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元宇宙之道丨一文了解使用 ZK-rollups 分片的以太坊如何成为一股不可阻挡的务实力量

“一文了解使用 ZK-rollups 分片的以太坊如何成为一股不可阻挡的务实力量。”

原文:Hackmd

所有区块链网络都存在可扩展性不可能三角问题。L1 网络推动可扩展性的难度越大,运行完整节点的最低硬件要求就越高。当无法轻松运行完整节点时,网络会变得更加中心化。很明显,以太坊长期以来一直将安全性和去中心化放在基础层的可扩展性之上。随着转向以 Rollup 为中心的路线图,以太坊正在利用其基础层(特别是其庞大的全节点网络)来提供强大的数据可用性来代替 L1 可扩展性,同时保持安全性和去中心化。

可扩展性的不可能三角。来源:Vitalik Buterin‌

我们今天习惯使用的以太坊网络上的大部分执行(DeFi、NFT 等)未来将转移到 Rollup 而不是发生在主网上。虽然 L1 专注于速度和安全性而不是去中心化有悖于这个行业的精神,但同样的不可能三角问题不适用于 Rollup。Rollup 继承了主网以太坊的安全性。通过以太坊处理的困难部分,Rollup 能够专注于成为可能的最佳执行层。

您现在可能已经听说过 Optimism 和 Arbitrum,它们都属于 Optimistic Rollup。即将出现的另一种 Rollup 是 ZK-rollup。目前已经有一些 ZK-rollup 实例,但它们都没有提供通用的计算 EVM 兼容性或 zkEVM。这种情况不会持续太久,因为 zkSync 2.0、Scroll、StarkNet 和其他公司都在处理这种情况并且进展很快。

那么为什么这很重要呢?当以太坊从单一链转变为模块化系统时,它改变了扩容竞争的态势。正如 polynya 之前所说,L1 智能合约区块链不再直接与以太坊竞争;他们正在与 Rollup 竞争。我相信与 EVM 兼容的通用 ZK-rollup 的出现不仅会导致 Optimistic Rollup 被淘汰,还会导致所有其他 L1 智能合约区块链被淘汰。

现实情况是,随着竞争的实现和专注于执行效率的自由,Rollup 将以极快的速度迭代到自己的最佳版本。由于它们都可能经历快速变化,因此在本文中,我不会尝试支持某一特定的 ZK Rollup。相反,我将在合并后、分片后的以太坊世界中强调 ZK-rollup 的功能和可能性。

1

安全

Rollup 的丰富安全保证实现了一些有趣的动态。

escapeHatch()

如果您将资金放在 Polygon PoS 或 Solana 上,并且网络离线了数小时,那么在停机期间您将对自己深陷其中的资金无能为力。与使用“侧链”或替代智能合约链不同,主网 Rollup 合约包含“逃生舱口”——escapeHatch(),这是不可更改的函数,即使 Rollup 网络离线,用户也可以将 Rollup 资金退出回主网。您始终可以根据需要手动向主网以太坊 Rollup 合约提交交易,包括使用您的资金退出 Rollup。

理想情况下,退出 Rollup 不会感觉像在飞行途中逃出飞机……这应该是一个相对舒适的过程。

中心化排序器和证明器(为什么它们不那么可怕)

我知道在我的介绍中我说过我会涵盖 Rollup 必须提供的“最好的”部分 …… 在有人在这里吹嘘之前,我会澄清一个显而易见的问题:理想的情况是排序器和证明器的完全去中心化。但是,最初情况并非如此。大多数 Rollup 将以不同程度的中心化启动,并从那里开始逐步去中心化 。也就是说,Rollup 中的中心化排序器比 L1 链中的中心化要安全得多,这一事实值得强调。

当使用中心化排序器或证明器的 Rollup 时,您会在信任和抗审查方面做出妥协,但不会影响安全性。排序器运营商无法窃取您的资金,您可以随时撤回到主网以太坊。实际上,您主要依赖中央排序器来保持活力。

我们之前都听过关于某某区块链是“数据中心链”的笑话。使用 ZK-rollups,您实际上可以拥有一个充满超高规格机器的数据中心,专门用于证明,并且这不会对网络构成生存风险。

去中心化排序器和证明器

值得庆幸的是,由于能够在需要时触发逃生舱口并且无法窃取资金,因此 Rollup 开发人员可以尝试各种方案而不必担心灾难性后果。去中心化排序器和证明器的设计空间相当大。在最终形式中,我希望排序器和证明器对公众普遍开放,并采取各种形式的经济激励措施(代币、股权、惩罚等)来确保理性行为。我们可以支持多个,而不是只有一个装满证明者的中央仓库!更重要的是,我们将拥有一个由企业、Rollup 开发人员和业余爱好者组成的分布式网络,运行证明器。

2

数据可用性

数据可用性是指每个以太坊节点需要维护的数据。在需要不可更改性的情况下,链上数据存储很有价值,但是,以太坊上的数据容量是有限的且需要大量资源来维护;存储不便宜!

一旦以太坊转向具有数据分片的模块化系统,Rollup 将享受大量的数据容量,并且只会随着时间的推移而增加。完整节点和验证器的绝对数量意味着以太坊将拥有最高容量的数据可用性。

以太坊数据分片

分片是对以太坊的多阶段升级。分片将充当网络数据存储需求的负载平衡器,从而在 Rollup 执行层获得巨大的可扩展性好处。重要的是,这也避免了对全节点的高要求,从而使网络保持去中心化。

最初,将有 64 个数据分片或“分片链”。最终,将有 1,024 个数据分片。数据分片不处理交易或智能合约;相反,它们将为 Rollup 提供额外的数据容量。

后分片时代的以太坊,图片来源:Hsiao-Wei Wang‌

Rollup 充当交易压缩的一种形式,偶尔会向主网以太坊发布单个状态根更新,其中包含在 rollup 层发生的许多不同交易的结果。因为他们必须将这些状态根更新发布到主网上,所以 Rollup gas 费用会受到区块空间需求的波动;通常会转嫁给 Rollup 用户的成本(更多内容会在 Amortization 章节中介绍)。一旦分片生效,网络容量将增加近 20 倍。这将使 Rollup 操作更便宜、更快。

协同地,作为 Rollup 的最终链意味着以太坊用户也可以从只有 ZK-rollup 可以提供的替代数据可用性解决方案中受益。

Volitions

Volitions 属于 ZK-rollup,包含一个 rollup 链和一个 validium 实例。Volitions 像 ZK-rollups 一样将状态根和证明提交给以太坊,但它们的不同之处在于它们允许用户选择他们是否想要或需要通过 Volition 的 rollup 来利用链上数据可用性或通过 Volition 的链下数据可用性有效性。这是一种权衡,仅适用于 ZK-rollup ;Optimistic Rollup 中没有 Volitions。

意志的一个例子是 zkSync 2.0:

zkSync volition,来自:Matter Labs‌

zkSync 的 validium 称为 zkPorter。在此方案中,数据可用性由 zkPorter 验证器保护。Matter Labs 声称这可以实现超过 20,000 tp/s 的速度,并将 gas 成本降低 100 倍。值得记住的是,ZK-rollup 上交易容量的最终上限实际上是一个受其证明者计算和存储能力限制的函数。我敢打赌,从长远来看,20,000 tp/s 实际上可能是一个保守的估计。

Adamantium

这里还有像 Adamantium 这样的提议,一种去信任的链下数据可用性解决方案,或 TODA,它们进一步寻求创新数据可用性空间。可以说,他们属于一种 volition 的范畴。该提案中的一个片段:

“……Adamantium,一种自治数据可用性协议……保留了链下数据可用性的扩展优势,同时消除了对任何愿意用户的所有信任假设。愿意做什么?就选择在线;如果他们不在线,他们的资金不会被盗,也不会被冻结——相反,资金会从 L2 转移回用户控制下的以太坊地址。”

与 volitions 一样,此解决方案仅适用于 ZK-rollups。

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交易成本和吞吐量

Rollup 的交易成本已经相当低,但还不够低。值得庆幸的是,在此过程中还有更多优化,这将大大降低 gas 成本。此外,还将部署许多技术来提高交易吞吐量。

Rollup 军队

鉴于主网上 Rollup 的轻量级性质,可能会有数百个 Rollup 并行运行,每个 Rollup 都能够支持数十万用户,每个用户都有自己巨大的吞吐量,所有这些都由以太坊提供支持和保护。如果一个 Rollup 已饱和(RPC 或排序器在负载下屈曲等),就会跳到另一个 Rollup 并开始交易。如果您需要,也可以分叉一个 Rollup 并自己部署它的副本。

有效性证明摊销(Validity Proof Amortization)

有效性证明摊销是指 ZK-rollup 上每批交易中的交易数量,因为它与验证的 gas 总成本有关。

在这种情况下,我将为您提供一种快速内化摊销概念的方法。请记住,为简单起见,这个例子在数学上并不准确。我提供的公式只是为了说明;实际上,Rollup 交易成本的细分并不是那么简单。也就是说,在我们想象的场景中:

  • 更新状态根需要累积 5,000,000 gas

  • 就像主网一样,用户在进行 Rollup 交易时需要支付 gas 费

  • 每笔交易的价格遵循一个公式 x = 5000000 / y,其中 x 是每笔交易的价格,y 是任何给定批次中的交易数量

你应该能够推断出:

  • 200 批交易的单笔交易成本为 25,000 gas

  • 100,000 批交易的单笔交易成本为 50 gas,基本上可以忽略不计

随着越来越多的人提交批次,交易的摊销成本变得更便宜。这与整体区块链完全相反,比如今天的以太坊,随着活跃用户数量的增加,对区块空间的需求也会增加,从而导致 gas 价格飙升。

摊销的一个例子:StarkEx 提供了一种称为 SHARP 的机制,是“Shared Prover”的缩写,它在所有 StarkEx 部署中摊销成本。

Volition

大多数关于 volitions 的相关信息都包含在前面的 Volitions 部分中。尽管如此,它们与 Rollup 吞吐量的故事相关,因此值得再次提及它们。简要回顾:

  • volitions 使开发人员和用户能够在验证中利用链下数据可用性

  • 这种链下数据可用性虽然不如链上数据可用性安全,但可以极大地降低交易成本

  • 除了降低成本外,链下数据可用性还释放了大量额外的交易吞吐量

4

隐私

众所周知,隐私不是以太坊固有的。我们不能指望普通人或企业放弃他们的财务隐私。默认情况下,ZK-rollups 不是私有的。“ZK-rollup”中的“零知识”是指在链下进行的计算,然后通过零知识证明在主网上被验证为合法,这并不意味着“你的活动不会被窥探”。一切都没有丢失。在 ZK-rollups 的无许可隐私方面,有很多工作要做。

递归证明

在《一篇不完整的 Rollup 指南》中,Vitalik 写了一些关于 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup 之间的一些主要区别的文章。其中之一是两种 Rollup 如何处理隐私。他特别提到了递归证明。“递归证明”是指在另一个证明中验证一个证明的行为,例如,在另一个 SNARK 中验证一个 SNARK。这是一种方便的压缩技术,可以提高效率并降低隐私成本。

Aztec 正在研究一种所谓的 ZK-ZK-rollup 或 ZK²-rollup,它利用他们创新的 PLONK 证明和 Turbo-PLONK 来提供交易隐私。简而言之:

  • ZK-SNARK 代表 ZK²-rollup 上的每笔交易。这些是“内部”SNARK。

  • 另一个 ZK-SNARK,即 rollup SNARK,处理证明内部 SNARK 正确性的工作

请注意,Optimistic Rollup 无法实现这一创新,因为它们不能安全地允许内部 SNARK 验证发生在 Rollup 之外;数据必须发布在链上。这并不是说 Optimistic Rollup 不能从零知识证明中受益,但它们总是效率较低且成本效益较低。

此时,zkSync 和 Mina Protocol 已经采用了 PLONKs。随着时间的推移,我们可以期待递归的进一步创新(包括来自 Groth16、Marlin、Fractal、Halo2 等其他证明),为所有 ZK-rollup 带来更便宜、更强大的隐私形式。

Turbo-PLONK 多项式逻辑单元,如图所示。来自:零知识峰会

5

灵活性

ZK-rollup 享有在多个方面进行创新的自由,而没有 L1 链带来的灾难性故障的风险。以太坊以 roll 为中心的路线图的一个关键原则是,自由市场正在寻找构建 Rollup 的所有最佳方法,而不是一小群核心开发人员假设什么应该是最好的。

由于开发和部署 Rollup 是一项无需许可的工作,因此我们将在争夺新用户的竞赛中看到许多不同的 Rollup 方法。这包括不同风格的治理、代币经济学和流动性激励、去中心化范围内的不同权衡、意识形态的不同表达,甚至是 LLVM、自定义 VM 等 VM 环境的不同选择。

不过,并非本节中提到的所有内容都是 ZK-rollups 独有的。尽管 ZK-rollup 提供的某些功能还不足,但 Optimistic Rollup 具有许多相同的灵活性。然而,其他 L1 智能合约区块链无法像 Rollup 那样快速地迭代其中任何一个。请记住:现在是 Rollup 对抗 L1 智能合约平台。

如果 L1 链试图迭代太快,而没有采取适当的测试和安全措施,那么它的用户就会面临很高的风险。这些网络上的所有资金始终都是赏金。当 L1 链出现故障时,损失可能是灾难性的。停机时间还会影响 L1 可能拥有的任何扩展执行环境(Rollup、状态通道等)。优先考虑安全性和去中心化是有好处的。

在最坏的情况下,当 rollup 中断时,需要手动操作直到修复。我可以想象,类似于在 Etherscan 上与合约进行交互,Rollup 开发人员和应用程序开发人员可能会提供“在紧急情况下”的门户网站,允许用户在需要时快速简便地手动操作 Rollup。值得庆幸的是,这些快速迭代很可能会在早期(在宏伟的计划中)得到解决,我想他们的开发将非常谨慎地完成。

6

各种各样的 Rollup 应用

外包计算(和数据可用性)支持许多新的链上应用程序,这些应用程序在今天的主网以太坊或任何其他在线智能合约平台上都不可行。这种新范式还允许我们构建任何现有链上产品的高级版本。

特定于应用程序的 ZK-Rollup

虽然本文主要关注通用计算 ZK-rollup 的好处,但关于特定于应用程序的 ZK-rollup 的影响还有很多要说的。

dYdX 交易所

由 StarkEx 提供支持的 dYdX 是一个去中心化交易所,支持永续合约、保证金和现货交易,以及借贷。自 L2 推出以来,dYdX 在其 ETH/USD 交易对上获得了与 FTX 相媲美的流动性。虽然其中很多可能是雇佣流动性参与了他们的 $DYDX 代币奖励计划,但我相信 dYdX 或其他一些 ZK-rollup 原生 DEX 有一天会在交易量和流动性方面永远超过所有合约交易所。

dYdX 的 ETH 流动性可与 FTX 匹敌;2021 年 9 月 26 日。来源:Hsaka‌

在用户体验方面,您只需要一个以太坊钱包和一些 ETH 即可登录并开始在 dYdX 上进行交易。与一般的中心化交易所不同,不需要 KYC,不需要向第三方存储您的个人信息,当然 DEX 是非托管的。您确实需要将资金转移到 Rollup 才能使用 DEX,但您可以控制并在需要时将资金提取回主网。dYdX 的用户说,它感觉与使用中心化交易所一样灵敏。

某些链引起了 HFT (高频交易)人群的关注。假设 HFT 公司是理性的、受利润驱动的实体,我想随着时间的推移,这项活动将主要存在于 ZK-rollup 上。

Immutable X

另一个迅速获得关注的例子是 Immutable X,这是一种 Volition (也由 StarkEx 提供支持),可为 NFT 提供巨大的扩展优势。最近,TikTok 选择 Immutable X 作为其 TikTok Top Moments NFT 的底层平台。在 Immutable X 上,你无需支付 100 到 1000 美元的 gas 成本来铸造 NFT,而是让用户以一美元甚至免费的价格铸造它们。以下摘自他们的 alpha 交易公告:

Immutable X 提供无 gas 和即时交易:对于任何市场、游戏和去中心化应用程序,Immutable X 提供无 gas 交易(无 gas 铸造、交易、赚取、收集)、即时 NFT 交易(每秒最多 9,000 笔交易)可扩展性,而不会影响用户的保管。

您是否注意到他们所说的每秒高达 9,000 多笔交易的部分?

物理和游戏引擎(ZK-Rollups 上的 DOOM 什么时候?)

一位名叫 guiltyyoza 的推特用户在 StarkNet 上展示了他的许多实操实验。我预计,随着工具变得更加强大和实验的继续,我们将看到大量以前无法想象的新链上游戏。

简单格子和引力场中的二体问题,运行在 StarkNet 上。来源:guiltyyoza

其他概念

Volitions 将为 Web 3.0 的使命提供新的方法。例如,链原生社交网络之类的东西应该会从链下数据可用性中受益匪浅。杰克·多尔西 (Jack Dorsey) 谈到了他将 Twitter 转变为开源分布式系统的计划,其中 Twitter 只是“Twitter”协议之上的一个客户端。Volitions (validiums,更具体地说)可以在这个现实中发挥关键作用。

同样,我可以想象 Vine 的开源复活,其中经典的短(6 秒或更短)用户提交的视频被铸造为 NFT。TikTok 和他们的“Top Moments”计划与这个想法类似,但 TikTok 终究是一个闭源实体。

7

这场比赛的下一步是什么?

ZK-rollup 带来了很多好处,以太坊很快就会让它们发挥最大的潜力。但是竞争链呢?在各种意义上都被超越了,他们会怎样?这是一个很好的问题,不可避免地会有许多复杂的答案。我对他们的命运有一些想法。

以太坊的务实黑洞

在过去的一年里,我们看到了许多“又便宜又快”的 EVM 链如雨后春笋般涌现。我们还看到链上线,承诺“击败可扩展性不可能三角!”在基础层,对 Layer 扩容的概念挥之不去(它们的真正含义是为了速度和安全性而牺牲了去中心化)。

现在应该很清楚,通用计算 ZK-rollup 将比任何 L1 智能合约链所希望的更安全、更快、更分散、更具适应性和灵活性,并且更轻量级。这些事实很重要;每个独立的链都将承担不必要的安全开销和风险,同时是劣质产品。

在我看来,未来务实的解决方案是让这些链放弃其冗余的共识机制和数据可用性,成为 ZK-rollup 或 Volition。他们应该融入以太坊一流的安全性、数据可用性和结算保证。

将共识和安全的工作外包给以太坊将使这些链能够严格专注于执行。在后分片、后 Rollup 的主导世界中,这是他们保持相关性的机会。否则,他们的安全包袱将太重而无法跟上。随着时间的推移,这将是一个变得更加清晰——非常明显——的现实。

以太坊(左)和所有其他 L1 执行层(右),大约在 2023 年。

图片来源:NASA/CXC/M.WEISS

可以说,像 Solana、Avalanche、Fantom 和 Binance Smart Chain 这样的网络在任何潜在的 Rollup 治理代币上都有优势。这些网络(以及其他类似网络)的原生代币:

  • 有时间达到某种程度的分布

  • 是“已知实体”

  • 有交易所支持

  • 具有深厚的流动性

也就是说,放弃他们冗余的共识机制和安全代价成为以太坊 Rollup 并不意味着他们的代币消失了。相反,他们可以重新利用代币来调整证明者和排序者的激励措施或提供链上流动性激励措施。这些链不需要牺牲他们的身份,只需要牺牲他们的危险包袱。这对所有人来说都是积极的。

现实

假设这些链的架构师、风投和用户会如此迅速地接受这一现实,如果他们愿意的话,那将是愚蠢的。模因很强大,不乏自豪感,很多风投都有一个梦想,他们想继续卖给散户投资者。

历史告诉我们,区块链的消亡从来都不是一个快速的过程。今天你可以在以太坊经典之类的平台上观察到数千个空块,这表明在任何地方都明显缺乏采用。以太坊经典并不孤单;还有很多其他人喜欢它。它们仍然站着,站着,直到有一天他们不再存在。如果选择的话,在现实收取应得的费用之前,有足够的时间出现认知失调。

时间

即使这些链选择务实的方法,也需要大量的研究、准备来实现这种规模的更改。任何链都需要很长时间才能执行。也许与直觉相反,我的直觉是 Solana 将是最早这样做的项目之一。

8

信息披露

ZK-rollup 的未来可能看起来像是世界上所有问题的神奇技术解决方案,但有些事情你最好记住。

这不是一个包罗万象的清单。

根据 Rollup,中心化排序器(或通常的排序器)可能具有执行 MEV 的特权位置。

根据 Volition 的验证端数据可用性委员会的实施,数据委员会验证者可能会恶意冻结或拒绝更新验证的状态。这不会影响意志中 ZK-rollup 的状态。

许多 Rollup 意味着许多流动性的地方,无论是交易代币还是交易 NFT。虽然 ZK-rollup 允许在 rollup 和主网之间,甚至是 rollup-to-rollup 之间快速移动,但流动性碎片可能会导致早期动荡。dAMM 旨在解决这个确切的问题。

运行证明器在计算上要求很高,我们会很好地找到方法来减少它们的潜在能源消耗,同时提高它们的效率。

请注意,证明不是像工作量证明挖矿那样的消耗游戏;随着时间的推移,它不会变得更难。因此,在 PoW 时代,证明者的能源使用量不太可能接近以太坊的能源使用量。

也就是说,除了 MEV,我预计市场会相对较快地为大多数问题提供解决方案。就 MEV 而言,这是一个棘手的问题,不幸的是,任何一种神奇的解决方案或协议都无法解决,但 MEV 最小化和民主化的各种方法将有助于减少其影响。

Optimistic Rollup

虽然我不相信 Optimistic Rollup 的长期可行性,但它们仍然是当今以太坊最好的 EVM 兼容扩展解决方案。通用计算 EVM 兼容的 ZK-rollup 还没有上线,我们还需要一段时间才能实现我在本文中介绍的所有好处。

Optimism 最近宣布对他们的执行环境进行一项激动人心的改变,这将使用户和开发人员都受益匪浅。Arbitrum 将很快完成其 Nitro 升级,这将增强 EVM 兼容性并为其用户提供更快的速度。

越来越多的新的和现有的 DeFi 应用程序都在这些 Rollup 上部署。两个网络之间有数十亿美元的流动性。这两个网络都非常值得尝试和支持。桥接 Optimism 和 Arbitrum 只需几分钟!

您可以通过在此处连接来尝试 Optimism:

https://gateway.optimism.io/welcome

您可以通过在此处进行桥接来试用 Arbitrum:

https://bridge.arbitrum.io/

我敦促您在与任一网站交互之前验证每个 URL 的有效性。您可以随时在 Optimism 的 Twitter 和 Arbitrum 的 Twitter 上仔细检查个人资料链接的网站。

在撰写本文时,Optimism 仅适用于智能合约的白名单,但用户可以随意使用任何列入白名单的智能合约。我猜测这个白名单很快就会被取消。Arbitrum 没有白名单;用户和开发人员可以自由地交易和部署他们的内心内容。

请记住,两个网络的资金要返还到主网需要 7 天(Optimistic Rollup 处理欺诈的方式所导致的)。有第三方服务跨链桥,您可以在其中从 Rollup 到主网来回交换,但需要付费。在使用它们中的任何一个之前进行自己的研究,并始终仔细检查您引用的滑点和费率。

9

结论

我们正处于巨大的范式转变的边缘,这将永远改变加密生态系统。ZK-rollups 将扩展以太坊,他们将尽其所能。这种范式转变足够强大,它非常清楚地标志着每个 L1 智能合约链时代结束的开始——即使是我们今天所知的以太坊。

还有许多不同的扩展提案。数千小时的研究、实施、成功和失败都在努力寻找正确方法——当然,这项工作还远未结束。前方的道路充满曲折,但目的地却从未如此清晰。

我希望这篇文章能帮助你在考虑这个行业的未来时塑造你的心理模型。看到为我们所有人准备的东西,我感到无限兴奋。

往期回顾

zkRollup 改进提案:无需 tx 历史数据,以实现 gas 效率和隐私提升

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