本文原文作者為Vitalik ，翻譯校對： TinTinLand
Rollups 在以太坊社區中風靡一時，有望在未來成為以太坊的關鍵可擴展性解決方案。但是這項技術到底是什麼，從中值得期待什麼？又將如何使用它？本文在分析以太坊幾個重要擴展方案的基礎上，試圖回答Rollups 相關的一些關鍵問題。
背景：什麼是L1 和L2 ？
有兩種方法可以擴展區塊鏈生態系統。第一種，可以讓區塊鏈本身擁有更高的交易能力。這種技術面臨的主要挑戰是，具有“更大區塊”的區塊鏈本質上更難以驗證，並且可能變得更加集中。為了避免這種風險，開發人員可以提高客戶端軟件的效率，或者持續地使用諸如分片之類的技術，以允許在多個節點上拆分構建和驗證鏈的工作。也就是目前正在構建的以太坊的升級。
第二種，可以更改使用區塊鏈的方式。用戶不是將所有活動直接放在區塊鏈上，而是在“第2層”協議中，在鏈下執行大部分活動。鏈上有一個智能合約，它只有兩個任務：處理存款和取款，以及驗證鏈下發生的一切都遵循規則的證據。有多種方法可以進行這些證明，但它們都具有一個共同的特性，即在鏈上驗證證明比在鏈下進行原始計算要便宜得多。
狀態通道 vs Plasma vs Rollups
L2 層方案有狀態通道、Plasma 和Rollups 這三種主要類型。它們屬於不同範式，具有不同的優缺點，下面將分別敘述這三種不同方案的運作方式。
狀態通道如何運作
假設一個具體案例，Alice 為Bob 提供了一個網絡連接，Bob 以每兆0.001美元的價格支付費用。他們的交易不是每一次都要付款，而是使用以下L2方案。
首先，Bob 將1美元（ ETH或穩定幣等價物）放入智能合約中。為了向Alice 支付第一筆款項，Bob 簽署了一張“票證”（一條鏈下消息），上面寫著“0.001美元”，並將其發送給Alice 。為了進行第二次付款，Bob 會簽署另一張寫著“$ 0.002”的票，並將其發送給Alice 。依此類推，根據需要支付盡可能多的款項。當Alice 和Bob 完成交易後，Alice 可以將最高價值的票據發佈到鏈上，並包裝在自己的另一個簽名中。智能合約驗證了Alice 和Bob 的簽名，向Alice 支付了Bob 票上的金額，並將其餘部分退還給Bob。如果Alice 不願意關閉通道（由於惡意或技術故障），Bob 可以啟動一個退出期（例如7天）;如果Alice 在這段時間內沒有提供票據，那麼Bob 就會拿回他所有的錢。
這種技術強大之處在於：它可以調整處理雙向支付的智能合約關係。例如Alice 和Bob 在頻道內簽訂合約，以及如果Alice 和Bob 有一個開放的渠道，Bob 和Charlie 也是如此，Alice 可以與Charlie 進行無信任的互動。
但是，channels 可以做的事情是有限的。比如不能使用channels 將資金從鏈下發送給尚未參與的人。 channels 不能用於表示沒有明確邏輯所有者的對象（例如Uniswap ）。相比簡單的經常性支付，如果有更複雜的需求，則需要大量的資金來鎖定。
另請參閱：https://www.jeffcoleman.ca/state-channels 和statechannels.org
Plasma 如何運作
為了存入資產，用戶將其發送到管理Plasma 鏈的智能合約。 Plasma 鍊為該資產分配一個新的唯一ID（例如537）。每個Plasma 鏈都有一個運算符（這可能是一個集中式的參與者，或者是一個多重簽名，或者更複雜的東西，如PoS或DPoS）。每個間隔（可能是15秒，或一小時，或介於兩者之間的任何時間），操作員都會生成一個“ batch ”，其中包含他們從鏈下收到的所有Plasma 交易。它們生成一個Merkle 樹，其中在樹中的每個索引處，如果存在這樣的交易，則有一個事務轉移資產ID，否則該葉子為零。
他們還將每個索引的Merkle 分支發送給該資產的當前所有者。要提取資產，用戶將發布最近事務的Merkle 分支，並將資產發送給他們。合約開始一個挑戰期，在此期間，任何人都可以嘗試使用其他Merkle分支來證明退出無效，方法是（i）發送方在發送資產時不擁有資產，（ii）他們在稍後的某個時間點將資產發送給其他人。如果7天內沒有人證明退出是欺詐性的，用戶可以撤回資產。
Plasma 提供比狀態通道（State channels）更強的屬性：可以將資產發送給從未參與系統的參與者，並且資金要求很低。代價則是：在“正常操作”期間，通道不需要任何數據就可以上鍊，但Plasma 要求每條鏈定期發布一個哈希值。此外，Plasma 體轉移不是即時的，必須等到間隔期結束以及區塊公開上鍊。
此外，Plasma 和通道有一個共同的弱點：它們之所以安全的背後依賴於這樣一種理論——兩個系統控制的每個對像都有一些邏輯上的“所有者”。如果該所有者不關心他們的資產，則可能導致涉及該資產的“無效”結果。這對於許多應用程序來說是可以的，但對於許多其他應用程序來說，是一個交易破壞者。即使是在未經所有者同意的情況下更改對象狀態的系統（例如基於帳戶的系統，您可以在未經他們同意的情況下增加某人的餘額）也無法很好地使用Plasma。這意味著在Plasma 或通道部署中，需要大量的“特定於應用程序的推理”，並且不可能製作一個僅模擬整個以太坊環境（或“EVM”）的Plasma 或通道系統。為了解決這個問題，讓我們開始了解第三種方案——Rollups。
另請參閱: http://plasma.io/plasma-deprecated.pdf
Rollups 如何運作
關於Rollups
Plasma 和通道是“完整的” L2 方案，因為它們試圖將數據和計算都移出鏈下。但是，圍繞數據可用性的基本博弈論問題意味著，不可能對所有應用程序都安全地執行此操作。 Plasma 和通道通過依賴所有者概念來解決這個問題，但這影響了他們的應用範圍。然而，Rollups 是一種“混合” L2 方案。 Rollups 將計算（和狀態存儲）移動到鏈下，但將每個任務的部分數據保留在鏈上。為了提高效率，他們使用了大量複雜的壓縮技巧，盡可能用計算來替換數據。結果是系統中可擴展性仍然受到底層區塊鏈的數據帶寬的限制，但受限的程度低：以太坊基礎層ERC20 令牌傳輸的成本約為45000 gas，而Rollups 中的ERC20 令牌傳輸佔用16字節的鏈上空間，成本低於300 gas。
值得注意的是，將數據“放在IPFS上”是行不通的，因為IPFS 沒有就任何給定的數據是否可用，達成共識，數據必須在區塊鏈上。有了將數據放在鏈上這一共識，Rollups 允許任何人根據需要在本地處理任何操作，允許他們檢測欺詐、發起提款或親自開始生成交易batch 。缺乏數據可用性問題意味著惡意或離線操作員可以造成的傷害更小（如他們不能造成1週的延遲），Rollups 更容易推理，為有權發布batch 的人開闢了更大的使用空間。最重要的是，缺乏數據可用性問題意味著不再需要將資產映射到所有者，這使得以太坊社區對Rollups 擴展方案十分感興趣，Rollups是完全通用的，甚至可以在Rollups 中運行EVM， 允許現有的以太坊應用程序遷移到Rollups，幾乎不需要編寫任何新代碼。
另請參閱：https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/layer-2-scaling/optimistic_rollups/
Rollups 工作原理
鏈上有一個智能合約，它維護一個狀態根：Rollups 狀態的Merkle 根（意思是賬戶餘額、合約代碼等，在Rollups 的“內部”）。
任何人都可以發布batch ，即高度壓縮的事務集，以及以前的狀態根和新的狀態根（處理事務後的Merkle 根）。合約檢查batch 中的上一個狀態根，是否與其當前狀態根匹配；如果匹配，它會將狀態根切換到新的狀態根。
為了支持存款和取款，添加了輸入或輸出“超出”匯總狀態的事務的功能。如果batch 具有來自外部的輸入，則提交batch 的事務還需要將這些資產轉移到Rollups 合約。如果一個batch 有輸出到外部，那麼在處理該batch 時，智能合約會啟動這些提款。
如何知道batch 中的後狀態根源是正確的？如果有人可以提交一個具有任何post-state root 的batch 而不會產生任何後果，那麼他們可以將Rollups 中的所有硬幣轉移給自己。這個問題很關鍵，對此產生了兩個截然不同的解決方案系列，導致了兩種不同的Rollups。
Optimistic Rollups 與ZK Rollups
這兩種類型的Rollups 分別是：
Optimistic Rollups（樂觀Rollups），使用欺詐證明：Rollups 合約跟踪其狀態根的整個歷史記錄和每個batch 的哈希。如果有人發現一個batch 具有不正確的後狀態根，他們可以發布一個證明來鏈接，證明該batch 的計算不正確。合約將驗證證明，並還原該batch 及其之後的所有batch 。
ZKRollups（零知識Rollups），使用有效性證明：每個batch 都包含一個稱為ZK-SNARK 的加密證明（例如使用PLONK 協議），它證明post-state root 是執行batch 的正確結果。無論計算量有多大，證明都可以在鏈上非常快速地驗證。
在兩種類型的Rollups之間存在復雜的權衡：
總的來說，在短期內，Optimistic的Rollups 可能會在通用EVM 計算中勝出，而ZK Rollups 可能會在簡單的支付、交換和其他特定於應用程序的用例中勝出。
欺詐證明剖析
Optimistic Rollups 的安全性取決於這樣一種設想，即如果有人將無效batch 發佈到Rollups 中，則檢測到欺詐的任何其他人都可以發布欺詐證明，向合約證明該batch 無效，應該恢復。
據上圖可知，聲稱batch 無效的欺詐證明將包含綠色數據：batch 本身（可以根據存儲在鏈上的哈希進行檢查）以及Merkle 樹的部分，這些部分只需要證明由batch 讀取和/或修改的特定帳戶。黃色樹中的節點可以從綠色的節點重建，因此不需要提供。此數據足以執行batch 併計算後狀態根（請注意，這與無狀態客戶端驗證單個塊的方式完全相同）。如果計算出的狀態後根和batch 中提供的後狀態根不相同，則該batch 是欺詐性的。
可以確定的是，如果batch 構造不正確，並且所有以前的batch 都正確構造，則可能會創建欺詐證明，表明該batch 構造不正確。請注意有關以前batch 的聲明：如果有多個無效batch 發佈到Rollups 中，則最好嘗試證明最早的batch 無效。當然，如果batch 構建正確，則永遠不可能創建欺詐證明，證明該batch 無效。
數據壓縮原理
一個簡單的以太坊交易（發送ETH）需要大約110個字節。但是，Rollups 中的ETH 傳輸僅佔用約12個字節：
其中一部分只是高級編碼：以太坊的RLP 在每個值的長度上浪費了1個字節。但是也包含了一定的壓縮技巧：
Nonce：此參數的目的是防止重放攻擊。如果帳戶的當前Nonce 為5，則該帳戶的下一筆交易必須具有Nonce 5，一旦處理了交易，帳戶中的隨機數將增加到6，因此無法再次處理該交易。在Rollups 中，我們可以完全省略隨機數，因為我們只是從前狀態中恢復隨機數；如果有人嘗試使用較早的隨機數重放交易，則簽名將無法驗證，因為簽名將針對包含更高Nonce 的數據進行檢查。
Gasprice：我們允許用戶以固定範圍的Gasprice 付款，如2的16次冪。或者可以在每個batch 中都有一個固定的費用，甚至將gas 支付完全轉移到Rollups 協議之外，並讓交易參與者通過狀態通道向batch 創建者支付費用。
Gas：我們同樣可以將總Gas 限制為2的多次冪。或者在batch 級別設置Gas 限制。
To：我們可以用index 替換20字節的地址。如果一個地址是添加到樹中的第4527個地址，我們只使用index 4527來引用它，將向狀態添加一個子樹（subtree），以存儲index到地址。
Value：我們可以用科學記數法存儲值。在大多數情況下，轉賬只需要1-3位有效數字。
Signature：我們可以使用BLS 聚合簽名，它允許將大量簽名聚合成單個約32-96字節（取決於協議）的簽名。然後，可以針對一個batch 中的整組消息和發件人檢查此簽名。表中的“約0.5”表示在聚合中可以組合的簽名數量存在限制，可以在單個塊中驗證，因此大批量約每100 個事務需要一個簽名。
ZK Rollups 的一個重要壓縮技巧是，如果交易的一部分僅用於驗證，並且與計算狀態更新無關，則該部分可以留在鏈下。 Optimistic Rollups 則無法做到，因為如果以後需要在欺詐證明中檢查數據，則仍需要將數據包含在鏈上，而在ZKRollups 中，證明batch 正確性的SNARK 已經證明提供了驗證所需的任何數據。具備隱私保護功能的rollups 是一個重要例子：在Optimistic Rollups 中，每個交易中用於隱私的約500字節，ZK-SNARK 需要在鏈上；而在ZKRollups 中，覆蓋整個batch 的ZK-SNARK 已經毫無疑問地表明“內部” ZK-SNARK 是有效的。
這些壓縮技巧是Rollups 可延展性的關鍵。如果沒有它們，Rollups 可能只是基本鏈可擴展性的10倍左右（儘管有一些特定的計算密集型應用程序，即使是簡單的Rollups 也很強大），而進行數據壓縮後，幾乎所有應用的擴容性都可以實現100 倍以上的提升。
誰可以提交batch ？
對於誰可以在Optimistic或ZKRollups 中提交batch ，有許多說法。一般來說，每個人都同意，為了能夠提交batch ，用戶必須支付大筆存款；如果該用戶曾經提交欺詐性batch （例如具有無效的狀態根），則該存款將被部分銷毀，部分作為獎勵給予欺詐證明者。但除此之外，還有很多可能性：
完全無政府狀態：任何人都可以隨時提交batch 。這是最簡單的方法，但它有一些重要的缺點。一旦存在多個參與者，同時生成並嘗試並行提交batch，但最終只有一個batch 能被成功打包。這導致在生成證明方面浪費大量精力，以及將batch 發佈到鏈中浪費Gas。
中心化處理：存在一個排序者（sequencer）來提交batch （提款除外：通常的技術是用戶可以先提交提款請求，然後如果排序器在下一批中沒有處理該提款，那麼用戶可以自己提交單個操作batch ）。這是最“高效”的，但它依賴於一個核心的actor 來操作。
排序者拍賣：舉行拍賣（例如每天）以確定誰有權成為第二天的排序者。這種技術的優勢在於它能籌集資金，通過Rollups 控制的DAO來進一步分配。 （參見：MEV 拍賣)
從PoS 集合中隨機選擇：任何人都可以將ETH（或者可能是Rollups 自己的協議令牌）存入Rollups 合約，並且每個batch 的排序者是從其中一個存款人中隨機選擇的，被選中的概率與存入的金額成正比。這種技術的主要缺點是它會導致大量不必要的資本鎖定。
DPoS 投票：序列者在拍賣中被選中，但如果他們表現不佳，代幣持有者可以投票將他們踢出並舉行新的拍賣。
拆分批處理和狀態根供應
目前正在開發的Rollups 使用“拆分批處理”的方式，即提交一批L2 操作和提交狀態根的操作是分開完成的。這有一些關鍵優勢：
可以允許許多排序者並行發布batch ，以提高抗審查性，而不必擔心某些batch 會因為某些其他batch 首先被包含而無效。
如果狀態根是欺詐性的，則無需還原整個batch ;您可以只還原狀態根，並等待某人為同一batch 提供新的狀態根。這為交易發送者提供了更好的保證，即他們的交易不會被還原。
總而言之，這是一個相當複雜的技術，試圖在效率，簡單性，抗審查性和其他目標的複雜權衡之間取得平衡。現在說這些想法的哪種組合效果最好還為時過早。時間會證明一切。
Rollups 能帶來多少擴展？
在現有的以太坊鏈上，gas 限制為1250萬，交易中每個字節的數據花費16 gas。這意味著，如果一個塊只包含單個batch （我們假設使用了ZKRollups，花費50萬gas 進行證明驗證），則該batch 可以有（1200萬/ 16）= 750,000字節的數據。如上所示，ETH 傳輸的Rollups 每個用戶操作只需要12個字節，這意味著該批最多可以包含62，500個事務。在13秒的平均區塊時間下，這相當於約4807 TPS（相比之下，以太坊本身的直接ETH 轉賬為1250萬/ 21000 / 13 ~= 45 TPS）。
以下是其他一些示例用例的圖表：
最大可擴展性增益的計算公式為（L1 gas 成本）/（Rollups中的字節數* 16）* 1200 萬/ 1250 萬。
值得注意的是，這些數字過於樂觀。一個塊幾乎永遠不會只包含一個batch ，至少因為存在並且將有多個Rollups。其次，存款和取款將繼續存在。第三，在短期內使用率會很低，因此固定成本將占主導地位。但即使考慮到這些因素，超過100倍的可擴展性增益也有望成為常態。
現在，如果我們想超過約1000-4000 TPS 該怎麼辦？這就是Eth2 數據分片的用武之地。分片提案每12秒提供16 MB 的空間，可以容納任何數據，且確保對該數據的可用性。此數據空間如果由Rollups 使用，每秒約1398kb空間比現有以太坊鏈提高了23倍，從長遠來看，數據容量預計將進一步增長。因此，使用Eth2 分片數據的Rollups 可以共同處理多達約10萬交易，未來甚至更多。
Rollups 有哪些尚未完全解決的挑戰？
雖然Rollups 的基本概念現在已經很好理解，它們是可行和安全的，並且已經有多個Rollups 部署到主網中，但仍有許多Rollups 設計領域尚未得到充分探索，將以太坊生態系統的大部分內容完全引入Rollups 以方面存在很多挑戰。一些關鍵問題包括：
用戶和生態入駐- 使用Rollups 項目不多、用戶不熟悉，很少有錢包集成Rollups。商家和慈善機構尚未支持這種支付方式。
跨Rollups 交易- 高效地將資產和數據從一個Rollups 移動到另一個Rollups，而無須產生經由L1的費用。
審計激勵- 如何最大程度提高至少有一個誠實節點完整驗證一個Optimistic Rollup 的機率，使問題出現時他們會廣播欺詐證明？對於小規模Rollup (高至每秒幾百筆交易），這個問題不大，因為對礦工來說只是舉手之勞，但對於大規模的Rollup 來說，還需要更充分的理由以說服礦工去做驗證。
探索Plasma 和Rollups 之間的設計空間- 是否有技術可以將一些與狀態更新相關的數據放在鏈上，但不是全部，且這些數據會產生有用的東西？
最大限度地提前確認安全性- 許多Rollups 提供了“pre-confirmation”的概念，以實現更快的用戶體驗，其中排序者立即提供承諾，即交易將包含在下一批中，並且如果排序者違背了諾言，則排序者的存款將被銷毀。但這一計劃的經濟安全是有限的，因為有可能同時向許多行為者做出許多承諾。這種機制能否得到改進？
提高對缺失的排序器的響應速度- 如果Rollups 的排序者突然脫機，那麼短時間從這種情況中恢復，要么是快速且低消耗地切換到另一個Rollup，要么是換一個排序者，都是有成本的。
高效的ZK-VM- 生成ZK-SNARK證明通用EVM代碼（或現有智能合約可以編譯到的一些不同VM）已正確執行並具有一個給定的結果。
結論
Rollups 是一種強大的、新穎的L2 擴展方案，預計將成為以太坊在短期和中期（也可能是長期）擴展的基石。與之前的L2 擴展方案不同，它們可以支持通用的EVM 代碼，允許現有應用程序輕鬆遷移。而Rollups 通過妥協——交易處理不是完全在鏈下進行，而是每筆交易留下一小部分數據在鏈上，在以太坊社區中獲得了高度關注。
從技術設計角度，Rollups 有多種類型，如使用欺詐證明的Optimistic Rollups，使用有效性證明的ZKRollups（ZK-SNARKs）。 Rollups 仍然是一種早期的、正迅速發展的技術，預計在未來幾年中，Rollups 空間中將出現更多令人興奮的項目。
