“一文了解使用 ZK-rollups 分片的以太坊如何成為一股不可阻擋的務實力量。”
原文：Hackmd
所有區塊鏈網絡都存在可擴展性不可能三角問題。 L1 網絡推動可擴展性的難度越大，運行完整節點的最低硬件要求就越高。 當無法輕鬆運行完整節點時，網絡會變得更加中心化。 很明顯，以太坊長期以來一直將安全性和去中心化放在基礎層的可擴展性之上。 隨着轉向以Rollup為中心的路線圖，以太坊正在利用其基礎層（特別是其龐大的全節點網絡）來提供強大的數據可用性來代替 L1 可擴展性，同時保持安全性和去中心化。
可擴展性的不可能三角。 來源： Vitalik Buterin
我們今天習慣使用的以太坊網絡上的大部分執行（DeFi、NFT 等）未來將轉移到Rollup而不是發生在主網上。雖然 L1 專註於速度和安全性而不是去中心化有悖於這個行業的精神，但同樣的不可能三角問題不適用於Rollup。Rollup繼承了主網以太坊的安全性。通過以太坊處理的困難部分，Rollup能夠專註於成為可能的最佳執行層。
您現在可能已經聽說過 Optimism 和 Arbitrum，它們都屬於Optimistic Rollup。即將出現的另一種Rollup是ZK-rollup。目前已經有一些 ZK-rollup 實例，但它們都沒有提供通用的計算 EVM 兼容性或 zkEVM。這種情況不會持續太久，因為 zkSync 2.0、Scroll、StarkNet 和其他公司都在處理這種情況並且進展很快。
那麼為什麼這很重要呢？當以太坊從單一鏈轉變為模塊化系統時，它改變了擴容競爭的態勢。正如 polynya 之前所說，L1 智能合約區塊鏈不再直接與以太坊競爭；他們正在與Rollup競爭。我相信與 EVM 兼容的通用 ZK-rollup 的出現不僅會導致Optimistic Rollup被淘汰，還會導致所有其他 L1 智能合約區塊鏈被淘汰。
現實情況是，隨着競爭的實現和專註於執行效率的自由，Rollup將以極快的速度迭代到自己的最佳版本。由於它們都可能經歷快速變化，因此在本文中，我不會嘗試支持某一特定的 ZK Rollup。相反，我將在合併后、分片后的以太坊世界中強調 ZK-rollup 的功能和可能性。
安全
Rollup的豐富安全保證實現了一些有趣的動態。
escapeHatch()
如果您將資金放在 Polygon PoS 或 Solana 上，並且網絡離線了數小時，那麼在停機期間您將對自己深陷其中的資金無能為力。 與使用“側鏈”或替代智能合約鏈不同，主網Rollup合約包含“逃生艙口”——escapeHatch()，這是不可更改的函數，即使Rollup網絡離線，用戶也可以將Rollup 資金退出回主網。 您始終可以根據需要手動向主網以太坊Rollup合約提交交易，包括使用您的資金退出Rollup。
理想情況下，退出Rollup不會感覺像在飛行途中逃出飛機……這應該是一個相對舒適的過程。
中心化排序器和證明器（為什麼它們不那麼可怕）
我知道在我的介紹中我說過我會涵蓋Rollup必須提供的“最好的”部分……在有人在這裡吹噓之前，我會澄清一個顯而易見的問題：理想的情況是排序器和證明器的完全去中心化。但是，最初情況並非如此。大多數Rollup將以不同程度的中心化啟動，並從那裡開始逐步去中心化 。也就是說，Rollup中的中心化排序器比 L1 鏈中的中心化要安全得多，這一事實值得強調。
當使用中心化排序器或證明器的Rollup時，您會在信任和抗審查方面做出妥協，但不會影響安全性。排序器運營商無法竊取您的資金，您可以隨時撤回到主網以太坊。實際上，您主要依賴中央排序器來保持活力。
我們之前都聽過關於某某區塊鏈是“數據中心鏈”的笑話。使用 ZK-rollups，您實際上可以擁有一個充滿超高規格機器的數據中心，專門用於證明，並且這不會對網絡構成生存風險。
去中心化排序器和證明器
值得慶幸的是，由於能夠在需要時觸發逃生艙口並且無法竊取資金，因此Rollup開發人員可以嘗試各種方案而不必擔心災難性後果。去中心化排序器和證明器的設計空間相當大。在最終形式中，我希望排序器和證明器對公眾普遍開放，並採取各種形式的經濟激勵措施（代幣、股權、懲罰等）來確保理性行為。我們可以支持多個，而不是只有一個裝滿證明者的中央倉庫！更重要的是，我們將擁有一個由企業、Rollup開發人員和業餘愛好者組成的分佈式網絡，運行證明器。
數據可用性
數據可用性是指每個以太坊節點需要維護的數據。在需要不可更改性的情況下，鏈上數據存儲很有價值，但是，以太坊上的數據容量是有限的且需要大量資源來維護；存儲不便宜！
一旦以太坊轉向具有數據分片的模塊化系統，Rollup將享受大量的數據容量，並且只會隨着時間的推移而增加。完整節點和驗證器的絕對數量意味着以太坊將擁有最高容量的數據可用性。
以太坊數據分片
分片是對以太坊的多階段升級。分片將充當網絡數據存儲需求的負載平衡器，從而在Rollup執行層獲得巨大的可擴展性好處。重要的是，這也避免了對全節點的高要求，從而使網絡保持去中心化。
最初，將有 64 個數據分片或“分片鏈”。最終，將有 1,024 個數據分片。數據分片不處理交易或智能合約；相反，它們將為Rollup提供額外的數據容量。
後分片時代的以太坊，圖片來源：Hsiao-Wei Wang
Rollup 充當交易壓縮的一種形式，偶爾會向主網以太坊發布單個狀態根更新，其中包含在 rollup 層發生的許多不同交易的結果。因為他們必須將這些狀態根更新發布到主網上，所以Rollup gas 費用會受到區塊空間需求的波動；通常會轉嫁給Rollup用戶的成本（更多內容會在Amortization章節中介紹）。一旦分片生效，網絡容量將增加近 20 倍。這將使Rollup操作更便宜、更快。
協同地，作為Rollup的最終鏈意味着以太坊用戶也可以從只有 ZK-rollup 可以提供的替代數據可用性解決方案中受益。
Volitions
Volitions 屬於 ZK-rollup，包含一個 rollup 鏈和一個 validium 實例。 Volitions 像 ZK-rollups 一樣將狀態根和證明提交給以太坊，但它們的不同之處在於它們允許用戶選擇他們是否想要或需要通過 Volition 的 rollup 來利用鏈上數據可用性或通過 Volition 的鏈下數據可用性有效性。這是一種權衡，僅適用於 ZK-rollup ；Optimistic Rollup中沒有Volitions。
意志的一個例子是 zkSync 2.0：
zkSync volition，來自：Matter Labs
zkSync 的 validium 稱為 zkPorter。在此方案中，數據可用性由 zkPorter 驗證器保護。 Matter Labs 聲稱這可以實現超過 20,000 tp/s 的速度，並將gas成本降低 100 倍。值得記住的是，ZK-rollup 上交易容量的最終上限實際上是一個受其證明者計算和存儲能力限制的函數。我敢打賭，從長遠來看，20,000 tp/s 實際上可能是一個保守的估計。
Adamantium
這裡還有像 Adamantium 這樣的提議，一種去信任的鏈下數據可用性解決方案，或 TODA，它們進一步尋求創新數據可用性空間。 可以說，他們屬於一種volition的範疇。 該提案中的一個片段：
“……Adamantium，一種自治數據可用性協議……保留了鏈下數據可用性的擴展優勢，同時消除了對任何願意用戶的所有信任假設。願意做什麼？就選擇在線；如果他們不在線，他們的資金不會被盜，也不會被凍結——相反，資金會從 L2 轉移回用戶控制下的以太坊地址。”
與 volitions 一樣，此解決方案僅適用於 ZK-rollups。
交易成本和吞吐量
Rollup的交易成本已經相當低，但還不夠低。值得慶幸的是，在此過程中還有更多優化，這將大大降低 gas 成本。此外，還將部署許多技術來提高交易吞吐量。
Rollup軍隊
鑒於主網上Rollup的輕量級性質，可能會有數百個Rollup并行運行，每個Rollup都能夠支持數十萬用戶，每個用戶都有自己巨大的吞吐量，所有這些都由以太坊提供支持和保護。如果一個Rollup已飽和（RPC 或排序器在負載下屈曲等），就會跳到另一個Rollup並開始交易。如果您需要，也可以分叉一個Rollup並自己部署它的副本。
有效性證明攤銷（Validity Proof Amortization）
有效性證明攤銷是指 ZK-rollup 上每批交易中的交易數量，因為它與驗證的 gas 總成本有關。
在這種情況下，我將為您提供一種快速內化攤銷概念的方法。請記住，為簡單起見，這個例子在數學上並不准確。我提供的公式只是為了說明；實際上，Rollup交易成本的細分並不是那麼簡單。也就是說，在我們想象的場景中：
- 更新狀態根需要累積 5,000,000 gas
- 就像主網一樣，用戶在進行Rollup交易時需要支付 gas 費
- 每筆交易的價格遵循一個公式 x = 5000000 / y，其中 x 是每筆交易的價格，y 是任何給定批次中的交易數量
你應該能夠推斷出：
- 200 批交易的單筆交易成本為 25,000 gas
- 100,000 批交易的單筆交易成本為 50 gas，基本上可以忽略不計
隨着越來越多的人提交批次，交易的攤銷成本變得更便宜。這與整體區塊鏈完全相反，比如今天的以太坊，隨着活躍用戶數量的增加，對區塊空間的需求也會增加，從而導致gas價格飆升。
攤銷的一個例子：StarkEx 提供了一種稱為 SHARP 的機制，是“Shared Prover”的縮寫，它在所有 StarkEx 部署中攤銷成本。
Volition
大多數關於 volitions 的相關信息都包含在前面的 Volitions 部分中。儘管如此，它們與Rollup吞吐量的故事相關，因此值得再次提及它們。簡要回顧：
volitions 使開發人員和用戶能夠在驗證中利用鏈下數據可用性
這種鏈下數據可用性雖然不如鏈上數據可用性安全，但可以極大地降低交易成本
除了降低成本外，鏈下數據可用性還釋放了大量額外的交易吞吐量
隱私
眾所周知，隱私不是以太坊固有的。我們不能指望普通人或企業放棄他們的財務隱私。默認情況下，ZK-rollups 不是私有的。 “ZK-rollup”中的“零知識”是指在鏈下進行的計算，然後通過零知識證明在主網上被驗證為合法，這並不意味着“你的活動不會被窺探”。一切都沒有丟失。在 ZK-rollups 的無許可隱私方面，有很多工作要做。
遞歸證明
在《一篇不完整的Rollup指南》中，Vitalik 寫了一些關於Optimistic Rollup和 ZK Rollup之間的一些主要區別的文章。其中之一是兩種Rollup如何處理隱私。他特別提到了遞歸證明。 “遞歸證明”是指在另一個證明中驗證一個證明的行為，例如，在另一個 SNARK 中驗證一個 SNARK。這是一種方便的壓縮技術，可以提高效率並降低隱私成本。
Aztec 正在研究一種所謂的 ZK-ZK-rollup 或 ZK²-rollup，它利用他們創新的 PLONK 證明和 Turbo-PLONK 來提供交易隱私。簡而言之：
- ZK-SNARK 代表 ZK²-rollup 上的每筆交易。這些是“內部”SNARK。
- 另一個 ZK-SNARK，即 rollup SNARK，處理證明內部 SNARK 正確性的工作
請注意，Optimistic Rollup無法實現這一創新，因為它們不能安全地允許內部 SNARK 驗證發生在Rollup之外；數據必須發布在鏈上。這並不是說Optimistic Rollup不能從零知識證明中受益，但它們總是效率較低且成本效益較低。
此時，zkSync 和 Mina Protocol 已經採用了 PLONKs。隨着時間的推移，我們可以期待遞歸的進一步創新（包括來自 Groth16、Marlin、Fractal、Halo2 等其他證明），為所有 ZK-rollup 帶來更便宜、更強大的隱私形式。
Turbo-PLONK 多項式邏輯單元，如圖所示。來自：零知識峰會；演示視頻在這裡
靈活性
ZK-rollup 享有在多個方面進行創新的自由，而沒有 L1 鏈帶來的災難性故障的風險。以太坊以roll為中心的路線圖的一個關鍵原則是，自由市場正在尋找構建Rollup的所有最佳方法，而不是一小群核心開發人員假設什麼應該是最好的。
由於開發和部署Rollup是一項無需許可的工作，因此我們將在爭奪新用戶的競賽中看到許多不同的Rollup方法。這包括不同風格的治理、代幣經濟學和流動性激勵、去中心化範圍內的不同權衡、意識形態的不同表達，甚至是 LLVM、自定義 VM 等 VM 環境的不同選擇。
不過，並非本節中提到的所有內容都是 ZK-rollups 獨有的。儘管 ZK-rollup 提供的某些功能還不足，但Optimistic Rollup具有許多相同的靈活性。然而，其他 L1 智能合約區塊鏈無法像Rollup那樣快速地迭代其中任何一個。請記住：現在是Rollup對抗 L1 智能合約平台。
如果 L1 鏈試圖迭代太快，而沒有採取適當的測試和安全措施，那麼它的用戶就會面臨很高的風險。 這些網絡上的所有資金始終都是賞金。 當 L1 鏈出現故障時，損失可能是災難性的。 停機時間還會影響 L1 可能擁有的任何擴展執行環境（Rollup、狀態通道等）。 優先考慮安全性和去中心化是有好處的。
在最壞的情況下，當 rollup 中斷時，需要手動操作直到修復。 我可以想象，類似於在 Etherscan 上與合約進行交互，Rollup開發人員和應用程序開發人員可能會提供“在緊急情況下”的門戶網站，允許用戶在需要時快速簡便地手動操作Rollup。 值得慶幸的是，這些快速迭代很可能會在早期（在宏偉的計劃中）得到解決，我想他們的開發將非常謹慎地完成。
各種各樣的Rollup應用
外包計算（和數據可用性）支持許多新的鏈上應用程序，這些應用程序在今天的主網以太坊或任何其他在線智能合約平台上都不可行。 這種新範式還允許我們構建任何現有鏈上產品的高級版本。
特定於應用程序的 ZK-Rollup
雖然本文主要關注通用計算 ZK-rollup 的好處，但關於特定於應用程序的 ZK-rollup 的影響還有很多要說的。
dYdX 交易所
由 StarkEx 提供支持的 dYdX 是一個去中心化交易所，支持永續合約、保證金和現貨交易，以及借貸。 自 L2 推出以來，dYdX 在其 ETH/USD 交易對上獲得了與 FTX 相媲美的流動性。 雖然其中很多可能是雇傭流動性參與了他們的 $DYDX 代幣獎勵計劃，但我相信 dYdX 或其他一些 ZK-rollup 原生 DEX 有一天會在交易量和流動性方面永遠超過所有合約交易所。
dYdX 的 ETH 流動性可與 FTX 匹敵； 2021 年 9 月 26 日。來源：Hsaka
在用戶體驗方面，您只需要一個以太坊錢包和一些 ETH 即可登錄並開始在 dYdX 上進行交易。與一般的中心化交易所不同，不需要 KYC，不需要向第三方存儲您的個人信息，當然 DEX 是非託管的。您確實需要將資金轉移到Rollup才能使用 DEX，但您可以控制並在需要時將資金提取回主網。 dYdX 的用戶說，它感覺與使用中心化交易所一樣靈敏。
某些鏈引起了 HFT（高頻交易）人群的關注。假設 HFT 公司是理性的、受利潤驅動的實體，我想隨着時間的推移，這項活動將主要存在於 ZK-rollup 上。
Immutable X
另一個迅速獲得關注的例子是 Immutable X，這是一種Volition（也由 StarkEx 提供支持），可為 NFT 提供巨大的擴展優勢。最近，TikTok 選擇 Immutable X 作為其 TikTok Top Moments NFT 的底層平台。 在Immutable X上，你無需支付 100 到 1000 美元的 gas 成本來鑄造 NFT，而是讓用戶以一美元甚至免費的價格鑄造它們。以下摘自他們的 alpha 交易公告：
Immutable X 提供無gas 和即時交易：對於任何市場、遊戲和去中心化應用程序，Immutable X 提供無gas 交易（無gas 鑄造、交易、賺取、收集）、即時NFT 交易（每秒最多9,000 筆交易）可擴展性，而不會影響用戶的保管。
您是否注意到他們所說的每秒高達 9,000 多筆交易的部分？
物理和遊戲引擎（ZK-Rollups 上的 DOOM 什麼時候？）
一位名叫guiltyyoza的推特用戶在 StarkNet 上展示了他的許多實操實驗。我預計，隨着工具變得更加強大和實驗的繼續，我們將看到大量以前無法想象的新鏈上遊戲。
簡單格子和引力場中的二體問題，運行在 StarkNet 上。來源：guiltyyoza
其他概念
Volitions 將為 Web 3.0 的使命提供新的方法。例如，鏈原生社交網絡之類的東西應該會從鏈下數據可用性中受益匪淺。傑克·多爾西 (Jack Dorsey) 談到了他將 Twitter 轉變為開源分佈式系統的計劃，其中 Twitter 只是“Twitter”協議之上的一個客戶端。Volitions（validiums，更具體地說）可以在這個現實中發揮關鍵作用。
同樣，我可以想象 Vine 的開源復活，其中經典的短（6 秒或更短）用戶提交的視頻被鑄造為 NFT。 TikTok 和他們的“Top Moments”計劃與這個想法類似，但 TikTok 終究是一個閉源實體。
這場比賽的下一步是什麼？
ZK-rollup 帶來了很多好處，以太坊很快就會讓它們發揮最大的潛力。但是競爭鏈呢？在各種意義上都被超越了，他們會怎樣？這是一個很好的問題，不可避免地會有許多複雜的答案。我對他們的命運有一些想法。
以太坊的務實黑洞
在過去的一年裡，我們看到了許多“又便宜又快”的 EVM 鏈如雨後春筍般湧現。我們還看到鏈上線，承諾“擊敗可擴展性不可能三角！”在基礎層，對Layer擴容的概念揮之不去（它們的真正含義是為了速度和安全性而犧牲了去中心化）。
現在應該很清楚，通用計算 ZK-rollup 將比任何 L1 智能合約鏈所希望的更安全、更快、更分散、更具適應性和靈活性，並且更輕量級。這些事實很重要；每個獨立的鏈都將承擔不必要的安全開銷和風險，同時是劣質產品。
在我看來，未來務實的解決方案是讓這些鏈放棄其冗餘的共識機制和數據可用性，成為 ZK-rollup 或Volition。他們應該融入以太坊一流的安全性、數據可用性和結算保證。
將共識和安全的工作外包給以太坊將使這些鏈能夠嚴格專註於執行。在後分片、后Rollup的主導世界中，這是他們保持相關性的機會。否則，他們的安全包袱將太重而無法跟上。隨着時間的推移，這將是一個變得更加清晰——非常明顯——的現實。
以太坊（左）和所有其他 L1 執行層（右），大約在 2023 年。
圖片來源：NASA/CXC/M.WEISS
可以說，像 Solana、Avalanche、Fantom 和 Binance Smart Chain 這樣的網絡在任何潛在的Rollup治理代幣上都有優勢。 這些網絡（以及其他類似網絡）的原生代幣：
- 有時間達到某種程度的分佈
- 是“已知實體”
- 有交易所支持
- 具有深厚的流動性
也就是說，放棄他們冗餘的共識機制和安全代價成為以太坊Rollup並不意味着他們的代幣消失了。 相反，他們可以重新利用代幣來調整證明者和排序者的激勵措施或提供鏈上流動性激勵措施。 這些鏈不需要犧牲他們的身份，只需要犧牲他們的危險包袱。 這對所有人來說都是積極的。
現實
假設這些鏈的架構師、風投和用戶會如此迅速地接受這一現實，如果他們願意的話，那將是愚蠢的。模因很強大，不乏自豪感，很多風投都有一個夢想，他們想繼續賣給散戶投資者。
歷史告訴我們，區塊鏈的消亡從來都不是一個快速的過程。今天你可以在以太坊經典之類的平台上觀察到數千個空塊，這表明在任何地方都明顯缺乏採用。以太坊經典並不孤單；還有很多其他人喜歡它。它們仍然站着，站着，直到有一天他們不再存在。如果選擇的話，在現實收取應得的費用之前，有足夠的時間出現認知失調。
時間
即使這些鏈選擇務實的方法，也需要大量的研究、準備來實現這種規模的更改。任何鏈都需要很長時間才能執行。也許與直覺相反，我的直覺是Solana將是最早這樣做的項目之一。
信息披露
ZK-rollup 的未來可能看起來像是世界上所有問題的神奇技術解決方案，但有些事情你最好記住。
這不是一個包羅萬象的清單。
根據Rollup，中心化排序器（或通常的排序器）可能具有執行 MEV 的特權位置。
根據Volition的驗證端數據可用性委員會的實施，數據委員會驗證者可能會惡意凍結或拒絕更新驗證的狀態。這不會影響意志中 ZK-rollup 的狀態。
許多Rollup意味着許多流動性的地方，無論是交易代幣還是交易 NFT。雖然 ZK-rollup 允許在 rollup 和主網之間，甚至是 rollup-to-rollup 之間快速移動，但流動性碎片可能會導致早期動蕩。 dAMM 旨在解決這個確切的問題。
運行證明器在計算上要求很高，我們會很好地找到方法來減少它們的潛在能源消耗，同時提高它們的效率。
請注意，證明不是像工作量證明挖礦那樣的消耗遊戲；隨着時間的推移，它不會變得更難。因此，在 PoW 時代，證明者的能源使用量不太可能接近以太坊的能源使用量。
也就是說，除了 MEV，我預計市場會相對較快地為大多數問題提供解決方案。就 MEV 而言，這是一個棘手的問題，不幸的是，任何一種神奇的解決方案或協議都無法解決，但 MEV 最小化和民主化的各種方法將有助於減少其影響。
Optimistic Rollup
雖然我不相信Optimistic Rollup的長期可行性，但它們仍然是當今以太坊最好的 EVM 兼容擴展解決方案。 通用計算 EVM 兼容的 ZK-rollup 還沒有上線，我們還需要一段時間才能實現我在本文中介紹的所有好處。
Optimism 最近宣布對他們的執行環境進行一項激動人心的改變，這將使用戶和開發人員都受益匪淺。 Arbitrum 將很快完成其 Nitro 升級，這將增強 EVM 兼容性並為其用戶提供更快的速度。
越來越多的新的和現有的 DeFi 應用程序都在這些Rollup上部署。 兩個網絡之間有數十億美元的流動性。 這兩個網絡都非常值得嘗試和支持。 橋接Optimism和Arbitrum只需幾分鐘！
您可以通過在此處連接來嘗試 Optimism：
https://gateway.optimism.io/welcome
您可以通過在此處進行橋接來試用 Arbitrum：
https://bridge.arbitrum.io/
我敦促您在與任一網站交互之前驗證每個 URL 的有效性。您可以隨時在 Optimism 的 Twitter 和 Arbitrum 的 Twitter 上仔細檢查個人資料鏈接的網站。
在撰寫本文時，Optimism 僅適用於智能合約的白名單，但用戶可以隨意使用任何列入白名單的智能合約。我猜測這個白名單很快就會被取消。 Arbitrum 沒有白名單；用戶和開發人員可以自由地交易和部署他們的內心內容。
請記住，兩個網絡的資金要返還到主網需要 7 天（Optimistic Rollup處理欺詐的方式所導致的）。有第三方服務跨鏈橋，您可以在其中從Rollup到主網來回交換，但需要付費。在使用它們中的任何一個之前進行自己的研究，並始終仔細檢查您引用的滑點和費率。
結論
我們正處於巨大的範式轉變的邊緣，這將永遠改變加密生態系統。 ZK-rollups 將擴展以太坊，他們將盡其所能。 這種範式轉變足夠強大，它非常清楚地標誌着每個 L1 智能合約鏈時代結束的開始——即使是我們今天所知的以太坊。
還有許多不同的擴展提案。 數千小時的研究、實施、成功和失敗都在努力尋找正確方法——當然，這項工作還遠未結束。 前方的道路充滿曲折，但目的地卻從未如此清晰。
我希望這篇文章能幫助你在考慮這個行業的未來時塑造你的心理模型。 看到為我們所有人準備的東西，我感到無限興奮。
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