📜 [專欄新文章] 從 Rollups 來聊聊以太坊 Layer2 的演進

✍️ Kimi Wu

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Photo by Clark Van Der Beken on Unsplash

去年 Defi summer 的熱潮後，以太上 Defi 應用呈現爆炸性成長，造就高昂的交易手續費，為了有更快的交易速度及可負擔的交易費用，人們對側鏈、Layer2 的需求更加強烈。Rollups 是 Layer2 的一種技術，在今年相當熱門，幾個耕耘已久的專案 zkSync、Optimism、Arbitrum 等也開始廣為人知。今天想來聊聊以太坊上 Layer2 技術的演進。

State Channel

state channel 最一開始是建立在 Bitcoin 上，最廣為人知的就是 lightning network。簡單來說，就是兩方在私下建立一條可以互相轉帳的通道，轉帳完畢後把通道關閉，接著將交易後的狀態更新到鏈上。若交易一筆後即關閉通道，那交易成本就跟在鏈上一樣，所以在實務上，通道一直開著（或是一段時間），交易數筆、數百筆後再上鏈更新狀態，藉此平均每筆的交易手續費就大幅降低。也因為只需通道雙方驗證交易內容，交易速度能大幅提升，讓小額支付能夠實現，就不需等10分鐘（Bitcoin）後交易才會被打包，甚至要等6個區塊的時間。而最早在以太上的 state channel 是 Raiden。

對於 Raiden 技術有興趣的可以參考這篇文章。

Plasma

Plasma 於2017年8月由 V 跟 Joseph Poon （Lightning Network的創始人之一）所提出，概念上是可以有鏈中鏈中鏈（就是Layer2 → Layer3 → … LayerN)，藉此可達到百萬級甚至更高的交易量，不過概念太美好，沒人知道怎麼實作。

隔年1月 V 提出了 Plasma 的第一個版本 Plasma MVP，是以 UTXOs 模型的設計，接著3月提出了第二個版本 Plasma Cash，同年（2018）Plasma 的提案數呈現著爆炸性的成長（絕大部分都是基於 Plasma MVP 跟 Plasma Cash 做改進）（如下圖），強大的社群力量，讓大部分關鍵的問題在同年年底都找到了解答。也為之後的 Optimistic Rollup 打下了基礎。

而較著名的開發團隊，除了 EF 出來的 Plasma Group 外，還有 OmiseGo 跟 Matic（現在的 Polygon）。

對 Plasma 技術有興趣的，可以參考這篇、這篇跟這篇

https://ethresear.ch/t/plasma-world-map-the-hitchhiker-s-guide-to-the-plasma/4333

Plasma 看似一切美好，但因為資料的可取得性（data availability）的問題，使得在使用者體驗上有點糟糕。

Plasma 的所有交易資料都在 Plasma 鏈上，而 Plasma 鏈的礦工（即operator）只需繳交 Merkle root 到 L1 的合約作公證就好。因此若 operator 作惡，在 Plasma 鏈上交易者，就需有能力證明 operator 作惡。

在 Plasma 設計中有”所有者”的概念（UTXOs 的設計中，收款者需要到拿送款者的轉出證明，才能動用這筆款項，轉出證明只有收款人會擁有），如果該所有者不關心自己的資產，就可能造成資產無效的結果（account-based 的設計，若你不理你的帳號，別人一樣可以轉帳到你的戶頭中）。因此每個交易者須有能力自行提出證明，無法委託第三方。

而要證明這件事，用戶需要把 Plasma 鏈上的交易都下載下來，才能證明 operator 做了一件不合法的行為，也才能產生詐欺證明（fraud proof）到 L1 上的合約來證明 operator 作惡。而這個送出的詐欺證明，必需要被確保可以安全地送到 L1 上的合約被執行，因此需要有一段挑戰期，讓使用者可以下載及驗證資料（或是網路塞車造成詐欺證明無法被合約執行）。

題外話，Eth 2.0 light client利用了 ECC （Error Correction Code）的原理，所以只需要部分資料就可以驗證正確性。

Rollups

同年（2018) 9月，在支線專注隱私性的開發的 Barry Whitehat 提出了 zk Rollup，隨後 V 也在以太坊研究員論壇發了一篇文章，解釋 zk Rollup 是如何運作的，並以On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validation 為標題，也因此開啟了 Layer2 新的一頁。隔年（2019）三月，Matter Labs 獲得了 EF 的 grant 將 zk Rollup 產品化，也就是大家所知的 zkSync。

所謂的 rollups，一樣是在 Layer2 上做交易，不同的是 L1 上會記錄每一筆的交易紀錄。什麼！如果每一筆交易紀錄都上鏈，跟一般 L1 交易有什麼不同？想了解細節可以看這篇。簡單來說，在合約裡用了一顆樹來記錄每個帳號的狀態，樹的第幾片葉子（index）代表一個帳號地址，因此帳號就從20 bytes 的地址變成了幾個 bytes 的 index。以 ZK Rollups 來說，交易都是在 Layer2 被驗證過的，所以簽章資訊（65 bytes）也不用上鏈，Optimistic Rollups 會利用簽章聚合的技術，數百個簽章最終會被聚合成一個。因此，交易資料從原本100多 bytes 變成了10幾個 bytes。因為交易紀錄都 ”放上鏈“，資料可取得性也就不是問題了。

”放上鏈”指的是利用 calldata 的方式放在鏈上，並非一般認知的寫進合約裡。非０值的 calldata 每 byte 需要耗費 16 gas，而合約寫進一個 32bytes 的資料需要花 20,000（新增） or 5,000（修改） gas，相當於每個 byte 的成本為625 or 156 gas，約為 calldata 的 40 or 10倍。

同年（2019）六月 John Adler 在以太坊研究者論壇提出了Minimal Viable Merged Consensus，也就是大家熟知的 Optimistic Rollups 的原型，接著 Plasma Group 基於John Adler 的提案，提出了 OVM，從此 Layer2 上除了單純的轉帳外，還可以執行合約，也奠定了 Rollups 在 Layer2 的地位，開啟 rollups 的新世代。

StarkWare 團隊建立了可評估的數學模型，驗證了 calldata 的成本從64 gas 降到 16 gas並不會對鏈的安全造成危害，提出了 EIP-2028（在 Istanbul 上線），也是推動 rollups 可行性的重要一環。

Validity Proof v.s. Fraud Proof

Optimistic Rollups 跟 ZK Rollups 最近有很多文章在介紹跟比較，這邊就不贅述。這邊想聊的是資料的有效性，這篇文章解釋地很好，這裏擷取部分敘述。ZK Rollups 保證了上鏈的資料都是正確的，資料必須被驗證過是合法的（例如沒有被雙花）才會改變使用者的狀態（例如 balance），跟現在各個主鏈的設計是一樣的，稱作有效性證明（Validity Proof），這種設計假設大家都是壞人，要通過驗證才會相信你，確認資料是百分之百的正確聽起來很理所當然，但是背後要維護資料的正確性，需要相當高的成本。

Optimistic Rollups 則是相反，假設大家都是好人，送上鏈的交易都接受，當發現有人作弊，再靠檢舉機制來更正狀態，這稱作詐欺證明（Fraud Proof）。這樣的機制系統維護成本較低（L1 上不需要驗證每一筆資料的正確性），但需要多一個爪耙子的角色來維護系統的安全，也就多一個系統潛在的風險。而要確保爪耙子有足過的時間反應，就不能讓使用者即時地離開系統，這是 Optimistic Rollups 最被詬病的一點，提款要等七天（現在有第三方流動性提供者，使用者可以請第三方流動性提供者預付使用者的提款。使用者支付手續費來換取快速提款的服務，而流動性提供者則承擔資產鎖住七天的風險來賺取手續費。不過在 protocol 層以安全性為主要考量，還是需要較長的挑戰期）。

ZK Rollups 的實作上，也有數個小時的提款期，不過那是基於成本考量，而非安全性。

此外對照於 Plasma， rollups 的設計是 account-based，交易也都公開在鏈上，每個人都可以參與監督及提出詐欺證明。

ZK Rollups v.s. Optimistic Rollups

ZK Rollups 從資料的有效性來看勝過 Optimistic Rollups，離開系統時不需要額外的挑戰期，能即時提款離開系統，不過付出的代價就是交易延遲上鏈。因為產生 zkp 證明需要龐大的運算量，產生一次證明，大約需要10 ~ 20分鐘，所以說在 Layer2 上做一筆交易，10分鐘後你的交易才是有 L1 的安全性。

為了能盡早得知發出的交易是否完成，實作上會把完成的交易先丟上鏈，等zkp 證明產生後再上鏈驗證其正確性，若驗證成功，則交易視同有 L1 的安全性。

但是在通用性上，Optimistic Rollups 沒有複雜的 zkp 電路的限制，對於合約的支援度上更好，而且 zkp（SNAKRKs）在使用前需要一個盛大的啟用典禮（trusted setup ceremony）。

zkSync

zkSync 1.0 在去年（2020） 六月上線，因為不能執行合約，使用的專案並不多。同年的年初，Matter Labs 已經默默在開發一種新語言 Zinc，是可以在 zkSync 上開發合約的語言。年底，與 Defi 專案 Curve 合作，發表了在 zkSync上可以跑基本版的 Curve（兩幣交換）。今年（2021）三月，Matter Labs 發表了令人振奮的消息，zkSync 支援 EVM！只需要部分修改現有的合約就可以部署到 zkSync 上，測試網今年五月已經上線，主網預計8月上線。不過目前測試網上的交易量非常地少，相信在初期還是有相當多問題或是困難，以短期來看，Optimistic Rollups 陣營的速度跟支援度略勝一籌，不過個人相信長期會是 ZK Rollups 的世代（私心認為 lol），但最終還是由生態系的大小來決定贏家。

在 ZK 這個陣線上有延伸出不同的設計，為了加快速度及減少上鏈成本，StarkWare 提出了 Validium 的概念，資料不上鏈但使用 zkp 確保資料的正確性，像是 StarkWare 的 Volition 跟 Matter Labs 的 zkPorter 都是同樣概念的實作，不過不是本篇的重點，就不多解釋。

ETH 2

V在2020年10月提出了 A Rollup Centric Ethereum，rollup 也因此進到 Eth2 的規劃中。Eth2 的設計中 shard chain 是資料層，而在 phase 2 後才有執行層（也就是才能執行合約），V 的提案 除了讓 shard chain 當資料層外，也會內建 rollups 的邏輯。至於會採用哪種 rollups 目前沒看到結論，不過 V 本人是傾向 ZK Rollups。如果成真，那未來數百個 rollups 之間的溝通，將會是另一個挑戰 。

專案比較

ZK Rollups 有目前這幾個較知名的專案： zkSync（Matter Labs）、 Hermez（Iden3）、 Loopring（Loopring）、 StarkNet（StarkWare）跟 Aztec（Aztec）。

Optimistic Rollups 目前幾個專案 Optimism（Optimisim，前Plasma Group 成員）、 Arbitrum（Offchain Labs）、 Fuel（Fuel）。

這是目前幾大 rollups 的生態系（今年3月時的統計），比較值得一提的是，Uniswap 團隊因為社群的投票，也將會在 Arbitrum 上面部署，對於整個 Arbitrum 的生態，相信有很大的影響。

https://www.chainnews.com/articles/872971457746.htm

感謝 NIC Lin 及 Chih-Cheng Liang 的審查跟建議。若有錯誤或不同觀點，歡迎指教。

從 Rollups 來聊聊以太坊 Layer2 的演進 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

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「你會遊戲成癮或是追劇成癮嗎？」
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我是一個非常愛打遊戲的人，只要開始玩一個新的遊戲，就會玩到最頂尖才肯罷休。
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以前打過幾款線上遊戲有參加過比賽，也會玩手遊賣帳號賺錢，只要是遊戲就會想要玩到最好，因為我超級不服輸。
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但是，這樣好鬥的個性，也讓我浪費了許多時間在遊戲上，甚至是傷害身體。
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高中以前，因為住家裡，有家人會管制我的遊戲時間，所以一直都很克制。
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但大學以後，我一個人自由自在，徹底爆發我的玩心。
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比如說一整個假日都在宿舍瘋狂的打LOL、躺在床上打一整天的傳說、半夜不睡覺玩遊戲到天亮再去上早八等等。
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我明知道這樣對身體不好、也浪費許多時間，但我還是克制不了自己的上癮。
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我試過了許多方法來戒掉遊戲，比如說把遊戲刪掉，讓自己每次要玩遊戲都要等很久重新下載，但隔一週我還是載回來繼續玩。
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我也試過番茄鐘、Forest 等時間管理工具，強迫自己先認真 40 分鐘才能玩一場遊戲，但也無法維持太久。
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最後我找到最適合我的方式，就是「玩到爆、玩到膩」，我完全放縱自己沒日沒夜的打遊戲。
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打到一個時數之後，就會覺得好累好煩好厭倦、肚子好餓、頭好痛，躺在床上我的身體就會告訴我不想再打遊戲了。
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椅子: Corsair T2 Road Warrior
綠幕: Elgato
擷取卡: Elgato
實況控制器: Elgato

好久不見～
這次沒有拍到煎蛋，拍了一堆植物......
而且話有夠多，希望大家還可以適應😂
停更了一年多
最近終於感覺有力量繼續拍了
我真真沒有想到今年還能收到希望我繼續拍影片的訊息
好感倫～～～～ 這真的給了我很多信心
謝謝你們🖤



有鑒於我悠悠島的介紹講得有點爛
口條還有待訓練
所以我決定直接複製ig貼文lol
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曾經聽人說過：如果你覺得現在待的世界讓你很沮喪、覺得喘不過氣、甚至失去生命力量的話，也許你待的地方本來就不是你的世界，或許你應該試著去創造你的世界。
從in house設計到接案，我足夠幸運遇到很多貴人，雖不能說非常順利但也不算太差，只是一直以來總有種不夠滿足、不夠盡興的感覺。左右搖擺到了去年年底，終於開竅想通自己真的很喜歡、做起來很滿足卻一直沒勇氣認真做大的事。

開竅以後我就回不去了，想了一百個不要做的理由都不敵一個可是我喜歡，不逃了，反正我還年輕；於是u_u island，也叫悠悠島，就這樣生/造出來了。u_u 就是閉上眼睛，關掉外在世界的聲音，放下社會的別人的期待，聽從心裡的聲音，進到自己的fantasy land。在心中的理想世界裡，只要你願意，什麼美夢都值得做，什麼幻想都可能變成真實。

或許大家還是不知道在幹麻，想說不就一個網站?!
可能說是建立品牌會比較容易理解，但在我心中它就是我想要創造的世界o(^_^)o～
資金有限，一步步慢慢來。雖然現在還很不完整，也不知道未來會走向哪，但我想只要我繼續做著想做的事情、讓自己快樂的事情，或許有一天就會有能力讓別人也快樂，讓感到痛苦的人也出發去尋找自己的世界。

如同我寫的那些字，其實我一直都習慣用書寫來發掘自己了解自己，這是我向內思考、療癒自己的過程，也是我創作靈感的主要來源。而畫畫就是對外的輸出，對世界的發聲。以前常不敢把心中所想原原本本的說出來，覺得自己太敏感纖細惹人厭，一點也不chill，總是包裝自己的想法，用比較曖昧的言語去說，又想被看見、又害怕被看見，不倫不類。

在尋找不見很久的自己的過程中，有一天傾訴的慾望爆表，決定不藏了，不chill就不chill吧管他的！愛誰誰去啦～才開始把現在或過去寫的部分文字放上來，不再在意別人是否覺得我有事嗎想太多，不再在意別人是否覺得我多愁善感無病伸吟。

在這樣有點任性、只是想衝破自己心中枷鎖開頭下，漸漸發現我為自己寫的文字，好像也有安慰到別人的可能，這個發現很意外的讓我覺得開心而且滿足，一個你快樂所以我快樂的感覺，也讓我認識到我的世界和存在本身就有價值，明白塔羅牌老是說我有大愛是什麼意思。(但我很自私ㄚ絕對不是什麼好人聖母的料各位不要誤會)
可即使我還沒有能力真的去療癒別人(那些私訊我的朋友們抱歉了，我還沒有足夠能量去傾聽你們的煩惱和傷痛)，我能做的只是在療癒自己的同時，分享這些過程，讓你們看見我的脆弱與掙扎，或許能讓一些受傷的靈魂好過一點。(突然變好靈性)

寫到這裡好像又說太多了，有點不知道怎麼收尾，決定有些話以後慢慢說，有些事以後慢慢做，就讓宇宙自己帶領我們一起飛向未知的遠方(?)
2021.2.9


Anyway謝謝大家u_u～～


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