Layer2是為了解決以太坊可擴展性問題而設計的關鍵方案。 Rollup是一種Layer2擴容方案，透過在鏈下處理交易然後將交易資料備份到主鏈上，保證了安全性。相較於其他方案，Rollup有獨立的帳戶、資料可用性和資料有效性驗證等特性。 Plasma是一個受歡迎的Layer2擴充方案，但有資料可用性、退出機制和監控成本等問題。 Rollup發展歷程中，Optimistic Rollup和ZK Rollup成為主流方案。在ZK Rollup中，零知識證明技術保證了交易處理的正確性和安全性，有望成為最終解決以太坊擴容問題的方案。
基本介紹
Layer2是被設計為解決以太坊可擴展性問題的關鍵方案之一，透過在以太坊主鏈之上建立額外的網路層，允許去處理更多交易的同時保持主鏈的安全性和中心化特性。
Rollup是一種透過在鏈下處理交易然後將交易資料「備份」進入主鏈的Layer2擴容方案，其安全性由Layer1保證，是目前最主流的Layer2擴容方案，相比於其他的鏈下交易方案，例如狀態通道、側鏈、Plasma等，Rollup有三個特點：
Layer2 是與Layer1 相對獨立的平台，所有參與用戶也是獨立的Layer2 帳戶，用戶可以在Layer2 平台上與其他Layer2 用戶進行交易，但是Layer1 帳戶與Layer2 帳戶之間的交互需要透過Layer2 運營方部署在Layer1 及Layer2上的智能合約，最常見的交易就是ETH等代幣的轉移；所有的交易資訊都需要在主鏈上被完整記錄，即Calldata或Blob資料（EIP-4844），即使Layer2狀態遺失，任何人都從主鏈上儲存的資訊中恢復遺失的狀態都可以，解決在以往的鏈下交易方案中存在的資料可用性問題；交易執行和狀態變更在Layer2平台，但是狀態摘要會被發佈到Layer1鏈上，因此Layer1鏈能夠透過某種資料有效性驗證方式進行驗證，透過驗證後Layer2的狀態將在Layer1主鏈上鎖定；其資料有效性驗證方式不同，Rollups可以進一步解讀為Optimistic Rollups和ZK Rollups。
Rollup發展史
側鏈是最早的Layer2方案之一，顧名思義，側鏈是與主鏈（Layer1）掛鉤（peg）的獨立區塊鏈，有自己的共識模型和區塊參數。當我們將一個區塊鏈掛鉤到另一個區塊鏈時，這意味著我們可以在兩個區塊鏈之間移動資產。當想要更快的交易時，可以將資產從主鏈轉移到側鏈並在側鏈上進行交易，完成之後，再將資產轉移回主鏈。
Plasma是2017年由閃電網路的提出者之一的Joseph Poon和以太坊創始人Vitalik Buterin提出的一個Layer2擴展解決方案，是側鏈的變形方案。
等離子鏈是在以太坊外部建構的獨立區塊鏈，也稱為子鏈，就像一棵大樹的支架，以太坊是主幹，也稱為根鏈。每個子鏈都可以在以太坊上配置自訂的智慧合約，可用於處理不同的業務。 Plasma鏈可以在上面重新建構分層子鏈，從而形成樹狀的Plasma網絡。 Plasma的工作原理就是把大的計算任務分割成小任務，把它們放在一起分配給各個子鏈進行處理，處理後的結果結果逐層匯總並提交至上層，從而實現了對大規模複雜度計算的快速和下面的處理。
Plasma 提交Plasma 鏈上發生的交易需要Merkle 根，當用戶嘗試將自己的資產從Plasma 鏈移回根鏈時，用戶可以提交將資產發送給Plasma 的最新交易的Merkle 分支。這開始了一個挑戰期，任何人都可以嘗試證明用戶的Merkle 路徑是欺詐性的。如果Merkle 分支存在欺詐，則可以提交欺詐性證明。由於根區塊鏈僅追蹤Merkle 根，因此，與那些發生在主鏈上的交易相比，它必須處理的數據要少一些，提升了根鏈的擴展性。
Plasma 是一種無監管的以太坊側鏈技術，無監管是指即使Plasma 鏈受到惡意攻擊或驗證者串謀起來作惡，Plasma 鏈上的資產也可以安全地回歸根鏈。這也是Plasma 與需要依靠自己的安全模型對於保護使用者資產的側鏈最大的不同。 Plasma的代表方案是Polygon 1.0（Matic）。
但Plasma 有三個致命的缺點：
Plasma 鏈需要一個運營商將Merkle 根承諾發佈到根鏈，運營商可以執行“數據可用性攻擊”，即拒絕將某些交易發佈到鏈上。在這種情況下，由於缺乏建構模式證明的交易，阻止了用戶資產退出；當用戶嘗試從Plasma 鏈中退出資產時，他們必須提交退出交易請求，然後等待一段時間，即所謂的挑戰期。在挑戰期的任何時候，任何用戶都可以透過提供退出無效的證明來挑戰另一個用戶的退出；用戶必須監控和驗證等離子鏈上的所有交易，以檢測不良節點的行為並及時退出，然而交易驗證成本大幅增加，而這種監控需求將導致等離子鏈增加大量開銷。
正因為Plasma 存在的缺點，從2019 年開始Plasma 陷入了發展瓶頸，此時在ConsenSys 擔任Layer2 可擴展性研究員的John Adler 提出了Optimistic Rollup 方案，由於仍然採用了欺騙性論證，主要解決了Plasma 的數據可用性問題。
另一方面，Vitalik Buterin於2018年提出了零知識證明技術區塊狀態變化的有效性，這也是ZK Rollup的雛形。零知識證明（Zero—Knowledge Proof）最初是由S.Goldwasser、S. Micali 及C.Rackoff 在20世紀80年代初提出的。它指的是證明者能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某些論斷是正確的。既然，證明者向驗證者證明並提出相信自己知道或擁有其中的消息，但證明過程不能向驗證者漏掉任何關於被證明消息的資訊。
zk-SNARK（Zero-Knowledge Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge，零知識簡潔非消耗知識運算）是一類應用廣泛的通用零知識證明方案，透過將任意的計算過程轉化為若干門電路的形式，並利用演示式的一系列數學性質將閘電路轉換為演示式，進而產生非互動式的演示，可實現各類複雜的場景業務的應用。
但zk-SNARK繞不開的一個點就是中心化的可信設置，可信設置是指在受信任的設置中，多方各自生成一個部分密鑰來啟動網絡，然後再尋找該密鑰。創建信任設定的密鑰的隱私資訊並沒有被人們所思考，那麼這些隱私資訊可能會被利用透過虛假驗證來進行偽造交易。
2019年由Aztec研究團隊提出的Plonk演算法則解決了zk-SNARK通用性問題，即可信設置與應用無關，只需要一次可信設置就可以滿足所有應用，而且可信設置任意更新，只要有一個可信參與者，可以確保可信設定的安全性，可以說Plonk演算法的提出大大加速了ZK Rollup的發展。
匯總延續
縱覽Rollup 進一步，下面的競爭非常激烈，目前已經上網主網的Layer2 Rollup 中，仍然是Optimistic Rollups 挑戰大部分TVL，主要是Optimistic Rollups 是最先落地的Rollup 方案，但完全隨著ZK Rollups 技術的成熟，越來越多的人開始注意並參與ZK Rollups 生態。
樂觀匯總
Optimistic Rollups 依賴於一種「樂觀」假設，即大部分交易都是有效的，並允許在發現詐欺行為時進行挑戰和回滾。 Rollup 的Layer1 合約並非直接對Layer2 提交的新狀態進行驗證，而是為每個被提交的新狀態準備一個挑戰期。由於Rollup 將所有的交易資訊提交到主鏈並公開，因此任何人都可以對該狀態更新進行驗證（特別是當該狀態更新涉及到自己的時）錢包時）。如果新的狀態是錯誤的，那麼驗證者可以針對該錯誤狀態產生一份副本證明，並在挑戰中做出努力，從而使該錯誤的狀態更新被無效。
Optimistic Rollups 的代表方案是Arbitrum 和Optimism。
Arbitrum 2021年9月正式啟動主網，是目前TVL最高的Layer2協定。
目前，在Arbitrum生態系統中主要有3個網絡，包括Arbitrum One、Arbitrum Nova、Arbitrum Orbit。
Arbitrum One是目前Arbitrum生態的核心Rollup鏈，其所有交易資料存放在主網以太坊上，我們先前提到的L2、鏈上生態應用多運行在該主網上。 Arbitrum Nova 是基於AnyTrust 技術架構的、專為遊戲、社交應用程式和高吞吐量的DApp 範例而設計的新網路。此網路的交易資料儲存在鏈下，由資料委員會管理DAC 管理。 Arbitrum Orbit 是用於建立Layer 3 網路的開源工具包，支援開發者部署和創建自己的鏈。開發者可以基於Orbit 工具包建立自己的Rollup 和AnyTrust 鏈（Layer 3），由Arbitrum One 或Arbitrum Nova 選擇其中一條鏈作為結算層，來實現擴展。
Optimism 2021年8月上網主網，目前擁有Layer2第二大TVL，上任意。
Optimism 實現了EVM 同等性，以太坊上的Solidity 智能合約可以在Optimism 的Layer2 上運行，且不需要建立額外的功能，開發者可以無縫轉接Optimism 上開發應用。
OP Stack 是Optimism 推出的開源客製化工具包，涵蓋資料可用性層、執行層、結算層、治理層等。開發者可以根據自己的需求場景利用OP Stack 工具包完成一個客製化的Layer2 網路。正因如此，OP Stack 為樂觀引入了超級鏈的概念，超級鏈是指構建在OP Stack 上的一組Layer2區塊鏈（也稱OP 鏈）體系稱。目前，基於OP Stack 建構的Layer 網路已經存在條包含， Base，opBNB，Magi，Worldcoin等重量級項目。
ZK 匯總
ZK Rollups則利用零知識證明技術確保鏈外處理的交易是且正確的，提供更高有效的安全性和效率。 Rollup的Layer2平台在狀態變更後，要為狀態變更的正確性提供一份零知識證明，並隨著狀態變更一起提交到主鏈上。主鏈上的合約會證明進行驗證狀態狀態更新的正確性。相較於Optimistic Rollup 方案，ZK Rollup 需要設定外部的挑戰期來確定最終的Layer2 交易，同時也不需要依賴錯誤的狀態更新將在挑戰中重建的假設。
代表方案為zkSync、 StarkNet、Polygon zkEVM 和Scroll。
ZK Rollups 是第一個主網上線的zkEVM項目，以零知識證明為基礎，允許交易在未透露基礎數據的情況下被驗證。 zkSync 的主要特點之一是使用「樂觀」轉賬，允許用戶傳輸和接收交易，而等待它們在以太坊區塊鏈上被確認。這大大減少了一些交易時間，並允許更高的交易吞吐量。除了使用零知識證明和樂觀的成長，zkSync 還利用其他技術來提高可擴展性和安全性。這些技術包括簽名聚合，允許將多個簽名壓縮成一個簽名，以及多鏈支持，這有助於zkSync與其他區塊鏈網路互動。
StarkNet使用了zkSTARK的擴容解決方案，這是一個零知識證明系統，允許使用者證明計算的正確性而不暴露底層資料。這使得網路上的隱私和安全性更高，並且能夠在不需要信任第一三方的情況下進行複雜的計算。 StarkNet還利用了分片技術，這種技術允許將區塊鏈分割成多個較小的鏈，或稱為“分片”，可以進行任務處理。這允許更大的吞吐量和更快的交易時間，因為每個“分片”都可以獨立於其他“分片”進行處理。
Polygon 2.0推出了其ZK Rollups技術，稱為Polygon zkEVM。這個技術透過使用零知識證明來解決以太坊區塊鏈的可擴展性問題，從而使以太坊網路上的交易更快、更便宜，而這種實現是在字節碼級別而不是語言層面上兼容的。
Scroll 是一個與EVM 相容的ZK Rollups，可以支援與以太坊相同的程式語言和智慧合約，讓開發人員可以輕鬆中斷修改他們現有的應用程式遷移到Rollup 網絡，而不需要對他們的程式碼進行任何操作。
總結
區塊鏈由於自身的效能問題導致其難以滿足需求，基於樂觀和零知識的擴容方案將有望解決區塊鏈效能瓶頸，在不犧牲去中心化和安全性的前提下提高交易速度和交易吞吐Rollups透過將計算轉移到鏈下提高區塊鏈的吞吐量，即將大量交易分配到一個Rollup 區塊內，並在鏈下為該區塊生成一個有效證明，Layer1 上的智能合約只需驗證該證明可以直接應用新的狀態，可以實現遠端的Gas和更高的鏈上安全性。
短期內，Optimistic Rollups 很可能在通用的EVM 計算中勝出，而ZK Rollups 則可能在簡單的支付、交易和其他特定應用場景中勝出，主要還是Zk Rollups 雖然比Optimistic Rollups 更快、更高效，但並沒有為現有的智能合約提供遷移到Layer2 的簡單方法。
但由於近年來區塊鏈、隱私計算等新興技術應用的發展，零知識證明技術成為了構建信任的重要技術，總計長期來看，隨著ZK-SNARK 技術的改進，ZK Rollups 將在所有場景中勝出，成為以太坊擴容方案的最終答案。
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