ROLL:各 Rollup 解決方案的權衡研究

隨著以太坊生態的發展拉動人們對區塊空間的需求增長，以太坊基礎層上的交易變得極其昂貴。然而，區塊空間供應量仍保持不變。與DeFi應用交互需要支付價值數百美元的gas費，讓許多終端用戶望而卻步。Rollup旨在用戶的交易轉移到成本較低的Layer2上執行，然后再將這些L2交易的證明批量打包到一個L1交易中并提交到Layer1上進行結算，從而大幅減少對區塊空間的占用，緩解對Layer1的需求壓力。

Rollup分為多種類型，在吞吐量、延遲、安全性、通用性和運行成本上有著不同的權衡關系。本文圍繞這些權衡關系制定了一個Rollup分析框架，并分析了這個框架為何適用于不同的Rollup實現。我們希望這個框架能為項目方按需選擇Rollup方案提供基本參考。

介紹

自以太坊誕生以來，其吞吐量限制就已是眾所周知的問題。采用權益證明和分片機制的ETH2.0一直被視為可擴展性問題的解決方案。雖然ETH2.0在2020年12月就啟動Phase0并上線信標鏈，但是在Phase2啟動之前還無法有效緩解可擴展性和吞吐量問題。

與此同時，Rollup實際上已經成為緩解可擴展性問題的短期解決方案。在最近的一篇文章中，Vitalik提出了一個基于Rollup的以太坊路線圖，稱“以太坊生態有可能在短期和中期完全依賴Rollup方案來實現可擴展性”，很多團隊已經開始努力實現該路線圖。

Rollup在2020年取得了巨大發展：FuelLabs和Optimistic在主網發布了第一版OptimisticRollup；Loopring?的ZK-Rollup的總鎖倉量已超過1億美元；Starkware推出了Cairo工具鏈，方便開發者使用零知識證明技術。我們看到rollup技術有了很多突破，包括Aztec和ZkSync通過改進PLONK引入遞歸計算能力。在2021年，我們還將看到更多進展。

數據：Blend上線三天以來已促成了超過16000 ETH的貸款:5月4日消息，Dune Analytics數據顯示，自Blur推出NFT借貸市場Blend三天以來，該市場已促成了超過16000 ETH的貸款。[2023/5/5 14:43:32]

在以太坊的基礎上構建一個單獨的層非常復雜，而且分析現有的Rollup實現并非易事。Rollup團隊都在大力宣傳其解決方案在理論上的最佳性能和功能，但是其風險和權衡的相關信息卻鮮為人知。讓我們來深入研究如何分析Rollup的權衡關系和風險，以及現有實現與這些風險模型的相符程度。

分析框架

我們定義并解釋了Rollup的主要考量因素——安全性、通用性、成本、延遲、吞吐量、資本要求和用戶體驗——并在此基礎上構建了權衡關系的分析模型。我們可以用這些特征來評價現有實現，這樣不僅可以從微觀上了解每個Rollup的風險和權衡關系，還能從宏觀上把握Rollup的總體情況。

Rollup的衡量標準：

安全性

Rollup的安全性依托于底層Layer1區塊鏈。但是，一些Rollup方案的某些假設及其構建方式也關系到安全性。

1.誠實暸望塔假設

該假設認為至少有一個誠實的“暸望塔”可以在挑戰期內成功將欺詐證明提交給Layer1智能合約。這種假設引入了安全性和延遲之間的權衡，因為挑戰期越長，誠實的暸望塔提交欺詐證明的可能性就越高；反之，挑戰期越短，這一可能性就越低。

2.批量退出假設

該假設認為所有Layer2用戶都能在批量退出期內成功執行退出事務。該假設引入了資本效率的權衡，因為運營者的資金在批量退出期內處于鎖定狀態。

鮑威爾：如果不解決孤立的銀行問題，可能會威脅整個銀行系統:金色財經報道，美聯儲主席鮑威爾表示，如果不解決孤立的銀行問題，可能會威脅整個銀行系統。所有儲戶的儲蓄都是安全的。我們的貸款計劃有效地滿足了銀行的需求，也顯示出充足的流動性。[2023/3/23 13:20:48]

3.起步設置

每個ZK-Rollup方案都使用零知識證明協議來創建有效性證明。零知識證明系統將一個證明需要檢查的邏輯和關系封裝成一個能滿足所有約束條件的電路。零知識證明協議要求在證明器和驗證器之間進行名為“起步設置”的預定義配置。

Zk-Rollup主要有三類設置：可信設置、可更新設置和透明設置。

可信設置：在該設置下，gas成本較低，最大吞吐量較高。但是，每個電路只支持某些固定功能。另外，每次電路升級時，都需要完成可信設置流程。

可更新設置：在該設置下，gas成本較高，最大吞吐量較低。但是，該設置最主要的優點是，無需修改電路即可引入自定義智能合約，這都得益于遞歸性。

透明設置：在該設置下，當Layer2區塊被填滿時，gas成本很低，但是在類似空塊這種非理想情況下，gas成本會變得異常高。

通用性

1.完全兼容EVM

完全兼容EVM指的是Layer2系統完全兼容以太坊主網上已有的智能合約。

2.自定義智能合約

Layer2客戶端可以自定義并引入有限的智能合約。Layer2用戶和合作伙伴可以通過各種工具以zk-SNARK?電路的形式引入其智能合約，不過電路會帶來局限性。

3.固定功能

標記為Amber的地址將1萬枚ETH轉至Binance:2月1日消息，據Lookonchain監控，2小時前，標記為Amber的地址將1萬枚ETH（約合1580萬美元）轉至Binance。[2023/2/1 11:40:36]

可以加入一些dApp或智能合約，但是必須通過系統升級來實現。

運營者的成本

1.gas成本

最優gas成本：取決于calldata成本和固定成本。

次優gas成本：取決于最優gas成本、固定成本和實現最優gas成本的概率。

固定成本：包括Layer2區塊頭、Layer2區塊根的存儲量和零知識證明的成本。當需求較低時，固定成本將占交易成本的絕大部分。

2.計算成本

證明器時間：在Zk-rollup中，證明器需要大量時間來生成證明。證明過程中需要進行大量計算，來驗證證明中的數百萬個限制條件。一般而言，零知識證明的證明器時間取決于電路大小和證明過程中使用的硬件的容量。如果是Plonk，證明器時間可能是2至14分鐘；如果是Loopringv3.0，證明器時間可能是7至10分鐘；如果是Stark，證明器時間可能是3至5分鐘。這是Zk-rollup的硬終局性延遲的主要決定因素。

證明器成本：證明器生成證明所消耗的資源，取決于證明器時間和實證吞吐量。

終局性延遲

硬終局性：敲定Layer2區塊所花費的時間。對OptimisticRollup來說，這個時間就是挑戰期的時長；對Zk-rollup來說則是證明器時間。

軟終局性：將Layer2區塊提交到Layer1上所花費的時間。

過去24小時超過1.17億美元頭寸被清算:金色財經報道，數據顯示，過去24小時超過1.17億美元頭寸被清算，其中比特幣和以太坊占據了大部分頭寸，超過92%的清算都是多頭頭寸清算。在過去24小時內，ETH 的清算金額超過4500萬美元，而 BTC 的清算金額約為 3300萬美元，再此之后，狗狗幣清算330萬美元，萊特幣清算300 萬美元是下一個最大的清算對象。[2022/12/16 21:49:19]

取款時間：一些快速交易方案需要先提交Layer2區塊，再作進一步處理。

吞吐量

理論最大吞吐量：基于鏈上操作的gas成本和以太坊上每個區塊的最大gas。

Zk-rollup的實證吞吐量：

1）實證吞吐量取決于證明器時間。

2）證明成本、實證吞吐量和資本要求之間存在權衡關系。更高的吞吐量需要更高的證明成本和資本要求。

用戶體驗

使用體驗是否與使用以太坊相仿。

資本

資本要求：運營者存儲在智能合約內用來保障系統安全性的資金。

資本效率：流動性提供者/運營者在x時間內鎖定在智能合約里的資金。

所有使用欺詐證明的Rollup必須接受活性假設。該假設引入了安全性和延遲的權衡。Arbitrum的測試網案例將挑戰期設為30分鐘，非常短而且實際上并不安全。這意味著，惡意運營者可以對以太坊發起30分鐘的網絡擁堵攻擊，然后竊取Layer1上的Rollup智能合約中的所有資金。

每當Loopring改變其功能或數據結構時都需要新的設置。

就每30萬筆交易生成一個證明的電路而言，Stark的驗證者需要500萬gas。但是，deversiFi使用的Stark電路是每150筆交易生成一個證明，需要超過200萬gas。。

Coinbase將開始批量處理所有ETH和ERC-20交易:7月15日消息，Coinbase宣布對鏈上發送的交易批量處理進行一些更新，將開始批量處理所有ETH和ERC-20交易。工作原理是將許多客戶的發送請求打包成單筆交易，而不是為每個請求創建一筆新交易，這有利于減少網絡負載。

Coinbase于2020年開始批量發送BTC，并表示ETH/ERC-20和BTC批量處理不會改變產品體驗、其他Coinbase費用或其他貨幣的網絡費用。[2022/7/15 2:16:29]

常規Plonk的證明器時間是2至14分鐘。如果是遞歸Plonk，證明器時間會翻一番，但是生成一個證明需要5至10倍數量的證明器。如果是Loopring中使用的Groth16，證明器時間約為7分鐘。

最優gas成本還取決于Rollup的功能，因此它并不一定能正確反映Rollup的費用。

在1.0版本中，Loopring需要更多時間來收集足夠多的交易打包成一個區塊，因為存款、取款和結算都是相互獨立的。

StarkWare的一個解決方案不提供鏈上數據，而是引入數據可得性委員會。數據可得性委員會的確認會上鏈。

為了解決證明器成本問題，Zksync開發了新的硬件。為了提高最大吞吐量，Zksync和Aztec改進了Plonk中的遞歸電路。

StarkWare專門為證明器打造了硬件，同時也致力于開發基于Stark的解決方案。

Plonk的tps為300，遞歸Plonk的tps為800至3000。

Zk-rollup的實證吞吐量取決于證明器時間。例如，假設有50個證明器：在Plonk中，證明器時間約為720秒，因此實證吞吐量不可能超過50x300/720~20tps。在Loopring中，證明器時間為420秒，因此實證吞吐量為50x2048/420=244tps。

在Optimism的首個Rollup主網版本中，每筆Layer2交易需要消耗2.1萬gas。但是，該團隊承諾會提供一個優化版本，將gas成本降至5000。

Aztec提供的隱私交易需要更多調用數據。

各Rollup方案已公開的理論性能

StarkWare

各Rollup解決方案的權衡研究判斷標準已公開最優吞吐量3000tps單個證明所能容納的交易筆數300.000證明器時間3-5分鐘未公開固定成本200-500萬gas延遲6-12小時備注由于固定成本很高，Stark的Rollup方案需要收集到足夠多交易才會對其進行批處理并生成證明。因此，在StarkEx的早期階段，延遲主要取決于交易收集時間。判斷標準已公開最優吞吐量Plonk的tps是300；遞歸Plonk的tps是800至3000。單個證明所能容納的交易筆數Plonk是大約每100筆交易生成一個證明；遞歸Plonk是每315筆交易生成一個證明。未公開固定成本Plonk的gas成本約為50萬；遞歸Plonk的gas成本約為90萬。證明器時間Plonk的證明器時間是4至12分鐘。證明器成本無法通過鏈上數據推出。實證吞吐量未公開。Loopring

判斷標準已公開最優吞吐量2150tps單個證明所能容納的交易筆數2048證明器時間7分鐘固定成本30萬gas未公開實證吞吐量未公開可信設置新版本缺省了一次公開的儀式驗證者成本無法通過鏈上數據推出備注使用zk-SNARK技術就意味著接受可信起步設置假設，即，該設置中的所有參數都應該永久隱藏。如果我們通過流程生成可信起步設置，則只要流程的至少一個參與者完全銷毀了其toxicwaste，這個假設就不會被打破。Arbitrum

判斷標準已公開最優gas成本～2000gas最優吞吐量390tps挑戰期在測試網上是30分鐘未公開受保護的資金上限未正式公布備注在OptimisticRollup/Arbitrum方案中，如果Layer2運營者對以太坊發起網絡擁堵攻擊，就可以盜走資金。因此，該Rollup方案保護的資金上限不能超過該攻擊的成本。挑戰期越長，攻擊成本越高。Optimism

判斷標準未公開最優gas成本～5000-21000gas最優吞吐量50-200tps挑戰期未公布受保護的資金上限未正式公布備注Optimism沒有提供任何關于其Rollup方案的具體分析。Fuel

判斷標準已公開最優gas成本～2000gas最優吞吐量500tps挑戰期2周未公開受保護的資金上限未正式公布備注主網Rollup瀏覽器停在第三個Layer2區塊上。該版本暫無后續信息。挑戰

用戶采用率：對于像Rollup這樣未經過測試和驗證的新技術，用戶通常持有謹慎態度。不明確的權衡關系和復雜性限制了主流采用。

安全性：零知識證明協議的選擇和挑戰期等因素都對Rollup方案的安全性有著極大影響。分析和理解這些選擇并非易事。雖然沒有嵌入零知識證明電路所帶來的復雜性，但是對常規的智能合約進行審計本身就很有挑戰性。對Zk-rollup方案進行審計是很艱巨的任務，只有非常優秀的安全專家才能勝任。

資金要求：在早期階段，Rollup的成本很高，采用率卻一直很低。為一小部分用戶創建并定期運行Rollup需要投入大量資金。在某些情況下，資金要求直接影響Layer2系統的安全性。因此，為了保障Rollup的健康運行，建立一個經濟系統是必不可少的。

總結

Rollup技術是以太坊可擴展性問題的可行解決方案之一。目前有多種實現并部署Rollup的方法。鑒于該技術的復雜性和多種權衡關系，我們需要了解相關風險。對于那些部署Rollup的團隊和在Rollup上部署dApp的團隊來說，安全性、可用性、成本和吞吐量都是在設計解決方案時需要考慮的因素。

在這個大背景下，KyberNetwork認識到為用戶提供經濟快捷的交易方式的重要性。因此，我們投入了大量資源來研究并構建Rollup解決方案，以便更好地服務于我們的未來計劃。我們將適時公布更加詳細的信息，希望本文能助你理解并評估Rollup技術。

原文鏈接:https://blog.kyber.network/research-trade-offs-in-rollup-solutions-a1084d2b444

作者:TrongNguyen&LoiLuu

翻譯&校對:閔敏&阿劍

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