为了缓解当前的可扩展性问题，以太坊正在转向一个“以Rollup为中心的路线图”，将最佳的链上和链下扩容方案结合起来。
撰文：Ally Zach，Messari 分析师
编辑：南风
关键要点
为了缓解当前的可扩展性问题，以太坊正在转向一个“以Rollup为中心的路线图”，将最佳的链上和链下扩容方案结合起来。
以太坊的链上扩容方案 danksharding 为 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 等 L2 (第二层) 扩容方案的蓬勃发展提供了充足的数据空间。
Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 都有其缺点：大多数 Optimistic Rollups 都存在层与层之间漫长的取款等待期；而 ZK-Rollups 往往要进行大量的计算，无法提供无缝的可组合性。
为了使得以 Rollup 为中心的未来保持可行性，Rollups 解决方案必须优先考虑降低执行成本、跨层互操作性和用户隐私。
可扩展性是在最小化 (交易) 成本和不牺牲区块链网络的去中心化和安全性的同时增加网络的速度和吞吐量的方法。以太坊目前无法扩展。在过去的两年里，随着用户数量的增加，以太坊的交易成本飙升，使得日常投资者几乎无法承担使用该网络的成本。
以太坊进行扩容有两个核心选择：链上扩容和链下扩容。与「The Merge」(合并) 相结合，以太坊团队正在引入一种名为「danksharding」的新分片设计，从而引入链上扩容解决方案。这些变化预计将在未来几个月的某个时候发生。
链下扩容来自于位于现有区块链之上的替代协议，不需要更改当前的以太坊 L1 协议。L2 扩容方案通过在链下处理所有交易验证，同时从以太坊主网获得安全性。当前最知名的 L2 扩容方案是 Rollups。
在为「合并」做准备的同时，以太坊正在转向「以 Rollup 为中心的路线图」。它计划结合最好的链上和链下扩容方案。
01. Rollups 简要指南
Rollups 是该领域中最突出的 L2 扩容解决方案。我们可以根据其交易验证和数据存储方法对 Rollups 进行分类。所有 Rollups 都是将大量链下交易数据聚合成批量，并在达成共识时将结果发布至以太坊主网。
1) Optimistic Rollups
Optimistic Rollups 网络，比如 Arbitrum 或 Optimism，假定所有交易从一开始就是有效的。为了确保这些交易的安全，Optimistic Rollups 网络提供了一个挑战期 (challenge period)，网络验证者可以通过父链 (比如以太坊) 上的一个欺诈证明 (fraud proof) 来质疑某笔交易的合法性。通过仅在怀疑存在欺诈时执行证明，Optimistic Rollups 显著提高了吞吐量并减少了延迟 (交易确认时间)。挑战期通常为七天。
图源: ethereum.org
在挑战期期间，用户可以在 L2 生态系统内使用他们的资产，但无法将资产取回至 L1 链上。作为对 Optimistic Rollups 中较长的取款等待期的回应，一些快速取款方案正在崛起。比如，通过由社区驱动的流动性池，Boba Network 将退出等待期缩短到了几分钟。
此外，大多数的 Optimistic Rollups 都是具有 EVM (以太坊虚拟机) 兼容性的，这意味着你在 L1 上能做的任何事情，都可以在这些 Optimistic Rollups 网络中做到，而且是以更快和更便宜的方式做到。EVM 兼容性是迄今为止大多数基于以太坊的 Rollups 都属于 Optimistic Rollups 的核心原因。对于以太坊开发者来说，将智能合约迁移到这些 Optimistic Rollups 方案是一个毫无困难的过程。此外，Optimistic Rollups 提供了完全的透明性，因为所有交易数据都被发布至以太坊父链。
2) ZK-Rollups
零知识 (ZK)-Rollups 网络，比如 StarkNet，类似于 Optimistic Rollups，也是组合大量链下交易并分批次地提交回以太坊主网。然而，ZK-Rollups 并不是假设所有交易在被证明有效之前是有效的，而是使用有效性证明 (validity prroofs) 来立即验证交易。这些有效性证明和压缩数据将作为它们对应的原始交易包的代理，被提交至以太坊 L1 进行链上验证。
图源: Simon Brown
有效性证明是非常复杂和耗时的，因此与 Optimistic Rollups 相比，ZK-Rollups 存在延迟增加。由于生成密码证明 (有效性证明) 需要大量的计算，ZK-Rollups 网络中的交易定序器 (sequencers) 需要高规格的硬件，从而使得日常用户难以参与成为其定序器。
此外，由于与生俱来的复杂性，大多数 ZK-Rollups 通常并不兼容 EVM。因此，以太坊开发者们很难将智能合约迁移到 ZK-Rollups 方案中，这使得在不完全改变智能合约框架的情况下，为这些 ZK-Rollups 方案开发通用应用程序变得更加困难。ZKSync 和 zkEVM 最近已经在以太坊测试网络上部署了兼容 EVM 的 ZK-Rollup 方案，为以 ZK-Rollup 为中心的未来带来了曙光。
02. 以太坊「以 Rollup 为中心」的路线图
在今年的某个时候，以太坊将经历共识机制的转变，从 PoW (工作量证明) 转变为 PoS (权益证明)，这被称为「合并」(The Merge)。这一改变将减少以太坊网络的能源排放，提高网络安全性，并减少来自矿工的中心化风险。以太坊的「以 Rollup 为中心的路线图」将支持任意数量的验证者，只要他们将 32 ETH 作为经济质押金。
分片 (sharding) 是一种链上水平扩容方案，可以增加区块链能够高效处理的活动量。实质上，以太坊区块链将被分割成更小的链，也即所谓的「分片链」(shards)，这些分片链将并行运行，并最终通过信标链 (Beacon Chain) 连接在一起。每条分片链将通过一个节点子集来运行，这些节点将检查数据可用性。这种系统确保了任何人都可以使用标准的消费级硬件来运行网络节点，同时提高网络的可扩展性。
不像传统的分片那样为交易提供更多的空间，最新的 danksharding 方案专注于为数据 blobs 提供区块空间。以太坊协议不会试图解释这些数据，而只是验证这些数据 blobs 是完全可用的。这些数据 blobs 要想被视为完全可用，则必须不能丢失任何数据，且 Rollup 状态必须能够使用该数据进行重建。该数据空间将用于支持高交易吞吐量的 L2 扩容方案。
简言之，PoS 共识机制为 L2 Rollups 提供了稳健的安全性和去中心化。Danksharding 形成数据层，提供大量数据可用性，从而为 Rollups 提供了一个低成本的场所来发布它们的数据。
Danksharding 使以太坊的以 Rollup 为中心的路线图变得可行。它将以太坊变成结算和数据可用性层，并将可扩展性移交到 L2 Rollups 的手中。目前，通过结合 Rollup 和以太坊架构，当前以太坊仅 15-45 TPS 的交易吞吐量可以扩展至高达 1000-4000 TPS。分片链的引入将进一步为 Rollups 扩大数据存储容量，将吞吐量提高到 100,000 TPS 以上。
03. 以 Rollup 为中心的未来
Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 的耀眼优势在于，它们能够在无需妥协安全性和去中心化的情况下解决以太坊的可扩展性问题。它们允许以低得多的费用来进行几乎即时的交易，同时减少以太坊主网上的网络拥堵。
然而，这两种类型的 Rollups 都有明显的缺点，这对它们的长期可持续性提出了质疑。由于欺诈证明系统，Optimistic Rollups 会受到长达一周的退出等待期的影响。而 ZK-Rollups 的计算量太大，目前无法与 EVM 兼容。如前所述，两种解决方案的开发人员都在解决这些问题。
以太坊的生态系统为 Rollup 生态系统的蓬勃发展提供了充足的空间。以太坊路线图鼓励试验，允许最佳的 L2 方案在成熟的以太坊生态系统中茁壮成长。除了各自的缺点之外，未来的 Rollup 部署必须解决交易成本的差异、以太坊的分片生态系统的碎片化以及隐私保护问题。
1) 成本
一个可扩展的区块链需要能够支持越来越多的事务 (交易) 量，同时不能在交易成本上进行妥协。如前所述，Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 都解决了这个问题，但是二者比较结果如何？
ZK-Rollups 在运行其有效性证明时可能会花费大量成本。但是，随着程序的改进，ZK-Rollup 网络中的每个交易批次中包含的交易数量将会增加，这将降低每笔交易的边际成本。从长远来看，ZK-Rollup 将克服其有效性证明最初产生的固定成本的缺点。
理论上来说，Optimistic Rollups 应该有着几乎无成本的交易。与 ZK-Rollups 不同，Optimistic Rollups 不存在繁重的后端计算或数据压缩 (这会进一步增加交易成本)。通常情况下，Optimistic Rollups 运营商会承担运行欺诈证明的成本。然而，将未压缩的数据发布回以太坊会增加交易成本。此外，由于欺诈证明尚未完全部署在这些解决方案上，因此目前Optimistic Rollups 上的交易成本高于预期。
在以太坊分片链上，任何一个 Rollup 方案的交易成本都应该比当前情况显著降低。理论上，如果 ZK-Rollups 能够继续降低每笔交易的边际成本，Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 之间的成本差异应该非常小。
2) 碎片化
整个加密生态系统都存在碎片化问题。大多数协议都是以孤岛式的方式运行，整个行业是相对支离破碎的。在区块链之间移动资产是复杂和不直观的，特别是对新用户。
许多 Rollups 网络有着繁荣但孤立的 L2 生态系统。由于能够很容易地连接以太坊协议内的组件，开发者们正在 Arbitrum 和 Optimism 上快速地构建应用程序。然而，一旦用户将他们的资产放入这些系统中，他们往往会发现将这些资金重新转移到不同的平台是一项挑战。像 Hop 和 Connext 这样的「跨层桥」和「跨链桥」有助于解决流动性资产的部分互操作性问题。用户可以相对快速且经济有效地将资产从一个平台无缝转移到另一个平台。
跨链桥会将资产锁定在某个 L1 智能合约中，然后将该代币资产的某种版本发送至另一条区块链或 Rollup 上，反之亦然。如果没有 EVM 兼容性，用户将需要放弃对其加密资产的控制权，因为该跨链桥的安全性不再依赖于底层区块链的安全性。为了将资产从以太坊转移到不具有 EVM 兼容性的 Rollups (比如 Loopring 或 StarkNet) 中，用户可以从某个中心化交易所向该 Rollup 发送代币资产，或者支付 Gas 费用将资产发送至该 Rollup 本身。就后者而言，这些资产将存在于该 L2 Rollup 中。
对于将资产从以太坊跨链桥接至 Rollup 而言，自今年早些时候市场低迷以来，L2 桥接在总 TVL (锁仓总价值) 方面有所下降。尽管有着很长时间的取款等待期，但像 Arbitrum、Optimism 和 Boba 这样的 Optimistic Rollups 目前在累积的桥 TVL 方面处于领先地位。zkSync 是该领域一个相当新的 Rollup，但它是少数几个具有 EVM 兼容性的 ZK-Rollups 之一。
同样，在基于 PoS 的以太坊世界中，围绕 Rollups 的互操作性也存在一些问题。「互操作性桥梁」将成为以 Rollups 为中心的以太坊生态系统中至关重要的基础设施组件。它们将致力于防止孤岛式的 Rollup 生态系统，保持可组合性，缓解碎片化的流动性。这些桥梁是跨 Rollup 通信和资产迁移的必要手段。
以太坊以 Rollup 为中心的生态系统鼓励试验和发展当前的区块链架构。目前，EVM 兼容性限制了 Rollup 框架内的发展，限制了智能合约创新的自由。EVM 兼容性可能会成为一个过时的特性，被未来的可组合性驱动技术的发展所取代。
从短期来看，Optimistic Rollups 是以太坊生态系统领先的扩容方案。它们在 EVM 兼容性方面有一个现有的优势，这为其应用程序提供了所需的可组合性。然而，随着时间的推移，由于以下几个因素，向 ZK-Rollups 的过渡将自然发生：更低的、无须信任的取款等待期；更高的吞吐量；卓越的数据压缩能力；以及每笔交易的边际成本的降低。
3) 隐私
区块链本质上是公开的，通过完全的透明度来提供对该领域的信任。在任何给定的时间，任何人都可以前往 Etherscan，查看谁在与什么合约进行交互，涉及多少资金。虽然钱包地址是一种匿名的隐私解决方案，但社交媒体平台提供了一个口子，将公众身份与相应的钱包联系起来。
另一方面，目前的 TradFi (传统金融) 系统完全是私密的：人们不能查看彼此的财务状况。在一个数据隐私成为主流问题的时代，很容易理解为什么散户投资者，尤其是企业，不愿公开他们的私人信息，并将其与他们的财务记录联系起来。加密领域需要像当前的 Web2 一样私密，否则，坦率地说，将没有长期采用的潜力。
那么，开发者究竟如何才能在不妥协安全性的情况下从公开交易中删除可识别信息呢？
ZK-Rollups 的优点在于其数据压缩能力。如前所述，ZK-Rollups 验证链下的所有交易数据，并将经验证的证明和经压缩的交易数据发布回以太坊主网。以太坊验证者不需要解释该交易批次中的数据，而只是检查和确保该 L2 方案已经验证了该数据。
专注于隐私的 ZK-Rollups 会将可识别信息从它们捆绑的交易数据中移除，并只发布适当的信息。比如，Aztec 在其 Rollup 方案中创建了一个化名系统，从而将交易数据与相关的交易方完全分离开来。用户可以通过他们即将发布的 Aztec Connect 桥以匿名的方式发送或接受代币，并与去中心化应用进行交互。
然而，这种隐私功能的增加是有代价的。该 Rollup 无法像以前那样处理交易列表。Aztec 引入了第二个零知识证明 (因此现在它是 ZK-ZK-Rollup) 来验证一个 ZK 证明列表，每个证明都验证一笔隐私交易。Polygon 推出了他们面向企业的隐私 Rollup，即 Polygon Nightfall，它在 ZK 隐私 Rollup 之上运行了一个 Optimistic Rollup。
之前的隐私技术，如 Monero、Zcash 和 Tornado Cash，都遭到了主流的采用，或者让用户自己选择是否使用隐私。当投资者想要将他们的交易隐私化时，他们必须选择使用隐私。然而，在交易的另一端的一方可能不会这样做，因此交易的一端是公开的。随着时间的推移，交易数据中的动态可能会被拼凑在一起，以揭示双方的身份，这就违背了从一开始就从交易中隐匿身份的目的。这种提供选择性的隐私应用中存在的漏洞，从一开始就破坏了建立隐私交易的目的，因此，隐私应该是应用中的默认设置。
对于 ZK-Rollups 来说，启用私有交易更简单，因为 Optimistic Rollups 将所有交易数据发布到它们的父链。但是，也有一些选择可以使 Optimistic Rollups 实现隐私交易。它们可以效仿 Tornado Cash 的做法，切断源地址和目标地址之间的链上关联。目前的 Optimistic Rollups 可以将诸如 Aztec 等以隐私为导向的 ZK-Rollups 作为 L3 (第三层) 来托管。未来的部署也可以混合他们的解决方案，比如 Polygon Nightfall，并实现 ZK-Rollup 来验证隐私交易。
04. 写在最后
Optimistic Rollups 方案在当前市场上领先于 ZK-Rollups。由于通常与 EVM 等效，所以Optimistic Rollups 具有其应用程序所需的可组合性，并且由于没有复杂的链下计算而更加简单。从长远来看，如果 ZK-Rollups 的技术持续改进，基于更好的产品契合度，它们有可能赢得L2 Rollup 比赛。随着更多兼容 EVM 的解决方案的出现，ZK-Rollups 应该变得更具有成本效益，利用前所未有的额交易隐私性，并产生更和谐的跨链和跨层桥接体验。
以太坊并不是唯一专注于以 Rollup 为中心的路线图的 L1 区块链。Tezos、NEAR 和 Celestia 已经转向了某种以 Rollup 为导向的区块链。此外，目前的 L1 竞争在不久的将来可能不会消失。这些 L2 生态系统可能不仅要相互竞争，还要与 L1 生态系统 (如 Solana) 甚至是 L2 侧链 (如 Polygon) 竞争。
以太坊向以 Rollup 为中心的过渡将需要几年时间。当前的 Rollups 将需要时间来以适当的方式实现，为执行错误留出了足够的空间。虽然 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 都有各自的权衡，但一个有凝聚力的以太坊生态系统的可能性对加密货币的进一步采用总体来说是个好兆头。
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