讀懂 ZK-Rollups：如何帶來 Crypto 生態系統的範式轉變？

撰文：Cati

可擴展性的「三難困境」全節點更加中心化安全性去中心化可擴展性以 Rollup 為中心的路線圖絡)提供強大的數據可用性來安全性去中心化 

上圖：區塊鏈的「三難困境」，圖源：Vitalik Buterin 

以太坊轉向這一路線圖的意圖是，我們今天在以太坊區塊鏈上的大部分交易執行 (包括 DeFi、NFTs 等活動) 將轉移到 Rollups 中進行，而不是在以太坊 L1 上進行。雖然這與該行業許多 L1s 鏈將重點放在速度和安全性 (而非去中心化) 的理念相違背，但這種「三難困境」並不適用於 Rollups：Rollups 繼承了以太坊 L1 主網的安全性，且由於以太坊 L1 處理了困難的部分，Rollups 得以能夠專註於成為最好的執行層。 

你可能已經聽說過 Optimism 和 Arbitrum 這兩個網路，二者都是基於 Optimistic Rollups 技術的 Rollup 網路；另一種類型的 Rollup 網路是基於 ZK-Rollups 技術，目前已經有一些基於 ZK-Rollups 的網路上線了 (比如當前的 Loopring 和 zkSync 1.0 等)，但尚未有哪個 ZK-Rollup 網路提供通用計算 EVM 兼容性 (即 zkEVM)，但隨著 zkSync 2.0、Scroll、StarkNet 等網路正在取得快速進展，這種情況將不會持續太久。 

那麼，為什麼這很重要？當以太坊實現從「單片式區塊鏈」蛻變成一個「模塊化系統」這將改變區塊鏈的競爭動態文章中其他 L1 智能合約區塊鏈將不再與以太坊直接競爭，而是與 Rollups 進行競爭其他所有 L1 智能合約區塊鏈 

事實上，通過這些競爭性的 Rollups 實現及其專註於提升執行效率，Rollups 將以極快的速度進行自我迭代至最佳的版本。由於它們都很可能將會經歷快速的變化，本文中我將不會試圖對特定的 ZK-Rollups 方案進行描述；相反，本文將強調 ZK-Rollup 在以太坊新舊兩條鏈合併 & 實施分片之後的以太坊世界中所具有的能力和可能性。 

01. 安全性

 Rollups 所具有的安全性保障，使其能夠實現一些有趣的動態。 

逃生艙口

 如果你的資金在 Polygon PoS (以太坊側鏈) 或者 Solana 區塊鏈上，而該網路離線了幾個小時，那麼在此期間，你對於自己被困的資金無能為力。與使用這些「側鏈」或者其他 L1 智能合約鏈不同，基於以太坊 L1 主網的 Rollups 鏈的合約包含了「逃生艙口」(escape hatches)，允許用戶在即便 Rollup 網路離線的情況下也能將資金從 Rollups 網路撤回至以太坊 L1 主網上。在 Rollups 鏈中，你總是可以根據需要手動地向以太坊主網上的 Rollup 合約提交交易，包括將資金從 Rollups 撤回至以太坊主網。 

理想情況下，將資金從 Rollup 撤回至 L1 不會應該是一個很「舒適」的過程。圖源：Google 

中心化的定序器 & 證明器 (以及為什麼它們並沒有那麼可怕)

 我知道在上文的介紹部分我說過，本文將介紹 Rollups 所提供的「最佳優勢」，在有人對此感到失望之前，我需要澄清一個明顯的事實：理想的場景是 Rollups 實現了完全去中心化的定序器 (sequencers) 和證明器 (provers)；但最初的情況並非如此：大多數 Rollups 在啟動初期都有不同程度的中心化，並逐步實現去中心化。但話雖如此，有著中心化定序器的 Rollups 鏈仍然會比中心化的 L1 鏈更加安全，這是一個值得強調的事實。 

當你使用某個有著一個中心化定序器或證明器的 Rollup 網路時，你只是在信任和抗審查性方面有所妥協，而不是在安全性方面妥協。Rollups 定序器的運營者並不能盜走你的資金，你總是可以將資金撤回至以太坊主網上。實際上，你主要依賴於中央定序器的活性。 

我們之前都聽過這樣或那樣的關於區塊鏈是一條「數據中心鏈」的笑話。通過 ZK-Rollups，你實際上可以擁有一個由超高規格的機器組成的數據中心，這些機器專門負責完成證明工作，這對於網路而言並不是一種存在風險。 

去中心化的定序器 & 證明器

 我預計 Rollups 網路的定序和證明工作將對公眾開放，並提供不同形式的經濟激勵 (代幣、質押、懲罰等等) 以確保人們正確行事分散式的 Rollups 網路 

02. 數據可用性

 數據可用性 (data availability) 是指每個以太坊節點都需要維護的數據。鏈上的數據存儲由於具有不可篡改性而非常具有價值的，但是以太坊鏈上的數據容量有限，而且這些數據的維護也是需要消耗大量資源的；因此，在鏈上存儲並不便宜！ 

但一旦以太坊實現了數據分片 (data shards) 並轉向成為一個「模塊化系統Rollups 將能獲得大量的數據容量 (因為以太坊將從最初的 64 條分片鏈增加至 1024 條分片鏈) 

以太坊數據分片

 分片是以太坊將實施的一場多階段升級。分片 (shards) 將作為網路數據存儲需求的負載均衡器，允許 Rollup 執行層獲得巨大的可擴展性提升。重要的是，這也避免了對以太坊網路全節點施加過高的要求，從而允許網路保持去中心化。 

最初，以太坊上將實現 64 條數據分片 (也即「分片鏈」)；最終將會有 1024 條數據分片。數據分片不會負責處理交易或智能合約，而是為 Rollups 提供額外的數據容量。 

以太坊分片示意圖，圖源：Hsiao-Wei Wang 

我們知道，Rollups 通過將交易批次以壓縮的形式，不定期地向以太坊主網發布單個狀態根更新，該狀態根更新包含了發生在 Rollup 層的許多不同交易的結果。由於 Rollups 必須將這些狀態根發布至主網上，Rollups 需要支付的 Gas 費用也受到了主網區塊空間需求的波動，該成本通常會轉移到 Rollups 的用戶身上 (對此我們將在下文中詳細解釋)。一旦以太坊分片上線了，主網的容量將會增加近 20 倍，這將允許 Rollups 上的操作便宜和快速！ 

Volitions

Volitions 是一種混合式擴容解決方案，讓用戶能夠在「ZK-Rollup模式」和「Validium模式」之間進行選擇。與 ZK-Rollups 方案類似，Volitions 也需要向以太坊主網提交狀態根和證明，但不同的是，Volitions 方案允許用戶在數據可用性方面進行選擇：如果用戶想要或者需要使用鏈上數據可用性，則可以選擇 Volition 的 zk-Rollup 模式；如果想要鏈下數據可用性，可以選擇 Validium 模式。這種權衡決策只在 ZK-Rollup 領域可用；Optimistic Rollups 領域無法實現 Volitions 方案。 

Volition 方案的一個例子就是 zkSyc 2.0： 

上圖：zkSync 2.0 將實現的 Volition 方案。圖源：Matter Labs zkSync 的 Validium 模式稱為「zkPorter」。Matter Labs 團隊 

03. 交易成本 & 吞吐量

 目前，Rollups 上的交易成本已經相當低了，但還不夠低。值得慶幸的是，還有更多的優化方法將帶來 Gas 成本的大幅降低。此外，還將部署許多技術來增加 Rollups 的交易吞吐量。 

Rollups 大軍

 鑒於主網上的 Rollups 的輕量級性質，未來很可能將會有數百個 Rollups 網路並行運行，每一個 Rollup 都能支持數十萬的用戶，且都有各自巨大的交易吞吐量，所有這些 Rollups 都由以太坊提供支持和保護。當某個 Rollup 飽和時 (比如由於其定序器不堪重負等)，跳至另一個 Rollup 並開始進行交易將是輕而易舉的。如果需要，你還可以對某個 Rollup 進行分叉並部署一個該 Rollup 的副本。 

有效性證明攤銷

 有效性證明攤銷是指 ZK-Rollups 上每個交易批次在向以太坊 L1 提交狀態根更新時需要支付的 Gas 成本會分攤到該交易批次中包含的所有交易中。 

在本文中，我將提供一種快速理解攤銷概念的例子。請記住，為了簡單起見，這個例子在數學上是不準確的。我提供的公式只是為了進行解釋說明；在現實中，Rollups 交易成本的拆分並不會這麼簡單。以下是我們想像的場景： 

• 假設某個 Rollup 網路向以太坊 L1 更新一個狀態根的成本是 5,000,000 Gas；
• 與主網類似，Rollup 用戶在發起交易時也要支付一筆 Gas 費用；
• 這樣每筆交易需要支付的成本公式就是 x = 5000000/y，其中 x 表示每筆交易需要支付的 Gas 費用，y 表示給定 Rollup 交易批次中包含的交易筆數。

 這樣我們就可以推算出： 

• 如果該交易批次中包含 200 筆交易，那麼單筆交易的成本就是 25,000 Gas；
• 如果該交易批次中包含 100,000 筆交易，那麼單筆交易的成本就是 50 Gas，基本上可以忽略不計。

 可以看出，當更多的用戶在一個批次中提交更多的交易時，經攤銷的交易成本就會變得更低。這與單片式區塊鏈 (比如當前的以太坊) 的情況完全相反：在單片式區塊鏈上，對區塊空間的需求會隨著網路中活躍用戶數量的增加而增長，由於區塊空間的稀缺性，這將導致 Gas 價格的飆升。 攤銷的一個例子就是：StarkEx 提供一種稱為 SHARP (全稱為 Shared Prover) 的機制，也就是在所有 StarkEx 部署中分攤成本。 

Volitions

 關於 Volitions 的大部分相關信息已經在上文提及了。儘管如此，該方案仍然與 Rollup 吞吐量相關，因此值得我們再次提及 Volitions。簡單回顧一下： 

• Volitions 給予開發者和用戶能夠在 Validium 模式中使用鏈下數據可用性；
• 這種鏈下數據可用性的安全性雖然不及鏈上數據可用性，但能夠帶來交易成本的大幅降低；
• 除了交易成本的降低，鏈下數據可用性也解鎖了大量額外的交易吞吐量。

04. 隱私性

 眾所周知，隱私性並非以太坊公鏈固有的屬性。默認情況下，ZK-Rollups 方案也不具備隱私性。ZK-Rollup 中的「ZK」(zero knowledge，零知識) 是指計算髮生在鏈下，然後以零知識證明 (zero-knowledge proof) 的方式在 L1 主鏈上被驗證其合法性，這並不意味著「你的交易活動被隱藏起來不被窺探」。不過也沒那麼糟糕：目前在實現 ZK-Rollups 無須許可的隱私性方面正有大量工作在進行中。 

遞歸證明

 Vitalik 在其撰寫的《Rollups 不完整指南》(An Incomplete Guide to Rollups) 一文中談到了 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 之間的一些關鍵區別，其中一大區別就是這兩種 Rollup 方案如何處理隱私問題。Vitalik 特別提到了遞歸證明遞歸證明是指在一個證明 (proof) 內部驗證另一個證明的行為 

比如，Aztec 團隊正在致力於有關 ZK-ZK-rollup (即 ZK²-rollup) 方面的研究工作，該方案利用了他們具有創新性的 PLONK 證明和 Turbo-PLONK 來提供交易隱私性。 

需要注意的是，Optimistic Rollups 並不能實現這種創新，因為它們無法安全地允許內部的 SNARK 驗證在 Rollup 之外；數據必須在鏈上發布。這並不是說 Optimistic Rollups 不能從零知識證明中獲益，而是它們在效率和成本效益方面總是會更低。 

撰文時，zkSnyc 和 Mina Protocol 已經採用了 PLONKs。隨著時間的推移，我們可以預計將會有更多關於遞歸證明的創新 (包括來自 Groth16、Marlin、Fractal、Halo2 等其他協議的創新) 為所有的 ZK-Rollups 帶來更便宜和更強大的隱私性。 

上圖：Turbo-PLONK 多項式邏輯單位，圖源：Zero Knowledge Summit。

05. 靈活性

 ZK-Rollups 享受著在多個方面進行創新的自由，而不用像其他 L1 鏈那樣面臨著災難性失敗的風險。以太坊以 Rollup 為中心的路線圖的一個關鍵原則是，自由市場正在尋找搭建 Rollup 的所有最佳方式，而不是讓一小群核心開發者來假設那種方式應該是最好的。 

由於開發和部署一個 Rollup 網路是一項無須許可的工作，我們將看看到許多採用不同方法的 Rollups 來競相吸引用戶，包括採用不同風格的治理方式、代幣經濟學、流動性激勵機制、在去中心化頻譜中的不同權衡、意識形態的不同表述，甚至選擇不同的 VM (虛擬機) 環境 (比如 LLVM、自定義的 VMs 等等)。 

不過，並不是本章節中提及的所有內容都是 ZK-Rollups 所獨有的。儘管 Optimistic Rollups 缺乏 ZK-Rollups 提供的一些特性，但 Optimistic Rollups 也具有相當的靈活性。然而，其他 L1 智能合約鏈並不能像 Rollups 那樣快速迭代其中任何一個特性。請記住：現在是 Rollups 對戰其他 L1 智能合約平台的時候了。 

如果 L1 鏈試圖快速迭代，放棄適當的測試和安全措施，那麼對於用戶來說就會有很高的風險。任何時候，L1 網路上的所有資金都是一種「賞金」，如果 L1 鏈失敗了，那麼損失可能是災難性的。宕機時間也會對該 L1 上的任何可擴展性執行環境 (比如 Rollups、狀態通道等) 產生影響。L1 網路優先考慮安全性和去中心化是有道理的。 

Rollup 奔潰提供「緊急情況下」的門戶網站 

06. 大量新的應用

 通過將計算外包出去 (即在 L2 層執行計算)，能夠使大量新的、在當前的以太坊主鏈或任何其他智能合約平台上都是不可實現的鏈上應用成為可能。這種全新的範式也允許我們構建出任何現有的鏈上產品的高級版本。 

應用專用型 ZK-Rollups

 雖然本文主要關注的是通用計算 ZK-Rollups 的好處，但關於應用專用型 ZK-Rollups 的影響也是有很多需要闡述的。 

dYdX 交易所

由 L2 可擴展性引擎 StarkEx 驅動的 dYdX 是一個去中心化交易所，支持永續合約交易、保證金交易和現貨交易，同時也支持資產借貸。自從 dYdX 在 L2 網路部署以來，該交易所上的 ETH-USD 交易對產生的流動性已經可以與 FTX 交易所相匹敵。雖然這些流動性可能是為了參與該平台 DYDX 代幣獎勵計劃而流入的「唯利是圖的流動性」，但我相信，dYdX 或一些其他的 ZK-Rollup 原生的 DEX (去中心化交易所) 總有一天會在交易量和流動性方面永遠超過所有的永續合約交易所。 

上圖：dYdX 的 ETH 流動性對比 FTX，數據截止 2021 年 9 月 26 日。來源：Hsaka 

非託管式 

一些區塊鏈已經吸引了高頻交易人群的關注。假設高頻交易公司是理性的、以利潤為導向的實體，我認為隨著時間的推移，這種活動將會主要駐留在 ZK-Rollups 上面。 

Immutable X

 Immutable XTikTok Top Moments NFTs 聲明 

 你看到他們說每秒高達 9000 多筆交易了嗎？ 

其他觀念

 Volitions 將為實現 Web3.0 使命帶來新的方式。例如，區塊鏈原生的社交網路將從鏈下數據可用性中受益匪淺。(Twitter 創始人) 談到他的計劃開源的分散式系統Volitions ( 

Vine (現已關閉的短視頻應用)  

07. 這場競爭會如何演變？

 ZK-Rollups 帶來了很多東西，以太坊很快將會讓 ZK-Rollups 發揮其最佳能力。但其他競爭性 L1 鏈呢？在所有方面都被 ZK-Rollups 超越了，這些 L1 鏈會怎樣呢？這是一個好問題，但必然會有許多複雜的答案。對於它們的命運，我有一些想法。 

以太坊的實用主義黑洞

 EVM 兼容鏈打著在基礎層「克服了區塊鏈三難困境」旗號的區塊鏈 

顯而易見的是，通用計算 ZK-Rollups 將比任何其他 L1 智能合約鏈更安全、更加去中心化、更具適應性和靈活性，也更加輕量級。這些事實很重要；每條獨立運行的 L1 鏈都將承擔不必要的安全成本和風險，同時也是一個「劣質產品」。 

在我看來，對於這些區塊鏈而言，未來的實用主義方案是放棄其多餘的共識機制和數據可用性，轉而成為一個 ZK-Rollup 或者 Volition。它們應該吸收以太坊的一流安全性、數據可用性及其結算保證。 

通過將共識和安全性「外包」給以太坊，將使得這些鏈能夠更加專註於執行。在未來以太坊實施分片並由 Rollups 佔主導地位的世界，這將能使這些鏈保持相關性。否則，它們的安全性成本就變沉重地難以跟上腳步。隨著時間的推移，這將是一個變得越來越清晰的現實。 

上圖：以太坊 (左邊) & 其他 L1 執行層 (右)，大約在 2023 年。圖源：NASA/CXC/M.WEISS 

現實

 如果認為這些 L1 鏈的架構師、風險投資人和用戶會很快接受這一事實，那就太自欺欺人了。它們產生的模因 (Memes) 影響是很強大的，它們也不乏自豪感，且許多風投都有一個夢想，即他們想要繼續將代幣出售給散戶投資者。 

空塊(empty block) 

時間

 即便這些 L1 鏈選擇了最實用的方式，即成為一個 Rollup 網路，也需要進行大量研究、準備和謹慎才能實現如此巨大的變化。任何一條 L1 鏈採取這種方式都需要較長的時間。也許與人們的直覺相反，我的直覺是 Solana 將是最早採取這種方式的區塊鏈之一。 

08. 免責聲明

 ZK-Rollups 的未來可能看起來像是一個神奇的技術解決方案，但也有一些事情你需要記住。 

一般性概述

 這裡是一個不全面的清單： 

• 根據不同的 Rollups 實現，中心化的定序器在執行 MEV (礦工可提取價值) 方面可能更有優勢。
• 根據 Volitions 中的 Validiums 的數據可用性委員會的實現方式不同，數據委員會的驗證者有可能可以惡意凍結或者拒絕更新 Validiums 的狀態。但這種情況並不適用於 Volitions 中的 ZK-Rollups 模式。
• 許多 Rollups 的出現意味著有著更多的流動性場所，不管是代幣交易還是 NFTs 交易。雖然 ZK-Rollups 允許在 Rollup 和主網之間快速地轉移，甚至在 Rollup 與 Rollup 之間也是如此，但流動性的碎片化可能會造成早期的動蕩。幸運的是，諸如 dAMM (一個支持在不同 L2s 網路共享流動性的自動化做市商協議) 等旨在解決這一問題。

 運行一個 Rollup 證明器是需要消耗計算的，因此我們應該找到降低潛在的 kW/h 消耗的方法，同時使證明器更高效。 

 話雖如此，除了 MEV (礦工可提取價值)，我預計市場將會 

Optimistic Rollups

 雖然我不相信 Optimistic Rollups 具有長期可行性，但對於以太坊而言，Optimistic Rollups 仍然是目前最好的兼容 EVM 的可擴展性方案。通用計算 EVM 兼容的 ZK-Rollups 還沒有出現，還需要一段時間才能實現本文中介紹的這種方案帶來的所有好處。 

Optimism 最近宣布了將對其執行環境進行一項令人激動的變更，這將極大地造福於用戶和開發者。Arbitrum 很快也將迎來 Nitro 升級，這將增強該網路的 EVM 兼容性，並為其用戶提供更快的速度。 

有趣的是，越來越多新的和現有的 DeFi 應用都部署在這些 Rollups 網路中。這兩個 L2 網路已經吸了數十億美元的流動性。從以太坊 L1 橋接至 Optimism 或者 Arbitrum 網路只需幾分鐘！ 

• 你可以通過此鏈接來橋接至 Optimism：
• 或者通過此鏈接來橋接至 Arbitrum：

我建議你在與這兩個網路中的任何一個互動之前，都要驗證每個鏈接的有效性。你可以通過 Optimism 和 Arbitrum 官方推特賬號的個人資料里公布的鏈接來進行再次確認。 

截至撰文時，Optimism 對於可以部署在其上的智能合約設有白名單，但普通用戶可以隨心所欲地使用白名單中的任何智能合約應用。我預計該白名單很快就會取消。Arbitrum 沒有設置白名單，用戶和開發者都可以自由地交易和部署他們的應用。 

需要記住的是，使用這兩個網路自身的橋樑來將資金撤回至以太坊主網都需要等待約 7 天時間 (這是 Optimistic Rollups 處理欺詐問題的方式)。當然還有第三方服務橋樑，讓你可以在 Rollup 和主網之間來回交換，但這些橋樑會收取費用。在使用任何一個橋樑之前，你需要自己進行研究，並對滑點和費率進行仔細檢查。 

09. 總結

 我們正處在一個巨大的範式轉變的邊緣，這將永遠改變加密貨幣生態系統 

在可擴展性方面有著很多不同的主張。數千個小時的研究、實現、成功和失敗都在尋找創造這個眾所周知的明亮燈泡 (即 ZK-Rollups) 的正確方式——當然，這方面的工作遠未結束。前面的道路是曲折的，但目的地從來都沒有像現在這麼明確過。 

希望本文能夠讓你在思考這個行業未來時有助於塑造你的思維模式。我對即將發生的事情感到無比興奮。