简单一句话解释 ZK Rollup 就是,数据放在链上的 layer 2 解决方案。

原文标题:《科普 | ZK Rollup & Optimistic Rollup》
作者 : Kimi Wu
翻译 : 阿剑

作者注:ZK Rollup 不是一个新的提案,大约在一年前被 Barry Whitehat 所提出,同时间 Vitalik 在以太坊研究员的论坛有一篇比较完整的文章解释,现在由 Matter Lab 在开发。研究完 zk-SNARKs 之后,一直没空来看,直到最近才有机会来深入了解。除了 ZK Rollup,也会简单带一下前阵子在 Plasma Group 所提出的 Optimistic Rollup。

ZK Rollup 一开始提出来的时候,是被定义为 layer 2 的解决方案,年初的时候一度以 Plasma Ignis 这个名称作为发表。应该是因为去年 Plasma 很红,一直不断有新的提案跟进展,加上这当时也被定义为 layer 2 的解决方案,这些种种原因,开发者就冠上了 Plasma 的名称,不过因为这项技术跟 Plasma 的精神完全不一样,被社群抗议,后来就恢复到 Rollup 这个名称(开发者的声明),所以搜寻 「Plasma Ignis」会找不到什么东西。到最近,Rollup 被更名为 semi-layer 2 的解决方案,就是有一点 layer 2 但又没这么 layer 2。

简单一句话解释 ZK Rollup 就是,数据放在链上的 layer 2 解决方案。

在了解 ZK Rollup 之前,先来解释原本 layer 2 有什么问题。以 Plasma 为例,Plasma 链只把 Plasma 区块的 hash 放上 Ethereum 主链上做公正(欲了解 Plasma 可以参考这里),也就是在链下交易了数百或数千笔的交易,最后上链只有几十个 bytes,这是链下交易的精神,但也是设计上最麻烦的地方——数据的可取得性(编者注:大陆一般译为 「数据可用性」)。
就是当有人要离开这个链时,需要一个额外的游戏规则,在 Plasma 叫做挑战期(因为链上没有数据,需要侧链参与者的提供证据),这衍生了有数据才能挑战,所以大家都要存一定数量的数据,相较于跟主链的互动,只需要装一个钱包,并不需要下载区块数据,用户体验上差异很大。挑战期的另一个问题是,使用者需要保持上线状态,不然错过挑战期,就代表默认了交易(因为是采用诈欺证明并非是有效性证明)。简单来说,因为数据的可取得性问题,衍生了:

  • 使用者需要常常在线
  • 需下载部分数据
  • 而造成使用者体验很糟(当然现在的 Plasma 设计已经改进了不少)

如何将数据放在链上,又不会造成数据过大呢?

首先,先介绍整体架构。跟 Plasma 一样,有一个智能合约做担保,有中继者 (relayer) 帮忙送交易到智能合约(在 Plasma 叫 operator),中继者除了送交易外,还需要产生 SNARK 证明,一起送上链做验证。

智能合约的部分,可以想象跟 ERC20 一样,在合约里记每个参与者的帐,差别在于,标准的 ERC20 交易是由 Ethereum 这系统做验证,也因此不能合并(因为这就是 Ethereum 的标准交易),而 Rollup 中,是把好几笔交易包成一个标准交易,对 Ethereum 这个系统,就是一个交易,而验证交易的有效性则由智能合约做验证。

实际在智能合约里,用两个 merkle tree 做纪录,一棵树是纪录地址,所以只需要树的索引值就可以代表一个地址(未注册的索引值内容为 0),因此地址的数据量就从原本的 20 bytes 减少到只有 3 bytes,另一棵树则记录 balance 跟 nonce。

如何理解 layer 2 数据可用性解决方案 ZK Rollup?

这是数据格式(这是最初的提案,后来的实作交易量更小),
如何理解 layer 2 数据可用性解决方案 ZK Rollup?

因为用索引值当地址的代表,所以只需要 3 bytes (2²⁴个地址),Value 的部分是以 10^-6 当作基底,这样只需要 15 bytes 就可以代表一笔交易,而储存这样一笔交易大约只需要 892 gas (虽然 Value 是 6 bytes,但是文章中的假设大部分的交易只会使用到 4 bytes,所以算法是 13 bytes * 68 + 2 bytes * 4 = 892),而一般 ether 的转移需要 21K gas,因此交易速度能提升(所以 Vitalik 的文章标题是 「On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validation」)。
如何理解 layer 2 数据可用性解决方案 ZK Rollup?

为什么交易速度能提升?也顺便来了解一下交易速度

现今以太坊每个区块的 gas 上限约 8M,所以若单纯 ether 交易,速度约略是

8M / 21K / 15 ~= 25 tps

所以现在的交易瓶颈其实是 gas 的问题,下降交易手续费(编者注:指调低转账所需耗用的 Gas 数量)或是提升区块 gas 上限,都能适时纾困(但也会造成衍伸的问题),而 ZK Rollup 就是藉由交易数据量 (size) 的减少,进而能增加交易速度。那来看一下使用 ZK Rollup 后交易速度能到多快

(8M — 600K (zk-SNARK 验证) — 50K (预计合约运行的 gas 花费)) / 892 / 15 ~= 550 tps

这个数字就是 Vitalik 文章的标头 “On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec”。但实际上并没有这么理想,在作者 Barry 的实作中,大约只有 268 tps,因为每次资产的更新都会留下 event,所以有多余的 gas 花费,然而,这样的设计在应用上也是比较亲切的。

数据都在链上,而且透过 zk-SNARK 做验证,代表着上链的数据都是被验证过的,因此就没有一开始 layer 2 遇到的问题,需要挑战、需要下载数据等等。这也隐含着不需要信任中继者,因为他们无法作坏,最多就是不帮你送交易。

事情没有这么美好…

大家都觉得 zk-SNARK 像个万灵丹一样,用了好像什么事都解决了,不过实际上并没有这么完美。zk-SNARK 除了需要初始设定之外(编者注:指需要信任的初始设置),最大的问题就是需要大量的运算力,在 Barry 提供的数据中,中继者的计算机若是一台 8G 内存加上 20G 的硬盘 swap,大概只能产生 20 tx/sec,远远不及预期的 500tps 或是实作的 200 多 tps。所以这个方案最大的问题在于要怎么解决算力问题。

平行运算!

Matter Lab 使用了多中继者模型跟平行运算。多中继者的模型,很像小型的区块链,使用了 DPOS (Delegated Proof of Stake),还有随机挑选区块产生者,所以被挑选到的区块产生者,就可以收集交易、产生证明并且上链。这样的方法避免了中心化,若中继者被恶意攻击,整个网络还是能运作得下去,另一方面,也为平行运算做了铺路。零知识证明的产生非常花时间,因此基于多中继者模型,Matter Lab 提出了 “上链-验证” 两阶段的方式,也就是中继者先把数据上链,下一个阶段再上传证明做验证,进而达到平行运算(如下图)。再加上一些数据的优化,测试结果可达到 1600 tps。
如何理解 layer 2 数据可用性解决方案 ZK Rollup?

延迟…

听似很美好,但是因为你的交易被分两阶段上链,也就是从送出到到被验证,会是好几个区块,时间比原本单纯上链时间会更久。当然,延迟多久是使用者可接受的,这目前也无从得知。这是一个取舍,省了手续费,增加了交易速度,却也增加了时间的延迟,这一切也要等上线后才会知道。

今年初,Vitalik 在台北的线下聚会中分享了 ZK Rollup 的进阶版 — ZK ZK Rollup,有兴趣的人可以参考这篇文章,记录的很详细。

Plasma & Optimistic Rollup

Optimistic Rollup 在设计上跟 Plasma 相关,所以只会简单带一下差异。

Karl (注)基于 ZK Rollup 的设计,在上个月提出 Optimistic Rollup,概念上也是把数据都放链上,但不是用 zk-SNARK 做验证,因为希望能达成更普遍性的应用。而不一样的地方有,把 from 的部分,改为使用者的签章(65 bytes),因为数据量变大的,可想而知,花的 gas 会更多,交易速度就会不及 ZK Rollup。另一部份是,因为不是用 zk-SNARK 做验证,就需要数据验证的辅助方法(validity game),这边就不详细介绍,有机会再写一篇 Plasma/Optimistic Rollup 的详细介绍。

在估算上,交易速度约是 100 tps,若签章方式改为 BLS,约可提升到 450 tps。而在 10 月的硬分岔后,gas 会下降,预估的交易速度也会分别到达 400/2000 tps。(许愿:希望有人可以介绍一下 10 月的硬分岔细节 XD)

注:在中文的媒体文章中,都称他是 Casper 的核心研究员之一,但是从我一开始知道这个人,都是在大力宣扬 Plasma,他的部落格、twitter 都是跟 Plasma 相关的文章,不确定他在 Plasma Group 的角色,但我是把他定位成 Plasma Group 的 leader

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