各 Rollup 解决方案的权衡研究

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 Layer 2 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 Layer 1 上进行结算，从而大幅减少对区块空间的占用，缓解对 Layer 1 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 ETH 2.0 一直被视为可扩展性问题的解决方案。虽然 ETH 2.0 在 2020 年 12 月就启动 Phase 0 并上线信标链，但是在 Phase 2 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（以及一些 plasma 和状态通道）来实现可扩展性”，很多团队已经开始努力实现该路线图。

Rollup 在 2020 年取得了巨大发展：Fuel Labs 和 Optimistic 在主网发布了第一版 Optimistic Rollup；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（即，用户和运营者存放在 Rollup 中的资产的完整性和安全性）依托于底层 Layer 1 区块链（本文特指以太坊）。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 Layer 1 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 Layer 2 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（Setup）

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（Layer 2 运营者）和验证器（智能合约）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（Trusted Setup）、可更新设置（Updatable Setup，CRS）和透明设置（Transparent Setup）。

可信设置：在该设置下（如 Groth16），融易新媒体，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（如递归的 Plonk），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（如 Stark），当 Layer 2 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 Layer 2 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