探索区块链的模块化：Rollup

在文章之前需要理解两个关键概念:(1)Rollup， (2)分片。本文将重点讨论Rollup；它们是什么，如何工作，以及它们未来的发展方向。

区块链三难困境和Layer2的诞生

区块链在本质上面临着三难困境，被称为区块链三难困境。这指的是所有区块链面临的去中心化、可扩展性和安全性之间的权衡，其中一个区块链只能优化两个，需要牺牲第三个。显然，安全性对区块链来说至关重要，所以这通常会导致在去中心化或可扩展性上的妥协。

为什么去中心化很重要?

你可能会想，为什么去中心化如此重要？这是一个经常被误解的概念，经常有人建议web3提倡去中心化以抵制政府审查。事实上，这并不是去中心化重要的主要原因。答案主要在于对创新的激励。

中心化平台的问题主要在于其可预测的生命周期。一开始，平台是非常诱人的，因为它们必须吸引用户、开发者、企业和媒体组织，这将不可避免地使他们的平台有价值。它们降低了进入的门槛，榨取了很少的价值，从而创造了一个鼓励参与者的正和环境。正如Chris Dixon所说的，中心化平台的作用是“让他们的服务更有价值，因为平台(从定义上来说)是具有多方面网络效应的系统。”当平台的S曲线向上移动，并获得关于用户和开发人员的更多权力时，就会出现问题。

中心化平台生命周期

一旦中心化平台达到其s曲线生命周期的顶部，其与平台参与者的关系本质就会从正到零和。一般来说，这意味着这个中心化的平台将转向从用户那里提取数据并将其货币化，并与在其平台上发展的互补业务争夺关注。这对创新和这些平台的持续发展来说是个坏消息。

在过去的10年里，我们见证了这一生命周期在多个平台上的发展：Facebook、Twitter、微软、YouTube和谷歌等等。这些就是今天互联网的主要平台。最终，这促使企业家、开发者和投资者对这些类型的平台保持警惕，许多人拒绝与中心化平台建立联系。而且最重要的是，从用户的角度来看，中心化存在问题，用户容易受到安全漏洞的攻击，并放弃对隐私数据的控制。

另一方面，去中心化的平台不存在审查风险。企业家和开发者可以问心无愧地自由建设。这与互联网的第一个时代(20世纪80年代至21世纪初)非常相似，当时互联网服务主要基于开源协议，由互联网社区自己拥有。根据定义，去中心化平台不能从用户和开发者身上榨取价值，而是允许用户和开发者创造价值。为了明确这一点，谷歌的座右铭是“不要作恶”，而在去中心化的平台上，这一理念变成了“不能作恶”。

这一切听起来都很棒，虽然我认为去中心化平台有一个令人信服的理由，但它们真的会赢吗，甚至会在现实中出现吗?互联网的第一个时代是由去中心化的、开源的协议赢得的。第二个时代由中心化的应用程序主导，如谷歌、Youtube和Twitter。我认为，互联网的第三个时代很可能是去中心化的。

由于上述原因，企业家和开发者被排斥在中心化平台上建设，现在他们正涌向像 以太坊 这样的去中心化平台。你可能会认为中心化平台能够简单地向开发者支付报酬，但在我看来，中心化平台无法超越那些基于去中心化的平台，而且它们的创新速度肯定无法与完全自由的企业家相比。当考虑到去中心化的互联网第三时代的代币化本质时，这一点尤其正确。在这个时代，企业家能够以惊人的速度筹集资金，减少了中心化平台的影响，只需为开发者社区支付费用。

区块链技术是web3最终平台的孕育地。一种不需要第三方参与，并且在很大程度上消除了低效率的情况。如果我们要鼓励企业家、开发者和投资者在这些区块链平台上建设，我们必须让它们去中心化。

从创新、用户隐私和数据所有权的角度来看，区块链去中心化是有意义的。不幸的是，这意味着在区块链三难困境中放弃可扩展性。

区块链的组成部分

过去这些区块链的工作方式是，当有人发布交易时，一个矿工验证它，然后将它发布到区块链，但随后网络中的所有其他矿工也必须验证它。在一个去中心化的网络中，可能有大量的矿工，这显然意味着会有大量低效和浪费时间的工作。

然而，去中心化、安全性和可扩展性仅仅是区块链的属性，由组成区块链的组件决定。作为一个基本概念，重要的是要概述这些组成部分:(1)共识，(2)数据可用性，(3)执行。共识组件规定了网络中的节点对交易的集体验证，从而提供了区块链上存储的数据的安全性和真实性。数据可用性是指结算层保证可用于区块链上的交易数据(即转账、保持状态等)。执行指的是使用新信息更新区块链所需的计算。

简单地说，共识是对区块链上的交易记录达成一致并存储的地方。数据可用性是区块链在任何一个时间点有多少空间来添加额外的数据。执行是在新交易在验证并写入永久记录之前在区块链上注册的地方。

作为区块链三难困境的解决方案，L2扩展解决方案被开发出来。L2协议可以被认为是以太坊结算层的扩展解决方案，它允许结算层对去中心化和安全性进行优化。

迄今为止，Layer 2解决方案已锁定价值约66.2亿美元，其中 Arbitrum 和dYdX(由StarkEx驱动)等领先解决方案吸引了大部分市场份额。

有许多类型的扩展解决方案，从状态通道，plasma，侧链和Rollup。

Rollup的类型

Rollup是一种可扩展的解决方案，它将交易捆绑、压缩并将其发送到共识层进行验证。通过一次验证多个交易，它们极大地提高了效率，同时允许以太坊在不牺牲安全性的情况下从每秒处理15到3000多笔交易(TPS)。

本质上，用户不是将交易发送到L1的矿工那里，而是将其交易发送到Rollup服务器，由其验证这些交易是否有效。因此，他们在以太坊主链之外执行交易，但这些Rollup会将交易数据发布到以太坊主链。当将交易发布到主链时，它们将继承L1的安全属性。

有两种类型的Rollup，不同的安全模型:(1)Optimistic Rollup和(2)zk-Rollup。

Optimistic Rollup

Optimistic Rollup捆绑了数百次交易，并且只发布链上需要的最低限度的信息，无需任何证明。这基本上假设没有欺诈或恶意行为，因此有了“Optimistic”的名字。Optimistic Rollup仅在交易或状态受到挑战时才提供证据。

Optimistic Rollup的好处，除了明显的扩展增强之外，还包括EVM和可靠兼容性，这意味着任何你可以在以太坊L1上做的事情，都可以在Optimistic Rollup上做。

然而，由于潜在的欺诈挑战，链上交易的等待时间可能很长。可能必须等待~1周才能从Optimistic Rollup中提取资产，因为这给了发现和解决欺诈的时间。这是一个固有的问题，因为假设没有欺诈或恶意行为。

Optimistic Rollup的另一个缺点是，需要在链上发布所有见证数据，如签名、预言机提要等。这限制了可扩展性。

大型Optimistic Rollup协议包括Arbitrum 和 Optimism。

ZK-Rollup

zk-Rollup不同于Optimistic Rollup，因为它们使用zk技术集成了隐私。zk指的是在不披露必要信息的情况下向另一方证明某事(一项交易或状态)的能力。

用户不是将交易发送到L1矿工处，而是将交易发送到Rollup服务器，在那里执行交易。ZK-Rollup中使用的两个最常见的验证证明是 ZK-SNARKS和ZK-STARKS，其会生成ZK-SNARKS作为交易有效性的证明，并发布到第一层主链。这些证明很容易生成，很有说服力，而且验证起来也非常快。对于上下文，可以将数百个交易整合到一个证明中，验证这个证明需要大约5毫秒。

通过利用该技术的零知识特性，第1层的矿工将永远不会知道交易中的数据是什么。只有Rollup矿工知道交易数据。这是一项非常令人兴奋的技术，因为它意味着数据可以是私有的，即使是在公共区块链上。

使用ZK-Rollup，在提取资产时不会出现延迟，因为ZK Rollup合约接受的ZK-SNARK证明已经验证了资产，这是Optimistic Rollup和ZK-Rollup之间的主要特性差异之一。

ZK-Rollup的优点包括：如前所述，与Optimistic Rollup相比，完成Rollup的时间更快，并且不易受到经济攻击。然而，ZK-SNARK证明的计算量非常大，对于链上活动很少的应用程序来说，这可能是不值得的。

这里值得注意的是，目前大多数ZK-Rollup实际上还没有使用ZK技术的隐私方面。相反，他们专注于可扩展性方面，也就是说，一个证明可以比本地计算更小、更精简。

Optimistic Rollup和ZK-Rollup之间的技术比较

虽然Optimistic Rollup目前比ZK-Rollup更实用，这仅仅是因为它们的复杂性更低，但ZK-Rollup显然有可能为用户提供更大的好处。

Rollup的未来

虽然这两种Rollup类型目前都提供了高于原生以太坊链执行层的优势，但仍存在一些需要改进的挑战。

面临的挑战

EVM代表以太坊虚拟机，可以被认为是一个大型的去中心化计算机，在区块链上计算各种类型的任务。它本质上是以太坊整个运营结构的基石，负责执行和智能合约部署。

EVM兼容性意味着另一条链，例如，一个Rollup链，将有能力在该链上部署以太坊智能合约。因此，如果没有EVM兼容性，另一条链将不可能运行以太坊智能合约。EVM兼容性显然是非常有益的，因为这意味着已经部署在以太坊上的项目，比如 Uniswap 等DeFi巨头，可以部署在兼容链上。这意味着兼容链相对容易在执行模块获得用户，如果他们相对于以太坊执行模块具有显著的竞争优势。考虑到以太坊社区中开发者的数量，这对于兼容链来说也是一个巨大的优势。通过与EVM兼容来进入该社区，兼容链能够受益于上述开发人员的采用能力和网络效应，以及未来将产生的创新。

EVM兼容性的缺点源于复杂性和相关的安全漏洞风险。因此，总的来说，EVM兼容性开发对于Rollup来说是缓慢的，但是已经取得了一些突破，特别是在Optimistic Rollup的背景下。

Rollup的另一个挑战，实际上也是我在未来看到的开发中最兴奋的一个，是直接的法币匝道。法币指的是传统货币，如美元、英镑和日元。匝道(On-ramp)是指你可以直接将法定货币兑换成加密货币的服务。法币匝道服务目前通常在中心化交易所，如 Coinbase 和Binance。

Rollup的挑战更大。为了在Rollup上与加密进行交互，我们将面临将加密资产放入自己选择的钱包的瓶颈，因此必须将加密资产连接到Rollup本身。这是一个非常糟糕的用户体验，需要大量的耐心。

从传统的银行账户，直接到Rollup，将极大地增加使用量。这就是为什么我对它们的发展如此兴奋：增强的用户体验无疑会让用户有理由不再直接与第1层交互，并将标志着从第1层执行到第2层执行的大规模迁移，让第1层专注于共识和安全。这将是采用模块化区块链的真正开始。

同样值得注意的是，为了达到最低费率，它需要将在第一层链上结算的交易最大化。这样做是为了将费用平均分配到许多合并在一起的交易中。因此，Rollup费可以被认为是第一层费用的产物，也是Rollup需求的产物。因此，Rollup要真正达到与以太坊相比的费用降低的潜力，它们需要更高水平的需求。这通常被称为规模经济，意味着边际交易成本在下一次边际交易中下降。

事实上，这是一个突破，因为它颠覆了区块链的传统成本结构，后者通常随着每一笔边际交易的进行而变得更加昂贵。这也是ZK-Rollup优于Optimistic Rollup的一个实例，因为Optimistic Rollup总是需要在每个交易中包含签名，这又增加了另一个成本因素。另一方面，ZK-Rollup不需要签名，并且具有更好的数据压缩，从而具有卓越的可扩展性潜力。

即将到来的Rollup催化剂

EIP - 4488

本文中要提到的一个重要内容是EIP-4488，对于那些不熟悉EIP的人来说，它们代表以太坊改进提案，是指定以太坊潜在新特性或流程的标准。以太坊社区中的任何人都有能力创建EIP，尽管它们必须得到充分的同意才能实现。

总而言之，EIP-4488将调用数据的成本从16 gas /字节降低到3 gas /字节，并对每个区块的调用数据设置上限，以降低安全风险。从本质上说，这意味着Rollup管理费用减少，这对于Rollup的最终用户意味着费用更低。

分片

Rollup的另一个重要催化剂是分片。共享是模块化区块链背景下需要理解的一个关键概念，本质上是约束以太坊数据可用性的解决方案。

总结

毫无疑问，Rollup对区块链的未来至关重要，它将成为dApp的日常用户与区块链技术互动的网络。这些用户甚至可能不知道他们使用的是哪种云托管服务，就像我们通常不知道网站使用的是哪种云托管服务一样。这就是为什么我对Rollup特别兴奋的原因。我们仍然处于它们生命周期的早期，因此技术的复杂性和某些情况下缺失的特性。