📜 [專欄新文章] ZK Rollup一開始提出來的時候，是被定義為layer 2的解決方案，年初的時候一度以Plasma…
✍️ Kimi Wu
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ZK Rollup & Optimistic Rollup

ZK Rollup不是一個新的提案，大約在一年前被Barry Whitehat所提出，同時間Vitalik在以太坊研究員的論壇有一篇比較完整的文章解釋，現在由Matter Lab在開發。研究完zk-SNARKs之後，一直沒空來看，直到最近才有機會來深入瞭解。除了ZK Rollup，也會簡單帶一下前陣子在Plasma Group所提出的 Optimistic Rollup。

ZK Rollup一開始提出來的時候，是被定義為layer 2的解決方案，年初的時候一度以Plasma Ignis這個名稱作為發表。應該是因為去年Plasma很紅，一直不斷有新的提案跟進展，加上這當時也被定義為layer 2的解決方案，這些種種原因，開發者就冠上了Plasma的名稱，不過因為這項技術跟Plasma的精神完全不一樣，被社群抗議，後來就恢復到Rollup這個名稱（開發者的聲明），所以搜尋 ‘Plasma Ignis’會找不到什麼東西。到最近，Rollup被更名為semi-layer 2的解決方案，就是有一點layer 2但又沒這麼layer 2… XD

簡單一句話解釋ZK Rollup就是，資料放在鏈上的layer 2解決方案。在瞭解ZK Rollup之前，先來解釋原本layer 2有什麼問題。以Plasma為例，Plasma鏈只把Plasma區塊的hash放上Ethereum主鏈上做公正（欲瞭解Plasma可以參考這裡），也就是在鏈下交易了數百或數千筆的交易，最後上鏈只有幾十個bytes，這是鏈下交易的精神，但也是設計上最麻煩的地方 — 資料的可取得性。

就是當有人要離開這個鏈時，需要一個額外的遊戲規則，在Plasma叫做挑戰期（因為鏈上沒有資料，需要側鏈參與者的提供證據），這衍生了有資料才能挑戰，所以大家都要存一定數量的資料，相較於跟主鏈的互動，只需要裝一個錢包，並不需要下載區塊資料，使用者體驗上差異很大。挑戰期的另一個問題是，使用者需要保持上線狀態，不然錯過挑戰期，就代表默認了交易（因為是採用詐欺證明並非是有效性證明）。簡單來說，因為資料的可取得性問題，衍生了

1.使用者需要常在線上2. 需下載部分資料

而造成使用者體驗很糟（當然現在的Plasma設計已經改進了不少）

如何資料放在鏈上，又不會造成資料過大呢？

首先，先介紹整體架構。跟Plasma一樣，有一個智能合約做擔保，有中繼者(relayer)幫忙送交易到智能合約（在Plasma叫operator），中繼者除了送交易外，還需要產生SNARK證明，一起送上鏈做驗證。

智能合約的部分，可以想像跟ERC20一樣，在合約裡記每個參與者的帳，差別在於，標準的ERC20交易是由Ethereum這系統做驗證，也因此不能合併（因為這就是Ethereum的標準交易），而Rollup中，是把好幾筆交易包成一個標準交易，對Ethereum這個系統，就是一個交易，而驗證交易的有效性則由智能合約做驗證。

實際在智能合約裡，用兩個merkle tree做紀錄，一棵樹是紀錄地址，所以只需要樹的索引值就可以代表一個位址（未註冊的索引值內容為0），因此位址的資料量就從原本的20 bytes減少到只有3 bytes，另一棵樹則記錄balance跟nonce。

Merkle Tree of Addresses

這是資料格式（這是最初的提案，後來的實作交易量更小），

因為用索引值當地址的代表，所以只需要3 bytes（2²⁴個位址），Value的部分是以10^-6當作基底，這樣只需要15 bytes就可以代表一筆交易，而儲存這樣一筆交易大約只需要 892 gas（雖然Value是6 bytes，但是文章中的假設大部分的交易只會使用到4 bytes，所以算法是13 bytes * 68 + 2 bytes * 4 = 892），而一般ether的轉移需要21K gas，因此交易速度能提升（所以Vitalik的文章標題是”On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validation”）。

https://vitalik.ca/general/2019/08/28/hybrid_layer_2.html

為什麼交易速度能提升？也順便來瞭解一下交易速度

現今以太坊每個區塊的gas上限約8M，所以若單純ether交易，速度約略是

8M / 21K / 15 ~= 25 tps

所以現在的交易瓶頸其實是gas 的問題，下降交易手續費或是提升區塊gas上限，都能適時紓困（但也會造成衍伸的問題），而ZK Rollup就是藉由交易數據量(size)的減少，進而能增加交易速度。那來看一下使用ZK Rollup後交易速度能到多快

(8M — 600K (zk-SNARK驗證) — 50K（預計合約運行的gas花費）) / 892 / 15 ~= 550 tps

這個數字就是Vitalik文章的標頭”On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec”。但實際上並沒有這麼理想，在作者Barry的實作中，大約只有268 tps，因為每次資產的更新都會留下event，所以有多餘的gas花費，然而，這樣的設計在應用上也是比較親切的。

資料都在鏈上，而且透過zk-SNARK做驗證，代表著上鏈的資料都是被驗證過的，因此就沒有一開始layer 2遇到的問題，需要挑戰、需要下載資料等等。這也隱含著不需要信任中繼者，因為他們無法作壞，最多就是不幫你送交易。

事情沒有這麼美好…

大家都覺得zk-SNARK像個萬靈丹一樣，用了好像什麼事都解決了，不過實際上並沒有這麼完美。zk-SNARK除了需要初始設定之外，最大的問題就是需要大量的運算力，在 Barry提供的數據中，中繼者的電腦若是一台8G記憶體加上20G的硬碟swap，大概只能產生 20 tx/sec，遠遠不及預期的500tps或是實作的200多tps。所以這個方案最大的問題在於要怎麼解決算力問題。

平行運算！

Matter Lab使用了多中繼者模型跟平行運算。多中繼者的模型，很像小型的區塊鏈，使用了DPOS (Delegated Proof of Stake)，還有隨機挑選區塊產生者，所以被挑選到的區塊產生者，就可以收集交易、產生證明並且上鏈。這樣的方法避免了中心化，若中繼者被惡意攻擊，整個網路還是能運作得下去，另一方面，也為平行運算做了鋪路。零知識證明的產生非常花時間，因此基於多中繼者模型，Matter Lab提出了”上鏈-驗證”兩階段的方式，也就是中繼者先把資料上鏈，下一個階段再上傳證明做驗證，進而達到平行運算（如下圖）。再加上一些資料的最佳化，測試結果可達到1600 tps。

https://medium.com/matter-labs/introducing-matter-testnet-502fab5a6f17

延遲…

聽似很美好，但是因為你的交易被分兩階段上鏈，也就是從送出到到被驗證，會是好幾個區塊，時間比原本單純上鏈時間會更久。當然，延遲多久是使用者可接受的，這目前也無從得知。這是一個取捨，省了手續費，增加了交易速度，卻也增加了時間的延遲，這一切也要等上線後才會知道。

今年初，Vitalik在台北的線下聚會中分享了ZK Rollup的進階版 — ZK ZK Rollup，有興趣的人可以參考這篇文章，記錄的很詳細。

Plasma & Optimistic Rollup

Optimistic Rollup在設計上跟Plasma相關，所以只會簡單帶一下差異。

Karl（註）基於ZK Rollup的設計，在上個月提出Optimistic Rollup，概念上也是把資料都放鏈上，但不是用zk-SNARK做驗證，因為希望能達成更普遍性的應用。而不一樣的地方有，把from的部分，改為使用者的簽章(65 bytes)，因為資料量變大的，可想而知，花的gas會更多，交易速度就會不及ZK Rollup。另一部份是，因為不是用zk-SNARK做驗證，就需要資料驗證的輔助方法（validity game），這邊就不詳細介紹，有機會在寫一篇Plasma/Optimistic Rollup的詳細介紹。在估算上，交易速度約是100 tps，若簽章方式改為BLS，約可提升到450 tps。而在10月的硬分岔後，gas會下降，預估的交易速度也會分別到達400/2000 tps。（許願：希望有人可以介紹一下10月的硬分岔細節 XD）

註：在中文的媒體文章中，都稱他是Casper的核心研究員之一，但是從我一開始知道這個人，都是在大力宣揚Plasma，他的部落格、twitter都是跟Plasma相關的文章，不確定他在Plasma Group的角色，但我是把他定位成Plasma Group的 leader

文章內容若有錯誤或是不同觀點，歡迎指教

references:On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validationIntroducing Matter TestnetOptimistic Rollup

ZK Rollup一開始提出來的時候，是被定義為layer 2的解決方案，年初的時候一度以Plasma… 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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《文茜的世界周報》

【假新聞充斥美國大選 社群網站無遠弗屆成幫凶 民眾信以為真還助轉貼 假新聞點讚率超過主流媒體 內容充斥仇恨.種族主義 社群媒體CEO紛道歉 誓言用科技分辨真偽信息】

在這年頭，已經不是眼見為憑了。

假新聞，這真是糟糕透了！教宗挺川普嗎，假的！福斯電視台的Megyn Kelly，因為力挺希拉蕊而被開除了嗎，假的！希拉蕊涉及韋納的不法案件嗎，假的！還有一則新聞說那些鬧川普場子的人，都是領3500美元的走路工，這則新聞在競選期間四處瘋傳，看起來很像是ABC新聞台的新聞，但是網址卻曝露這是個假連結，網域名稱竟然是來自哥倫比亞(.co)，是假的！不過川普的競選經理Kellyanne Conway，還有川普的兒子Eric。撰寫這則假新聞的男子，向華盛頓郵報表示，"沒有什麼你寫了別人會不信"，"連川普的競選經理轉貼了我的報導"，"那是我胡謅的"。

2016年美國總統大選，假新聞和不實消息，泛濫到前所未有的地步。「我們正遭遇一場假新聞瘟疫，社群網站成了假新聞的幫凶，」亞利桑那州立大學Dan Gillmor表示。

「你知道，我個人認為，臉書上的假新聞只是非常小的一部分，說臉書的假新聞在任何程度上左右了大選，我認為是很瘋狂的想法，」臉書創辦人查克伯格說。但這真的是"瘋狂"的想法嗎，根據PEW研究中心，62%的美國人從社群網站獲知新聞，其中尤以臉書為最大獲取新聞來源，在接近2016美國總統大選之際，一些保守派發出的虛假和誤導消息，用來打擊民主黨和希拉蕊。

「如果這消息來自臉書，影響力當然很大，大家會相信那是真的，」民眾說。根據BuzzFeed網路新聞統計，假新聞在選前倒數幾星期，居然比真新聞在臉書上擁有更高關注度。BuzzFeed分析選前三個月的報導發現，排名靠前的一些假新聞，或者偏激黨派的部落格文章，得到超過870萬個臉書分享或按讚。然而，包括紐約時報等主流媒體網站的前20大新聞，所獲得臉書分享數或按讚的數量，不到740萬個。

「我們好像面臨到一場超完美風暴，因為現下的媒體經濟，依照點閱率來評斷報導優劣，而那些在網上瘋傳的報導，其實都是本著政治本能撰寫的，賺錢成了編這些假新聞的誘因，」《Deciding What's True》作者 Lucas Graves教授。當這些報導在網上瘋傳，撰寫者就能從文章連結的廣告上，得到大筆收入。

英國金融時報批評，包括Google和臉書等所謂「平台」，一直拒絕將自己稱為傳媒(media)或是出版機構(publishers)，不負相應的責任。但他們不僅接收了假新聞，還容忍了廣泛的欺騙行為，為自己開脫。

宣布在2017年德國大選中，尋求第四個總理任期的梅克爾，也意識到必須要正視假新聞干擾選情的可能。德國總理梅克爾競選連任路上，最大的威脅可能不是來自在野黨領袖，而是來自所謂的社群機器人(Social bots)，社群機器人是能在社群網站上，模仿真人發布訊息的軟體，梅克爾呼籲各界思考假新聞，社群機器人或釣魚程式，可能操縱大眾觀點混淆視聽。

事隔一個禮拜，查克柏格態度一轉。臉書和Google宣布，阻止假網站從廣告獲利，這是遏止虛假網站獲利的第一步，然而最大的挑戰，是祭出標示出假消息的工具，卻又不威脅到言論自由。「我們會努力讓人們有發聲的機會，但我們也必須盡我們的責任，阻止仇恨、暴力和錯誤的訊息散播，」臉書創辦人查克伯格說。

除了有想用假新聞騙錢的，更有一群人利用社群網站平台，散播仇恨。11月15日推特宣布，停權部分使用者帳號，遭停權的都是一些另類右派(Alt-Right)，這是推特一項新的反騷擾措施。Twitter的CEO多西(Jack Dorsey)，17日透過推特正式的道歉，因為在這次大選期間，推特誤植了一個廣告，一群白人小孩在漂亮的牧場，說美國是屬於我們白人的，多西對推特允許了這個宣傳仇恨的廣告表示道歉。

「我認為社群媒體力量比廣告花的錢更有效，我想也許我的勝選就是個證明，」美國總統當選人川普說。社群網站成為消息散播的快速途徑，它的力量可以改變一場選舉，推翻一個政府，掀起一場革命。

2011年，一名年輕人上傳到網路的影片，推翻了一個獨裁政權。「我已經無法執行總統職權了，」時任突尼西亞總統賓阿里說。這便是從北非突尼西亞開始的「阿拉伯之春」。突尼西亞的獨裁政權垮台了，這距離賣水果的年輕人布阿濟濟，悲憤交加的自焚明志，僅一個月。

社群網站已然成為群眾運動，一個最重要的串連工具跟平台，做為一個真正已經取代傳統媒體的新媒體，社群網站必須扮演一定的把關角色，而不是只一昧的追求點閱率跟金錢。