前言

2015年以太坊的推出標志着區塊鏈技術發展的一個重要裏程碑，爲創新和去中心化解決方案提供了平台。然而，隨着以太坊迅速變得受歡迎，可擴展性和高Gas費成爲了巨大的挑戰。盡管存在這些障礙，以太坊仍然堅定地追求極致的可擴展性，同時又不影響去中心化或安全性。

要深入研究以太坊的擴展解決方案以及可擴展性、安全性和去中心化之間的復雜平衡，就必須先了解區塊鏈三難困境——區塊鏈技術的一個基本概念。本文探討了擴展解決方案的多樣化前景，包括鏈上和鏈下方法，重點關注匯總（Rollup）解決方案。通過比較樂觀匯總和零知識匯總，本文旨在闡明每種方法的微妙權衡和好處，揭示它們對以太坊的未來和更廣泛的區塊鏈生態系統的影響。

區塊鏈三難困境

可擴展性、安全性和去中心化特性是區塊鏈的三大核心特徵。

安全性

安全性意味着保護網路免受攻擊，並確保所有交易都是安全且防篡改的。

去中心化

去中心化是指分散網路的控制權，這樣單個實體就不會擁有過多的權力，使網路由多節點運行，而不僅僅是一個中央機構。

可擴展性性

這是網路隨着其交易量增長而能快速有效地處理大量交易的能力。

來源： Ethereum

區塊鏈無法同時實現所有這些目標，因而這被稱爲“區塊鏈三難困境”。增強一項特性通常意味着犧牲其他特性，人們認爲這種三難困境嚴重限制了區塊鏈技術的採用和潛力。舉例來說，更大程度的去中心化（更多的負責人）可能會導致網路的可擴展性降低，交易速度變慢，因爲更多的節點必須就交易達成一致。然而，隨着可擴展性的增強（處理交易的速度變快），可能有必要減少“去中心化”（控制網路的節點更少），這可能會對安全性產生影響。嚴格的監管和更少的節點可能會導致交易變得更慢、更加中心化，如果優先考慮安全性，這又將限制網路的可擴展性和去中心化特性。

鏈上和鏈下擴展解決方案

鏈上擴展的過程需要對以太坊的第1層主網協議進行修改，該協議最初旨在通過分片（將區塊鏈劃分爲更小的、可驗證的區域）進行擴展。通過利用以太坊區塊的較便宜的數據附件，第2層匯總已成爲主要的擴展技術。

另一方面，鏈下擴容解決方案不依賴於以太坊的第1層協議，也不需要做出任何協議更改。他們處理以太坊主網之外的交易，以此來獲得可擴展性，並且直接從以太坊共識或通過獨立鏈獲得安全性。側鏈、狀態通道、Plasma、Validium 和匯總是其中的一些第2層解決方案。

匯總擴展解決方案

來源：DappRadar

由以太坊保護的匯總通過處理和驗證鏈下交易，然後將交易的簡明摘要發送到主網，提高了以太坊的可擴展性。因此，以太坊第1層協議主網處理更少的數據和計算，從而加快網路速度並降低交易成本。

進入和退出

退出和進入是在以太坊和第2層擴展解決方案之間轉移資金的過程。

• 進入：要使用 L2 解決方案，用戶需要將資金存入以太坊上的智能合約中，該合約會鎖定資金，直到它們被提現提現爲止。
• 退出：要取回資金，用戶需要向智能合約提交 L2 解決方案上的餘額證明，智能合約會將資金釋放到他們的以太坊地址。不同的L2解決方案有不同的證明和驗證交易的方法，例如零知識證明或欺詐證明。這些方法影響退出和進入的速度、成本和安全性。

零知識匯總 (ZK) 和樂觀匯總

零知識（ZK）和樂觀匯總是以太坊的兩類擴展解決方案。

零知識匯總

零知識匯總（俗稱 ZK 匯總）假設所有交易都是假的，直到通過零知識證明（ZKP）證明有效才爲真，這與樂觀匯總下的交易形成鮮明對比。在這裏，驗證者證明交易是真實的，而不透露任何交易細節。這是通過將有效性證明發布到以太坊來完成的，從而無需鏈上交易數據。使用零知識匯總協議有 Starknet、zkSync 和 Loopring。

來源：Nervos

零知識匯總的主要功能

零知識證明

此功能允許“證明者”向“驗證者”證明陳述的真實性，而不會透露除陳述真實性之外的任何信息。它確保驗證聲明時的隱私和安全，而不會暴露底層數據。

ZK-SNARK（零知識簡潔非交互式知識論證）

協議可以在不知道任何其他信息的情況下驗證語句的完整性。它簡潔且非交互，意味着證明量很小並且驗證很快，只需要一次交互。

ZK-STARK（零知識可擴展透明知識論證）

與 ZK-SNARK 類似，但該證明可擴展且透明，能夠更快地處理更大的數據集，並且即便它會產生更大的證明也無需可信設置。

零知識匯總的工作原理

1. 用戶交易提交：用戶通過私鑰籤名來發起交易。這些交易被提交給 ZK 匯總運營者。

2. 運營者處理：運營者（無論是排序器還是驗證者）接收用戶交易。排序器在鏈外執行交易，將它們聚合成批次，並定期將這些批次提交到以太坊的區塊鏈。驗證者在權益證明設置中處理交易，並根據權益大小提出新批次。

3. 批量壓縮和提交：在提交到以太坊之前，運營者壓縮交易數據以減少調用數據大小。然後，該壓縮數據將包含在以太坊交易中並發送到 ZK匯總智能合約。

4.鏈上承諾：以太坊的智能合約接收批量數據並驗證其完整性。它使用新交易更新匯總的狀態樹，並存儲此更新狀態的默克爾根。

1. 零知識證明生成：ZK 匯總運營者爲每個批次生成零知識證明。這些證明以密碼方式證明了狀態轉換的正確性，而不會泄露敏感信息。

2. 證明提交：運營者向以太坊驗證者合約提交零知識證明。該合約驗證證據並確保提議的狀態轉換有效。

3. 狀態根更新：成功驗證零知識證明後，以太坊的智能合約會使用根據最新批次的交易計算出的新默克爾根來更新匯總的狀態根。

4. 用戶交互：用戶可將資產存入以太坊、發起交易以及提取資金，以與ZK匯總進行交互。充值是將資產發送到匯總合約來進行的，而提現則涉及向合約提交帶有必要證明的請求。

5. 驗證和執行：匯總合約驗證提現請求，確保它們有效並有必要的證據支持。驗證後，合約執行提現，將資產轉移到用戶在以太坊主網上的指定地址。

零知識匯總的優點

• 有效性證明：ZK匯總使用有效性證明來驗證鏈下交易的正確性，這可防止操作者執行無效的狀態轉換並提供更快的終局性。
• 數據壓縮：ZK匯總使用壓縮技術來減少鏈上發布的數據量，這能降低用戶的費用並提高 匯總的可擴展性。
• 即時提現：ZK匯總允許用戶毫不延遲地將資金從 L2 提現到 L1，因爲一旦在 L1 上驗證了有效性證明，就會執行退出交易。

零知識匯總的缺點

• 證明生成和驗證：ZK匯總需要復雜的密碼學和工程來生成和驗證有效性證明，這可能會增加匯總運營者和用戶的成本和挑戰。
• EVM 兼容性：ZK匯總不容易與 EVM 兼容，因此很難支持通用智能合約以及匯總上現有的 dapp 和工具。
• 中心化風險：ZK匯總可能會導致少數方對匯總進行集中控制，因爲生成有效性證明需要專門的硬件和專業知識。

零知識匯總的用例

零知識 (ZK) 匯總非常適合各種用例，特別是那些需要在隱私、可擴展性和安全性之間取得平衡的用例。以下是零知識匯總的一些用例。

去中心化身份驗證

ZK匯總可以在不泄露敏感個人信息的情況下驗證個人身分。這種隱私保護功能對於安全身分驗證和用戶管理非常有價值。

隱私保護交易

區塊鏈節點可以在不直接訪問交易數據的情況下驗證交易。ZK匯總可實現保密且高效的傳輸，同時保持安全性。

投票系統

投票系統需要確保選舉的匿名性和完整性，同時支持公開結果驗證。

樂觀匯總

樂觀匯總將交易移至鏈下並僅在鏈上發布數據，以此來擴展以太坊。他們假設並相信鏈下交易是有效的，而無需檢查它們。然而，樂觀匯總使用欺詐證明來檢測鏈下交易中的錯誤或欺詐。Arbitrum 和 Optimism 就是兩種最流行的樂觀匯總協議。

質疑期是指將匯總批次提交到以太坊網路後的時間。在此期間，任何人都可以質疑匯總交易的有效性。質疑期結束後，如果匯總未受到質疑，將認爲匯總批次在以太坊上是有效的。相反，如果防欺詐成功，協議會重新執行交易並懲罰有問題的排序器。

來源：Nervos.org

樂觀匯總的工作原理

1. 用戶發起的交易提交：在使用樂觀匯總協議的網路上，用戶發起交易。排序器或運營者接收此交易。

2. 交易聚合和鏈上提交：運營者將所有這些單獨的交易編譯成一個塊，並通過壓縮來減小數據的大小，創建一批準備處理的交易。隨後，運營者將這批交易提交到以太坊網路。交易數據在此過程中被打包並作爲調用數據發布在以太坊上。

3. 以太坊上的數據可用性：以太坊將調用數據中發布/提交的交易數據記錄在其區塊鏈上。這確保了交易數據的可用性以供將來參考。

4. 狀態轉換和承諾：樂觀匯總網路上的驗證者（在某些情況下也稱爲排序器）使用鏈下存儲的匯總鏈的當前狀態執行交易。他們驗證交易的有效性並相應地更新匯總狀態。處理完交易後，運營者通過生成新的狀態根來提交匯總鏈的新狀態。該根被哈希並存儲在鏈上，作爲對匯總最新狀態的引用。

5. 欺詐檢測和欺詐證明：驗證者通過監控匯總鏈來密切關注自己的執行狀態與運營者提議的狀態之間的任何差異。如果驗證者發現差異，他們可能會質疑匯總區塊的有效性。如果遇到質疑，驗證者可以向以太坊提供欺詐證明，證明匯總區塊中的任何不一致之處。這些證據可作爲欺詐活動的證據，並觸發對不誠實運營者的處罰。

6. 仲裁和解決：以太坊是爭議解決過程中的仲裁者。它評估質疑者提供的欺詐證據，如果欺詐行爲得到證實，將對運營者實施處罰。

7. 終局性和結算：一旦以太坊接受匯總區塊，它就實現了終局性，這意味着其中的交易被視爲已結算且不可逆轉。該結算使用戶相信樂觀匯總網路上交易的完整性。

樂觀匯總的優點

• EVM兼容性：樂觀匯總可支持任何能在以太坊上運行的智能合約或交易，因此它們能輕鬆地與現有的 dApp 和工具集成。
• 低延遲：樂觀匯總提供快速的交易確認時間，因爲用戶不必等待在L1上驗證有效性證明。
• 高吞吐量：樂觀匯總可將計算移至鏈外並僅在鏈上發布交易數據，從而每秒處理數千筆交易。

樂觀匯總的缺點

• 欺詐證明：樂觀匯總依賴欺詐證明來確保鏈下交易的正確性，這需要一段充滿質疑的時期和額外的Gas成本才能在 L1 上執行。
• 數據可用性：樂觀匯總取決於L1上交易數據的可用性，這可能會受到網絡擁塞或惡意行爲者的影響。
• 提款延遲：用戶從L2提款到L1時，樂觀匯總要求等待一段時間，等待期因匯總設計的不同可能從幾個小時到幾天不等。

樂觀匯總的用例

樂觀匯總解決了基於以太坊的應用程序中的可擴展性挑戰，同時保持信任和安全性，使其成爲不同行業各種用例的理想解決方案。這些包括;

去中心化金融（DeFi）

樂觀匯總可大大提高 DeFi 平台的交易吞吐量，從而實現與貸款、交易和流動性挖礦等協議的更快、更便宜的交互。

遊戲

在遊戲應用程序中，實時交互和遊戲內操作的快速確認至關重要，樂觀匯總提供了一種處理鏈下交易的方法，同時通過鏈上數據發布來維護安全性。

供應鏈管理

樂觀匯總可處理鏈下大型交易，從而簡化供應鏈流程，減少以太坊主網上的擁堵。這在跟蹤貨物、驗證真僞和管理庫存方面特別有用。

身分驗證

樂觀匯總可用於驗證身分和管理用戶配置文件。通過卸載計算和狀態存儲，這些協議可提高身分相關交易的效率。

零知識（ZK）匯總和樂觀匯總的比較

結語

樂觀匯總和零知識匯總之間的比較突顯了以太坊生態系統內可實現擴展性和安全性的精確細致方法。樂觀匯總優先考慮交易速度和與現有以太坊基礎設施的兼容性，而零知識匯總在隱私保護和加密完整性方面表現出色。這兩種解決方案都代表了區塊鏈技術的重大進步，提供了滿足不同用例的獨特優勢和權衡。

隨着以太坊的不斷發展，在塑造去中心化金融、不可替代代幣和其他區塊鏈應用程序的未來方面，這些匯總解決方案的採用和完善將發揮關鍵作用。這種多樣化的擴展解決方案的實施突出了以太坊對創新和韌性的承諾，致力於克服可擴展性挑戰同時堅持安全和去中心化特性的核心原則。