大量资金。在某些情况下，资金要求直接影响Layer2系统的安全性。因此，为了保障Rollup的健康运行，建立一个经济系统是必不可少的。

总结

Rollup技术是以太坊可扩展性问题的可行解决方案之一。目前有多种实现并部署Rollup的方法。鉴于该技术的复杂性和多种权衡关系，我们需要了解相关风险。对于那些部署Rollup的团队和在Rollup上部署dApp的团队来说，安全性、可用性、成本和吞吐量都是在设计解决方案时需要考虑的因素。

在这个大背景下，KyberNetwork认识到为用户提供经济快捷的交易方式的重要性。因此，我们投入了大量资源来研究并构建Rollup解决方案，以便更好地服务于我们的未来计划。我们将适时公布更加详细的信息，希望本文能助你理解并评估Rollup技术。

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