比特幣作為最早也是最受歡迎的區塊鏈，每天都會有數十萬筆交易。但比特幣設計之初，其去中心化框架內優先考慮安全性，這就導致忽視了可擴展性問題，導致人們將比特幣僅僅視為一種數字資產和價值儲存手段。
雖然比特幣的安全性和去中心化一直是其優勢，但其有限的交易速度和交易規模影響了比特幣生態的發展。近年來，出現了各種解決方案來解決這個問題，並允許構建者開發整個比特幣生態系統。現在，擴容解決方案不僅成為其他區塊鍊網絡的焦點，也成為比特幣的焦點。
我們在探索BTC Layer2賽道與機會一文中聊過比特幣為什麼需要擴容，並介紹了相關比特幣二層方案，如：閃電網絡、側鍊等。
本文，我們將關注比特幣擴容的另外一個方案：Rollups。相比於閃電網絡和側鏈，Rollups有潛力提高比特幣的可擴展性、隱私性和可編程性，而不犧牲比特幣作為點對點電子現金系統的核心價值和功能。
Bitcoin Rollup的必要性
Rollup 通常與以太坊網絡相關。在2022 年9 月過渡到權益證明之後，以太坊區塊鏈變得更加中心化。此外，許多Rollup實際上依賴於L2 上交易的中心化排序器。去中心化確實能帶來更高的安全性，特別是在比特幣方面，但伴隨著比特幣的發展，去中心化和算力規模之間的矛盾也越來越突出，這種矛盾的來源在於用戶量的增加和驗證區塊時的計算量，而能夠緩解這種矛盾的關鍵就在於提升區塊鏈的可擴展性。
我們之前談到的閃電網絡採用了多重簽名、Hash時間鎖定等技術，將數據保存在鏈下，將多個交易合併成一筆交易處理，可以實現快速、便宜的支付；側鍊是創造一條單獨的鏈，在不影響比特幣主鏈的情況下，將比特幣從主鏈鎖定，然後在側鏈實現大量交易的處理，這可以大大提高交易速度，同時不會影響比特幣主鏈的安全性。而Rollup是對比特幣網絡的技術架構或技術系統進行升級，它會在鏈上進行數據優化。
Rollup作為第一層區塊鍊網絡的擴展解決方案。他們將交易轉移到鏈下，在那裡進行處理（通常在第二層），並將多個交易捆綁成一批，然後發送回第1層鏈。然後，智能合約會驗證該批次的交易，並更新區塊鏈的狀態。
這張圖表直觀地展示了Bitcoin Rollup分層。在此示例中，有兩個L2 Rollup：一個專門提供數據可用性，另一個專門提供高安全性支付和合約。除了L2 數據可用性Rollup之外，還有三個L3 Rollup，每個Rollup專門針對不同的用例：私人p2p 支付、金融合約以及遊戲內資產所有權和轉讓。由於L3 Rollup 依賴於L2 全節點來實現數據可用性，因此可以認為它們的安全性低於依賴於比特幣L1 全節點來實現數據可用性安全的L2 Rollup。
Rollup變得越來越流行，因為它們提高了交易吞吐量，同時降低了交易成本。這是因為Rollup意味著區塊鏈不需要單獨處理數千筆交易，從技術上講它們只需要處理一筆交易。這對於dApp尤其有用，因為它需要頻繁且快速的交易才能有效運行。這就是為什麼Rollup被認為是比特幣等區塊鏈的可行擴展解決方案。
目前Bitcoin Rollup的類型主要包括ZK Rollup和Sovereign Rollup。
ZK Rollup在Bitcoin上的應用
ZK Rollup
ZK Rollup使用加密的“有效性證明”來確保新的Rollup塊遵循Rollup協議的規則。每次Rollup區塊生產者創建有效性Rollup區塊時，區塊生產者都會向父鏈提交狀態更新交易。 Rollup 狀態更新交易包含有關Rollup 塊中每個狀態轉換的數據、應用塊中狀態轉換後的新Rollup 狀態根，以及證明數據可用性以及新Rollup 狀態根是有效更新的有效性證明到父鏈上確認的最後一個有效的Rollup狀態根，只有附有有效證明的狀態更新交易在確認後才能成功推進Rollup狀態。
ZK Rollup 將交易數據打包放到主網中，同時會提交一個有效性證明，證明這些交易是有效的，在接收這些交易的時候，會直接驗證這些有效性證明，如果證明沒有問題，那就說明這些交易就是有效的，用戶在提取的資產的時候，就不需要再等待了。
在ZK Rollup中，用戶根據打包的數據重現所有的狀態變化並驗證，但ZK Rollup 發布的數據更少，只需要發布重建賬戶餘額和最新狀態所需要的最小數據就可以，這樣讓ZK Rollup 可以同時處理更多的交易，主鏈上包含的計算和存儲資源較少也減少了鏈上的擁堵，速度也因為沒有交易數據積壓而降低，從而鏈上導致更快、更便宜的交易成本。
ZK Rollup對Bitcoin的擴展改進
ZK Rollup提高了吞吐量。隨著比特幣網絡上越來越多的交易需要在每個Rollup層被證明有效，創建必要的有效性證明的難度也隨之增加。 ZK Rollup對創建這些證明所需的計算的解決方案是使用遞歸證明組合來並行化。遞歸本質上是“證明證明的有效性”，因此許多計算機可以證明不同交易的有效性，然後這些證明最終可以組合成一個證明，從而允許多台計算機同時進行水平擴展，從而有助於證明一個交易的有效性。 SNARK 和STARK 證明都可以實現無需信任的遞歸證明組合。
在應用方面，這種遞歸證明會讓ZK Rollup賬戶模型去壓縮二層交易，通過增加交易數量來提高擴展性，帶來的額外交易容量可用於支持更多閃電網絡交易，從而能夠增加以自我託管方式加入和使用閃電網絡的用戶數量，也擴展了閃電網絡。
Sovereign Rollups在Bitcoin上的應用
Sovereign rollups
Sovereign Rollups與當前的Rollup設計有所不同，以往的不管是OP Rollup還是ZK Rollup 都需要使用智能合約來確認Rollup 執行，但Sovereign Rollup不需要智能合約，也不需要結算層，因此得名“Sovereign“ 。
觀察OP和ZK Rollup，它們傾向於使用L1作為數據可用性層和共識層。然而，Sovereign Rollup僅使用第1層來實現數據可用性，確保它們與基礎層有更直接的連接。 Sovereign Rollup 與常見的Rollup 的區別在於它有一個分叉選擇規則，允許它獨立於其基礎層進行分叉。相反，一個普通的Rollup會將其分叉選擇權委託給它的結算層，因為它需要確保Rollup 的正確性。
Sovereign Rollup核心是一個區塊鏈，它將其交易發佈到數據可用層，以實現共識和數據可用性。數據可用層並不確保Sovereign Rollup交易是正確的。它只是對交易排序並檢查它們是否可用。以往的OP和ZK Rollup依靠以太坊智能合約來檢查其交易是否正確，通常是通過欺詐或有效性證明。而Sovereign Rollup由節點決定交易是否正確，其節點會下載所有交易並檢查是否有效，如果交易是無效的，那交易會被拒絕。
Sovereign Rollup對Bitcoin的擴展改進
Sovereign Rollup是目前Bitcoin Rollup中熱度最高的解決方案，它與ZK Rollup最主要的區別是Sovereign Rollup獨立於主網。 ZK Rollup將主網作為數據的可用層和結算層，相關數據不僅會存放在主網上，交易也由主網上的智能合約進行驗證，而Sovereign Rollup僅使用區塊鏈的一層作為數據的可用層，但不使用一層執行結算。因此對於主網算力受限的比特幣來說，這種方案會比ZK Rollup更友好。
在該方案中，運用Rollup的模塊化框架，開發人員可以在其中插入自定義執行層和數據可用性層，Sovereign Rollup管理自己的執行和結算，同時將共識和數據可用性轉移給比特幣一層主網。這種方案不需要智能合約或使用結算層進行Rollup驗證，二層不受一層主網被攻擊的影響，且有自己的共識，更加的可擴展。
在應用方面，未來Sovereign Rollup更像是作為一種RaaS，使用比特幣的數據可用性，開發者可以創建具有任意執行環境的Rollup，繼承比特幣的數據可用性保障和安全保障。比如模塊化區塊鏈Celestia旗下模塊化Rollup框架產品Rollkit，它通過集成比特幣Sovereign Rollup數據可用性層，可以在比特幣上運行EVM作為Rollkit Sovereign Rollup，擴展了Rollup的應用，並幫助比特幣開啟了更廣闊的生態市場。
總結
ZK Rollup方案中，其安全性強烈依賴於它與其主鏈的關係，ZK Rollups 上的各種應用將能夠繼承比特幣網絡的去中心化和安全性，並改善比特幣網絡經濟模型的可擴展性問題。這種關係為Rollup解決了其他“鏈下”協議所缺乏的兩個關鍵功能：繼承的雙花安全性和安全的雙向橋接。雖然它可以給比特幣帶來的好處包括增加交易吞吐量、更好的交易隱私以及更大的靈活性，但這些優勢並非沒有成本或風險，因為它也會承擔比特幣軟件更新和共識變更相關的風險。
Sovereign Rollup方案中，它有自己的共識，可以獨立於一層區塊鏈運行，可以定義自己的交易驗證和結算規則，自主性更高。但正是這種獨立性，也在一定程度上喪失了一層區塊鏈的安全保障，而且由於單獨的共識機制，實施Sovereign Rollup升級可能會很複雜。當前Sovereign Rollup開發還處於早期階段，隨著這一領域的研究和深入，未來技術如何發展以打造其安全性也值得我們後續的關注。
圍繞Rollup 的開發證明了比特幣可以成為比之前更多操作的基礎鏈。總的來說，無論是在比特幣還是任何其他L1 上，Rollup 改變了我們感知鏈上交易數據、證明驗證以及涉及大量數據的鏈上交易的方式，推動我們如何存儲、讀取和利用鏈上數據的討論的最新進展，這反過來又為比特幣可擴展性討論提供了另一個維度，特別是當開發人員試圖在Bitcoin區塊鏈上創建完整的生態經濟時。 Rollup仍處於起步階段，然而，它們的潛在影響是有希望的。