以太坊 Rollups 是一种 Layer-2 扩展解决方案，旨在提高以太坊区块链网络的可扩展性和吞吐量（或交易速度）。

尽管以太坊区块链以其高度安全性闻名，但它本身并不具备良好的可扩展性。然而，随着网络的不断发展，扩展其可扩展性和交易处理能力的需求日益增加。为了实现这一目标，以太坊 Rollups 应运而生。

通过将多笔交易批量处理（或打包）后作为单笔交易提交到以太坊区块链，以太坊 Rollups 减轻了以太坊主链的负担，从而提高了以太坊区块链网络的交易处理速度或吞吐量。

以太坊 Rollup 的类型：Optimistic Rollup 和零知识 Rollup

Optimistic Ethereum Rollup

Optimistic Rollup 是一种假定 Layer-2 上的交易有效性的 Rollup。正如其名称所示，它并不会主动验证 Rollup 交易的有效性，而是假定这些交易是有效的，除非有人证明其无效。

为了确保错误交易不会被计算并发送到以太坊主链，Optimistic Rollup 为用户提供一个 7 到 14 天的挑战期，在此期间，用户可以对 Rollup 交易的有效性提出质疑。

如果在挑战期内发现错误，已经计算的交易将被重新执行，并将正确的 Rollup 状态更新到以太坊主链。此外，负责计算并包含错误交易的排序器（Sequencer）将受到削减惩罚（Slashing Penalty）。

Arbitrum 是 Optimistic Ethereum Rollup 的一个典型例子。这是一种 Layer-2 扩展解决方案，为以太坊区块链网络提供快速的智能合约交易服务。

它通过处理和打包以太坊区块链的交易，减少网络拥堵并降低交易成本。由于其独特的交易压缩功能可以有效降低 Gas 费用，Arbitrum 已被 DeFi 项目如 Sushiswap 和 Aave 采用，用于实现高效、低成本的 DeFi 交易。

零知识 (ZK) Rollup

零知识以太坊 Rollup

零知识 Rollup 验证交易的有效性。与假定 Rollup 交易有效的 Optimistic Rollup 不同，零知识 Rollup 不做假设，而是花时间验证交易的有效性。

在 Rollup 交易被验证并确认后，零知识 Rollup 会向以太坊主链提交加密证明，证明这些交易的有效性。智能合约使得 Rollup 交易的验证成为可能。

ZKSync 是一种主要用于扩展以太坊区块链网络并提高其吞吐量或交易处理速度的 Layer-2 解决方案。通过其 ZK Rollup，ZKSync 可以在以太坊主链上处理交易，将其批量打包后再提交回以太坊区块链。

Scroll 和 Starkware 是其他两个知名的零知识 Rollup。

以太坊 Rollup 如何工作？链下交易与交易打包

链下交易

由于 Rollup 是一种 Layer-2 区块链解决方案，其交易并不在以太坊主区块链网络上处理，而是在以太坊网络之外处理。

负责确认 Rollup 交易、构建 Layer-2 区块并将加密证明提交到以太坊主链的组件被称为排序器（Sequencer）。

交易打包

交易打包是排序器（Sequencer）将多笔交易分组处理的过程。排序器通过从以太坊主链中移除部分交易并将它们组合为一笔交易，从而减轻了以太坊主链的负担。

在交易被打包后，Rollup 使用智能合约将交易数据提交到 L1 链。一旦这些交易被添加到以太坊 L1 链上，这笔 Rollup 交易将无法更改或修改。

此外，一些零知识 Rollup 还会将摘要或加密证明提交到以太坊主链，用以验证所提交交易的有效性。

区块链验证机制：欺诈证明与有效性证明

欺诈证明

欺诈证明（Fraud Proof），也称为错误证明（Fault-Proof），是一种区块链验证机制，用于验证 Optimistic Rollup 发布数据的真实性。

为了防止 Optimistic Rollup 向以太坊 L1 链提交错误数据，欺诈证明机制允许以太坊区块链上的用户对打包提交的 Rollup 交易提出质疑。

一旦在打包交易中发现错误交易，该交易将被移除并重新执行，重新验证后的交易会被再次提交回打包交易中。负责包含错误交易的排序器（Sequencer）也会受到惩罚。

然而，如果在挑战期内没有发现任何错误交易，则状态变更会被乐观地假定为正确。

欺诈证明的类型：单轮交互与多轮交互

单轮交互欺诈证明

单轮交互证明是一种欺诈证明机制，允许挑战者在无需与操作员进行持续交互或沟通的情况下，对 Rollup 交易的真实性或有效性提出质疑。该机制通过一次性验证即可完成交易的检查。

OP Stack 是一个采用单轮交互欺诈证明机制的区块链解决方案实例。OP Stack 是一个模块化、开源的蓝图，用于构建高度可扩展且具备互操作性的区块链。

由 Optimism 基金会开发的 OP Stack，使开发者能够创建与 Optimism 超链（Superchain）互操作的区块链。通过使用单轮交互欺诈证明系统，OP Stack 有效地简化了区块链中的欺诈预防。

多轮交互欺诈证明

多轮交互证明是一种需要挑战者与操作员进行持续或反复交互的欺诈证明机制。

在此过程中，操作员通常会将被质疑的 Rollup 区块分成两半，并不断细分为更小的部分，直至挑战者找到错误。在这一过程中，操作员与挑战者之间需要进行持续的通信。

尽管单轮交互证明能够更快速地验证交易的有效性，但其成本较高。而多轮交互证明虽然耗时较长，但在解决复杂智能合约协议中的争议时，成本更低且更高效。

Arbitrum 是一个采用多轮交互欺诈证明系统的 L2 扩展解决方案。正如前文所述，Arbitrum 通过压缩交易和降低 Gas 费用，提升了以太坊区块链的吞吐量。

欺诈证明如何工作？Merkle 根验证

Merkle 根验证

欺诈证明通过验证 Merkle 根来工作。Merkle 根是一种用于保护区块链安全的数据结构，它压缩了区块链网络中的数据，使用户无需下载整个区块链即可验证交易。

为了验证 Rollup 交易的有效性，欺诈证明机制需比较交易前后 Merkle 根的初始状态和最终状态。通过单轮交互或多轮交互证明，若 Merkle 根的两种状态匹配，则交易有效；否则，交易无效并需重新执行。

因此，如果验证者希望质疑某笔 Rollup 交易的有效性，只需提交当前的交易后状态根（Post-State Root）以及 Merkle 树的部分节点数据。这些数据将被用来重新计算正确的后状态根。

欺诈证明的优势：低计算成本、简单性、低 Gas 费用

• 低计算成本：用于验证 Optimistic Rollup 交易的欺诈证明通常所需计算资源较少。由于默认假定交易有效，其计算强度较低。
• 简单性：欺诈证明系统无需复杂的加密系统，因此结构简单且灵活性高。
• 低 Gas 费用：由于验证 Optimistic Rollup 有效性所需的加密要求较少，其 Gas 费用相对较低。

有效性证明

有效性证明简介

有效性证明（Validity Proof），也称为零知识证明，是一种区块链验证机制，用于验证零知识 Rollup 发布数据的真实性或有效性。

有效性证明涉及三个主要实体：证明者（Prover）、验证者（Verifier） 和 见证（Witness）：

• 证明者：负责创建证明的实体。
• 验证者：验证 Rollup 交易数据有效性或准确性的实体。
• 见证：在证明者与验证者之间共享的数据。

尽管证明者和验证者需要进行沟通，但需要注意的是，见证（即共享信息）的具体内容不会被披露。

有效性证明如何工作？多项式承诺

多项式承诺

有效性证明依赖于多项式承诺来验证 Rollup 交易的有效性。在多项式承诺中，待验证的交易信息被编码为多项式（数学表达式）。

通过多项式承诺验证和确认 Rollup 交易的真实性和正确性，这种方法更为安全且难以攻破，因此在防止以太坊区块链网络中的欺诈行为方面非常高效。

有效性证明的优势：强安全性、快速完成时间、高可扩展性

• 强安全性：有效性证明通常依赖复杂的加密技术，使得在批量交易中包含欺诈交易变得极为困难。
• 快速完成时间：由于不像欺诈证明系统那样需要挑战期，交易可以及时完成。
• 高可扩展性：通过从以太坊主链中移除交易并对其进行批量处理，显著提高了以太坊区块链网络的可扩展性。

结论

将欺诈证明与有效性证明整合到以太坊 Rollup 中，大大提升了网络的效率与安全性。开发者和用户可以在维护以太坊生态系统完整性的同时，充分利用 Rollup 的优势。

随着以太坊区块链的不断发展，扩展性和安全性解决方案的重要性将日益增长。由欺诈证明和有效性证明驱动的以太坊 Rollup，可能在塑造区块链技术的未来中发挥关键作用。