前言

2015年以太坊的推出标志着区块链技术发展的一个重要里程碑，为创新和去中心化解决方案提供了平台。然而，随着以太坊迅速变得受欢迎，可扩展性和高Gas费成为了巨大的挑战。尽管存在这些障碍，以太坊仍然坚定地追求极致的可扩展性，同时又不影响去中心化或安全性。

要深入研究以太坊的扩展解决方案以及可扩展性、安全性和去中心化之间的复杂平衡，就必须先了解区块链三难困境——区块链技术的一个基本概念。本文探讨了扩展解决方案的多样化前景，包括链上和链下方法，重点关注汇总（Rollup）解决方案。通过比较乐观汇总和零知识汇总，本文旨在阐明每种方法的微妙权衡和好处，揭示它们对以太坊的未来和更广泛的区块链生态系统的影响。

区块链三难困境

可扩展性、安全性和去中心化特性是区块链的三大核心特征。

安全性

安全性意味着保护网络免受攻击，并确保所有交易都是安全且防篡改的。

去中心化

去中心化是指分散网络的控制权，这样单个实体就不会拥有过多的权力，使网络由多节点运行，而不仅仅是一个中央机构。

可扩展性性

这是网络随着其交易量增长而能快速有效地处理大量交易的能力。

来源： Ethereum

区块链无法同时实现所有这些目标，因而这被称为“区块链三难困境”。增强一项特性通常意味着牺牲其他特性，人们认为这种三难困境严重限制了区块链技术的采用和潜力。举例来说，更大程度的去中心化（更多的负责人）可能会导致网络的可扩展性降低，交易速度变慢，因为更多的节点必须就交易达成一致。然而，随着可扩展性的增强（处理交易的速度变快），可能有必要减少“去中心化”（控制网络的节点更少），这可能会对安全性产生影响。严格的监管和更少的节点可能会导致交易变得更慢、更加中心化，如果优先考虑安全性，这又将限制网络的可扩展性和去中心化特性。

链上和链下扩展解决方案

链上扩展的过程需要对以太坊的第1层主网协议进行修改，该协议最初旨在通过分片（将区块链划分为更小的、可验证的区域）进行扩展。通过利用以太坊区块的较便宜的数据附件，第2层汇总已成为主要的扩展技术。

另一方面，链下扩容解决方案不依赖于以太坊的第1层协议，也不需要做出任何协议更改。他们处理以太坊主网之外的交易，以此来获得可扩展性，并且直接从以太坊共识或通过独立链获得安全性。侧链、状态通道、Plasma、Validium 和汇总是其中的一些第2层解决方案。

汇总扩展解决方案

来源：DappRadar

由以太坊保护的汇总通过处理和验证链下交易，然后将交易的简明摘要发送到主网，提高了以太坊的可扩展性。因此，以太坊第1层协议主网处理更少的数据和计算，从而加快网络速度并降低交易成本。

进入和退出

退出和进入是在以太坊和第2层扩展解决方案之间转移资金的过程。

• 进入：要使用 L2 解决方案，用户需要将资金存入以太坊上的智能合约中，该合约会锁定资金，直到它们被提现提现为止。
• 退出：要取回资金，用户需要向智能合约提交 L2 解决方案上的余额证明，智能合约会将资金释放到他们的以太坊地址。不同的L2解决方案有不同的证明和验证交易的方法，例如零知识证明或欺诈证明。这些方法影响退出和进入的速度、成本和安全性。

零知识汇总 (ZK) 和乐观汇总

零知识（ZK）和乐观汇总是以太坊的两类扩展解决方案。

零知识汇总

零知识汇总（俗称 ZK 汇总）假设所有交易都是假的，直到通过零知识证明（ZKP）证明有效才为真，这与乐观汇总下的交易形成鲜明对比。在这里，验证者证明交易是真实的，而不透露任何交易细节。这是通过将有效性证明发布到以太坊来完成的，从而无需链上交易数据。使用零知识汇总协议有 Starknet、zkSync 和 Loopring。

来源：Nervos

零知识汇总的主要功能

零知识证明

此功能允许“证明者”向“验证者”证明陈述的真实性，而不会透露除陈述真实性之外的任何信息。它确保验证声明时的隐私和安全，而不会暴露底层数据。

ZK-SNARK（零知识简洁非交互式知识论证）

协议可以在不知道任何其他信息的情况下验证语句的完整性。它简洁且非交互，意味着证明量很小并且验证很快，只需要一次交互。

ZK-STARK（零知识可扩展透明知识论证）

与 ZK-SNARK 类似，但该证明可扩展且透明，能够更快地处理更大的数据集，并且即便它会产生更大的证明也无需可信设置。

零知识汇总的工作原理

1. 用户交易提交：用户通过私钥签名来发起交易。这些交易被提交给 ZK 汇总运营者。

2. 运营者处理：运营者（无论是排序器还是验证者）接收用户交易。排序器在链外执行交易，将它们聚合成批次，并定期将这些批次提交到以太坊的区块链。验证者在权益证明设置中处理交易，并根据权益大小提出新批次。

3. 批量压缩和提交：在提交到以太坊之前，运营者压缩交易数据以减少调用数据大小。然后，该压缩数据将包含在以太坊交易中并发送到 ZK汇总智能合约。

4.链上承诺：以太坊的智能合约接收批量数据并验证其完整性。它使用新交易更新汇总的状态树，并存储此更新状态的默克尔根。

1. 零知识证明生成：ZK 汇总运营者为每个批次生成零知识证明。这些证明以密码方式证明了状态转换的正确性，而不会泄露敏感信息。

2. 证明提交：运营者向以太坊验证者合约提交零知识证明。该合约验证证据并确保提议的状态转换有效。

3. 状态根更新：成功验证零知识证明后，以太坊的智能合约会使用根据最新批次的交易计算出的新默克尔根来更新汇总的状态根。

4. 用户交互：用户可将资产存入以太坊、发起交易以及提取资金，以与ZK汇总进行交互。充值是将资产发送到汇总合约来进行的，而提现则涉及向合约提交带有必要证明的请求。

5. 验证和执行：汇总合约验证提现请求，确保它们有效并有必要的证据支持。验证后，合约执行提现，将资产转移到用户在以太坊主网上的指定地址。

零知识汇总的优点

• 有效性证明：ZK汇总使用有效性证明来验证链下交易的正确性，这可防止操作者执行无效的状态转换并提供更快的终局性。
• 数据压缩：ZK汇总使用压缩技术来减少链上发布的数据量，这能降低用户的费用并提高 汇总的可扩展性。
• 即时提现：ZK汇总允许用户毫不延迟地将资金从 L2 提现到 L1，因为一旦在 L1 上验证了有效性证明，就会执行退出交易。

零知识汇总的缺点

• 证明生成和验证：ZK汇总需要复杂的密码学和工程来生成和验证有效性证明，这可能会增加汇总运营者和用户的成本和挑战。
• EVM 兼容性：ZK汇总不容易与 EVM 兼容，因此很难支持通用智能合约以及汇总上现有的 dapp 和工具。
• 中心化风险：ZK汇总可能会导致少数方对汇总进行集中控制，因为生成有效性证明需要专门的硬件和专业知识。

零知识汇总的用例

零知识 (ZK) 汇总非常适合各种用例，特别是那些需要在隐私、可扩展性和安全性之间取得平衡的用例。以下是零知识汇总的一些用例。

去中心化身份验证

ZK汇总可以在不泄露敏感个人信息的情况下验证个人身份。这种隐私保护功能对于安全身份验证和用户管理非常有价值。

隐私保护交易

区块链节点可以在不直接访问交易数据的情况下验证交易。ZK汇总可实现保密且高效的传输，同时保持安全性。

投票系统

投票系统需要确保选举的匿名性和完整性，同时支持公开结果验证。

乐观汇总

乐观汇总将交易移至链下并仅在链上发布数据，以此来扩展以太坊。他们假设并相信链下交易是有效的，而无需检查它们。然而，乐观汇总使用欺诈证明来检测链下交易中的错误或欺诈。Arbitrum 和 Optimism 就是两种最流行的乐观汇总协议。

质疑期是指将汇总批次提交到以太坊网络后的时间。在此期间，任何人都可以质疑汇总交易的有效性。质疑期结束后，如果汇总未受到质疑，将认为汇总批次在以太坊上是有效的。相反，如果防欺诈成功，协议会重新执行交易并惩罚有问题的排序器。

来源：Nervos.org

乐观汇总的工作原理

1. 用户发起的交易提交：在使用乐观汇总协议的网络上，用户发起交易。排序器或运营者接收此交易。

2. 交易聚合和链上提交：运营者将所有这些单独的交易编译成一个块，并通过压缩来减小数据的大小，创建一批准备处理的交易。随后，运营者将这批交易提交到以太坊网络。交易数据在此过程中被打包并作为调用数据发布在以太坊上。

3. 以太坊上的数据可用性：以太坊将调用数据中发布/提交的交易数据记录在其区块链上。这确保了交易数据的可用性以供将来参考。

4. 状态转换和承诺：乐观汇总网络上的验证者（在某些情况下也称为排序器）使用链下存储的汇总链的当前状态执行交易。他们验证交易的有效性并相应地更新汇总状态。处理完交易后，运营者通过生成新的状态根来提交汇总链的新状态。该根被哈希并存储在链上，作为对汇总最新状态的引用。

5. 欺诈检测和欺诈证明：验证者通过监控汇总链来密切关注自己的执行状态与运营者提议的状态之间的任何差异。如果验证者发现差异，他们可能会质疑汇总区块的有效性。如果遇到质疑，验证者可以向以太坊提供欺诈证明，证明汇总区块中的任何不一致之处。这些证据可作为欺诈活动的证据，并触发对不诚实运营者的处罚。

6. 仲裁和解决：以太坊是争议解决过程中的仲裁者。它评估质疑者提供的欺诈证据，如果欺诈行为得到证实，将对运营者实施处罚。

7. 终局性和结算：一旦以太坊接受汇总区块，它就实现了终局性，这意味着其中的交易被视为已结算且不可逆转。该结算使用户相信乐观汇总网络上交易的完整性。

乐观汇总的优点

• EVM兼容性：乐观汇总可支持任何能在以太坊上运行的智能合约或交易，因此它们能轻松地与现有的 dApp 和工具集成。
• 低延迟：乐观汇总提供快速的交易确认时间，因为用户不必等待在L1上验证有效性证明。
• 高吞吐量：乐观汇总可将计算移至链外并仅在链上发布交易数据，从而每秒处理数千笔交易。

乐观汇总的缺点

• 欺诈证明：乐观汇总依赖欺诈证明来确保链下交易的正确性，这需要一段充满质疑的时期和额外的Gas成本才能在 L1 上执行。
• 数据可用性：乐观汇总取决于L1上交易数据的可用性，这可能会受到网络拥塞或恶意行为者的影响。
• 提款延迟：用户从L2提款到L1时，乐观汇总要求等待一段时间，等待期因汇总设计的不同可能从几个小时到几天不等。

乐观汇总的用例

乐观汇总解决了基于以太坊的应用程序中的可扩展性挑战，同时保持信任和安全性，使其成为不同行业各种用例的理想解决方案。这些包括;

去中心化金融（DeFi）

乐观汇总可大大提高 DeFi 平台的交易吞吐量，从而实现与贷款、交易和流动性挖矿等协议的更快、更便宜的交互。

游戏

在游戏应用程序中，实时交互和游戏内操作的快速确认至关重要，乐观汇总提供了一种处理链下交易的方法，同时通过链上数据发布来维护安全性。

供应链管理

乐观汇总可处理链下大型交易，从而简化供应链流程，减少以太坊主网上的拥堵。这在跟踪货物、验证真伪和管理库存方面特别有用。

身份验证

乐观汇总可用于验证身份和管理用户配置文件。通过卸载计算和状态存储，这些协议可提高身份相关交易的效率。

零知识（ZK）汇总和乐观汇总的比较

结语

乐观汇总和零知识汇总之间的比较突显了以太坊生态系统内可实现扩展性和安全性的精确细致方法。乐观汇总优先考虑交易速度和与现有以太坊基础设施的兼容性，而零知识汇总在隐私保护和加密完整性方面表现出色。这两种解决方案都代表了区块链技术的重大进步，提供了满足不同用例的独特优势和权衡。

随着以太坊的不断发展，在塑造去中心化金融、不可替代代币和其他区块链应用程序的未来方面，这些汇总解决方案的采用和完善将发挥关键作用。这种多样化的扩展解决方案的实施突出了以太坊对创新和韧性的承诺，致力于克服可扩展性挑战同时坚持安全和去中心化特性的核心原则。