随着 Ethereum 网络面临可扩展性问题，两个有趣的解决方案在二层扩展技术的前沿出现：Optimistic Rollups 和零知识 (ZK) Rollups。通过处理链下交易，这些开发旨在降低费用并提高吞吐量，从而缓解以太坊主网的拥堵。它们在二层领域的影响引人注目，因为它们针对同一个问题提供了多种解决方案，并在投资者和开发者之间引发讨论。
随着去中心化金融 (DeFi) 和不可替代代币 (NFT) 的出现，以太坊的网络容量受到了前所未有的压力。来自 Etherscan 的数据显示，平均 gas 价格在需求旺盛时期飙升，偶尔达到普通用户无法接受的水平。这凸显出迫切需要合理的扩展解决方案。
以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 在一篇关于 Layer 2 解决方案的博客文章中强调：“Rollups 目前被视为短期到中期内以太坊唯一的无信任扩展解决方案，甚至可能在长期内也是如此。”
这种支持推动了 Rollups 成为以太坊路线图上的基础。
Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 都将多个交易一起发送到以太坊主网，但它们在安全性和验证方面以不同的方式实现。构建或投资以太坊生态系统的利益相关者必须首先了解这些差异。
本文探讨了 Rollups 的机制，研究了 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 的特定特征，对比了它们的优点和缺点，并研究了它们当前和未来的应用。读者应该因此对这些技术有全面的了解，并最终了解它们将如何影响以太坊的未来。
什么是 Rollups？
从根本上说，Rollups 是设计用来在链下处理交易的 Layer 2 扩展解决方案，然后将数据的压缩版本提供回主网，从而增加像以太坊这样的区块链系统的吞吐量。减少主区块链的计算和存储负载是主要目标，因此在不影响安全性的情况下提高了可扩展性。
Rollups 将多个交易组合成一个批次，从而聚合或“汇总”许多值。然后，这个批次在链下运行，结果状态上传回主网。因此，Rollups 理论上可以实现比单独依靠以太坊主网高出多个量级的交易吞吐量。
基于以太坊改进提案 (EIP) 4844，即 Proto-Danksharding 的想法引起了很多兴趣，因为它旨在降低数据成本，从而使 Rollups 更有效。这一提案，以及其他提案，巩固了 Rollups 在以太坊扩展策略中的核心地位。
Rollups 利用以太坊网络的基础安全性。将交易数据或证明发布回主网可以确保用户即使在 Layer 2 解决方案遭到攻击时也能依赖以太坊固有的安全性保证。这是将 Rollups 与可能安全机制较少的侧链或其他 Layer 2 解决方案区分开的关键特征。
ConsenSys 的一项分析表明，Rollups 可以将以太坊的交易吞吐量从大约每秒 15 笔交易 (TPS) 提高到数千 TPS。这使得它们成为包括去中心化交易所（DEXs）、游戏平台和高频交易系统在内的应用——即需要高可扩展性的应用的有趣解决方案。
另外，与以太坊的智能合约功能无缝结合。与 Layer 2 解决方案交互的合约让开发者能够创建复杂的功能，而不会给主网带来负担。在多个应用中采用 Rollups 取决于这种兼容性。
然而，Rollups 并非没有困难。它们可能涉及数据可用性和与现有以太坊工具的互通性问题，并且需要用户和开发者采用新技术。确保去中心化和避免 Rollups 系统中的中心化控制点是另一个持久的挑战。
什么是 Optimistic Rollups？
Optimistic Rollups 是一种 Rollups，假定交易默认有效，因此称之为“optimistic (乐观的)”。只有在指定的挑战期内提交欺诈证明时，它们才进行计算，特别是验证。由于无需逐一验证交易，除非怀疑存在欺诈，这种乐观假设使得更高的可扩展性成为可能。
基本过程依赖于一个挑战期，在此期间任何人都可以通过提供欺诈证据来质疑交易的有效性。如果发现欺诈交易，系统将其回滚，恶意行为者可能会受到罚款。这种系统依靠博弈论思想和鼓励诚信来维护安全。
设计为兼容以太坊虚拟机 (EVM)，optimistic rollups 可以运行以太坊智能合约，而几乎不需进行修改。对于希望将现有应用引入 Layer 2 解决方案而无需进行重大重写的开发者而言，这种兼容性简化了过渡。
Optimistic Rollups 的一个主要实现是 Optimism 。Optimism 团队称他们的解决方案可以将 gas 成本降低最多 10-100 倍。
由 Offchain Labs 开发的 Arbitrum 是另外一个因其强大的特性和对开发者友好的环境而备受关注和接受的知名项目。
然而，Optimistic rollups 存在一定的缺点。当资金回流到以太坊主网时，挑战期——可能长达数小时至一周——引入了延迟。对于需要即时流动性的用户来说，这一延迟可能是个问题。为解决此问题，包括快速退出系统或流动性提供者在内的解决方案正在开发中，但增加了复杂性。
此外，Optimistic Rollups 的安全性依赖于假设，如有必要，至少会有一个诚实的参与者提供欺诈证据。尽管这一模型强大，但并非完美无缺。在共谋条件或缺少诚实参与者的情况下，系统可能容易受到攻击。
尽管面临这些挑战，Optimistic Rollups 仍受到广泛接受。最大的去中心化交易所之一 Uniswap 就在 Optimism 上部署，称其主要优势是更低的费用和更高的吞吐量。这一举措使 Uniswap 的用户能够更加畅通无阻地进行交易，从而提升了平台的可访问性。
什么是 Zero-Knowledge Rollups？
零知识 Rollups 或 ZK-Rollups 采用不同的方法，使用加密证明来验证交易。它们特别创建简短、非交互式零知识证明 (SNARKs 或 STARKs) 来验证交易的正确性，而无需披露任何额外信息。这一系统确保每笔交易都是合法的，并且无需挑战期。
ZK-Rollups 中的交易在链下处理，并与有效性证明一起发送到以太坊主网。主网智能合约通过验证该证明保证有效状态变更。在资金撤出时，这一方法能够实现几乎瞬时的终结性——相较于 Optimistic rollups 具有显著优势。
ZK-Rollups 的主要优点之一是其优秀的安全性保证。交易批次都附有有效性证明，因此无法依赖博弈论激励或诚实参与者来发现欺诈。ZK-Rollups 基于此加密保证具有很高的安全性。
ZK-Rollups 的主要实现包括由 Matter Labs 开发的 ZKSync 和 StarkWare 的 StarkEx。这些项目已显示出显著的可扩展性和效率进展。例如，zkSync 承诺在保持高安全标准的同时降低 gas 成本最多为 100 倍。
然而，零知识 Rollups 必须应对计算复杂性。零知识证明需要资源，因此支持任意智能合约逻辑可能会有挑战。尽管目前对于像交易和转账这样简单的操作更为高效，但 ZK-Rollups 正变得更有效以支持更复杂的操作。
另一个限制是缺乏完整的 EVM 兼容性。以太坊的智能合约本无法与零知识证明互动，因此开发者可能需要重写合约或使用专门的编程语言。解决这个问题的项目包括 zkEVM，努力生产一个兼容 EVM 的 ZK-Rollup。
尽管面临这些困难，ZK-Rollups 的即时终结性和加密强度使其对于需要速度和安全性的用途具有吸引力。随着技术逐渐成熟，应能提供更广泛的功能。
比较 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups
尽管 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups 都旨在通过链下处理交易来扩展以太坊，它们的底层机制导致不同的权衡。
验证与安全
Optimistic Rollups 依赖于欺诈证明和挑战期来确保交易有效性。这意味若有人检测并报告无效交易，它们可能会被撤销。相反，ZK-Rollups 使用有效性证明加密地确保每个提交主网的交易批次的正确性。
根据 Electric Capital 的报告：“ZK-Rollups 提供了更强的安全保证，因为它们不依赖于博弈论假设。”
提现延迟
Optimistic Rollups 由于挑战期有显著的提现延迟，这可能长达一周。可以通过流动性提供者缓解，但增加了复杂性。ZK-Rollups 允许即时... 内容：提款，因为有效性证明确保状态是正确的。
EVM 兼容性
乐观 Rollup 通常更具 EVM 兼容性，让开发人员可以以最少的更改部署现有的以太坊智能合约。过去，ZK-Rollups 在 EVM 兼容性方面存在困难，因为生成复杂操作的证明需要大量计算。然而，像 zkEVM 这样的进步正努力缩小这一差距。
性能和可扩展性
ZK-Rollups 可以提供更高的吞吐量和更低的费用，尤其是对于简单交易，因为有效性证明更有效地压缩了交易数据。乐观 Rollup 由于需要欺诈证明，可能会有更高的开销。
复杂性和开发努力
由于涉及高级密码学，实施 ZK-Rollups 更为复杂。这可能会减缓开发速度，并增加出现错误的潜在风险。乐观 Rollup 相对简易实施，这已经导致了应用程序的更快速部署。
生态系统采纳
两种类型的 Rollup 都获得了显著采用。由于其 EVM 兼容性，乐观 Rollup 目前拥有更多的 DeFi 应用。随着 EVM 兼容性解决方案的成熟，ZK-Rollups 也在迎头赶上。根据 Dune Analytics 的数据显示，这两种解决方案的总锁定价值（TVL）在上升，反映了不断增长的信任和采用。
监管考虑
ZK-Rollups 的密码学性质可能提供更好的隐私功能，这在监管合规性方面可能是双刃剑。乐观 Rollup 更加透明，可能更符合监管预期。
乐观 Rollup 和 ZK-Rollup 的使用案例
乐观 Rollup 的 EVM 兼容性使它们非常适合复杂智能合约应用，这使它们理想用于 DeFi 平台、NFT 市场以及其他需要复杂逻辑的应用。例如，Synthetix，一个衍生品流动性系统，与 Optimism 合作以降低费用和提高可扩展性。通过这种整合，用户能够更快地交易合成资产，并减少交易摩擦。
当交易速度和安全性至关重要时，ZK-Rollup 大放异彩。ZK-Rollup 的即时终局性和高吞吐量将有助于支付应用、现货交易的分布式交易所和游戏平台。使用 ZK-Rollups，Loopring，一个 Layer 2 协议，创建了一个分布式交易所，提供快速且低成本的交易。Loopring 的数据显示，用户可以以低至主网费用 0.1% 的费率进行交易，因此非常具有可访问性。
此外，在注重隐私的应用和身份验证中，ZK-rollup 也越来越受欢迎。对于合规和用户隐私，零知识证明允许用户在不披露私人信息的情况下验证特征——这一能力备受赞赏。
项目如 zkSync 旨在在 ZK-Rollups 上启用智能合约，从而开发以前基于乐观 Rollup 的有限使用案例。随着这些技术的发展，它们的能力界限可能会模糊，为开发人员提供更多的自由。
最后的思考
乐观 Rollup 和 ZK-Rollup 之间的竞争代表了以太坊为扩展性努力中健康的进步。这两种技术都有特殊的优势，是网络能够管理不断增长的需求所必需的。
凭借其 EVM 的适应性和更容易的实施，乐观 Rollup 在 DeFi 领域变得相当流行。ZK-Rollup 提供的更强的安全性保障和即时终局性正扩展密码学发明的边界。
随着以太坊生态系统的发展，这两种选择可能会共存，以满足各种需求和目的。由于它们的发展将极大地影响分布式应用的方向，开发人员、投资者和消费者应该保持对这些技术的了解。
“短期内，Rollups 是唯一的无信任扩展解决方案，长期来看，它们是以太坊生态系统的重要组成部分，”Vitalik Buterin 说，恰当地总结了这一情况。
乐观和 ZK-Rollup 的发展突出了这一愿景：一个更具可扩展性和效率的以太坊网络的承诺。