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LAS:如何理解 layer 2 数据可用性解决方案 ZK Rollup?

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时间:1900/1/1 0:00:00

作者注:ZKRollup不是一个新的提案,大约在一年前被BarryWhitehat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MatterLab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ZKRollup,也会简单带一下前阵子在PlasmaGroup所提出的OptimisticRollup。

ZKRollup一开始提出来的时候,是被定义为layer2的解决方案,年初的时候一度以PlasmaIgnis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layer2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,所以搜寻‘PlasmaIgnis’会找不到什么东西。到最近,Rollup被更名为semi-layer2的解决方案,就是有一点layer2但又没这么layer2…XD

简单一句话解释ZKRollup就是,数据放在链上的layer2解决方案。

在了解ZKRollup之前,先来解释原本layer2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,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。

央行回应非指定机构如何参与数字人民币运营:央行表示,需发挥其他商业银行及非银行支付机构作用,与指定运营机构一起,共同提供数字人民币流通服务,包括支付产品设计创新、系统开发、场景拓展、市场推广等服务。(一财)[2021/7/16 0:57:56]

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,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。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

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,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,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。

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实际在智能合约里,用两个merkletree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,因此地址的数据量就从原本的20bytes减少到只有3bytes,另一棵树则记录balance跟nonce。

-地址的默克尔树-

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这是数据格式,

因为用索引值当地址的代表,所以只需要3bytes,Value的部分是以10^-6当作基底,这样只需要15bytes就可以代表一笔交易,而储存这样一笔交易大约只需要892gas,而一般ether的转移需要21Kgas,因此交易速度能提升。

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-https://vitalik.ca/general/2019/08/28/hybrid_layer_2.html-

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~=25tps

所以现在的交易瓶颈其实是gas的问题,下降交易手续费或是提升区块gas上限,都能适时纾困,而ZKRollup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ZKRollup后交易速度能到多快

(8M—600K(zk-SNARK验证)—50K)/892/15~=550tps

这个数字就是Vitalik文章的标头“On-chainscalingtopotentially~

500tx/sec”。但实际上并没有这么理想,在作者Barry的实作中,大约只有268tps,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layer2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,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20tx/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!

MatterLab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(DelegatedProofofStake),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,MatterLab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。再加上一些数据的优化,测试结果可达到1600tps。

-https://medium.com/matter-labs/introducing-matter-testnet-502fab5a6f17-

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ZKRollup的进阶版—ZKZKRollup,有兴趣的人可以参考这篇文章,记录的很详细。

Plasma&OptimisticRollup

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

Karl基于ZKRollup的设计,在上个月提出OptimisticRollup,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,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ZKRollup。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,这边就不详细介绍,有机会再写一篇Plasma/OptimisticRollup的详细介绍。

在估算上,交易速度约是100tps,若签章方式改为BLS,约可提升到450tps。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400/2000tps。

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PlasmaGroup的角色,但我是把他定位成PlasmaGroup的leader

文章内容若有错误或是不同观点,欢迎指教

references:

On-chainscalingtopotentially~500tx/secthroughmasstxvalidation

IntroducingMatterTestnet

OptimisticRollup

标签:ROLLROLASMLASTROLLER价格BankRolljasmy币超话社区ClassicBitcoin

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