Optimistic rollups 是如何工作的（完整指南）

曾经被视为边缘想法的Ethereum——世界上第一个智能合约平台——经过多年发展已大幅扩展，如今承载着近3,000个去中心化应用、4,000多个智能合约，每日交易量超过90,000笔。

但Ethereum上活动的增加也带来了代价：可扩展性问题。

区块大小和出块时间的限制虽然对去中心化和安全性是必要的，但也降低了Ethereum扩展规模、接纳更多用户的能力。最终结果是一系列大多数Ethereum用户都熟悉的问题——即高昂的gas费用和缓慢的交易。

安全地扩展Ethereum需要在不引入信任假设的情况下，提升网络吞吐量和延迟方面的扩展能力。这正是Layer 2 rollups和侧链等多种扩展方案试图解决的问题。

本文探讨Optimistic Rollups（ORUs），这是一类旨在让Ethereum使用更便宜、更快速的L2 rollup解决方案。

什么是optimistic rollups？

Optimistic rollups是一种layer 2（L2）架构，通过将计算和数据存储移到链下，来提升Ethereum基础层的吞吐量和延迟表现。 Optimistic rollup在Ethereum Mainnet之外处理交易，减少基础层的拥堵，提升可扩展性。

“optimistic”这个标签指向optimistic rollups的一个显著特征：它们在链上只发布很少的交易信息，并默认假设所有交易都是有效的。它们被称为“rollups”，是因为它们在提交到Mainnet之前，会将成千上万笔交易聚合（“roll up”）成批次。

Optimistic rollup的架构

1. 进入optimistic rollup

Optimistic rollups使用部署在Ethereum上的智能合约来管理L2链与L1区块链（Ethereum）之间的交互。Rollup用户必须先将资金存入这些智能合约之一，才能在rollup上解锁等量的资金。

一个称为sequencer的第三方，在收到用户在rollup合约中存款的证明后，会在rollup上向该用户记入相应的资金。之后用户便可以在rollup上自由交易，直到用完余额。

2. 使用optimistic rollup

在rollup上，用户对交易进行签名并提交给sequencer，由sequencer负责对交易排序和执行。sequencer验证交易，将数据压缩成一个区块，并将该批次作为单笔交易提交给Ethereum。

这也是rollup合约发挥作用的另一个环节。链上合约存储一个“状态根”（state root），即rollup状态的Merkle根。我们来进一步拆解这个概念：

状态（State）

状态是指某个网络在特定时间点上可获得信息的概念。“rollup的状态”描述了L2链当前的状况，并指明现有账户、余额、智能合约等细节。

在rollup上执行的每笔交易都会导致其状态发生变化——例如，当Alice向Bob转账5 ETH后，Alice的余额会减少。因此，交易被称为状态转换，因为rollup在执行一笔交易后会从旧状态转变为新状态。

Merkle根

Merkle根使用户能够用密码学哈希对大量信息进行编码。Merkle根也让检查某条数据（例如一笔交易）是否属于更大数据集（例如一批交易）的一部分变得更容易。

因此，存储在rollup合约中的“状态根”是一种密码学承诺，用于验证rollup在不同时间点的状态。当sequencer向rollup合约提交一批交易时，必须包含一个前状态根和一个后状态根。

1. 前状态根（Pre-state root）：旧状态根，描述提交的交易执行前rollup的状况。

2. 后状态根（Post-state root）：新状态根，描述提交的交易执行后rollup的状况。

sequencer提交该批次后，合约会验证前状态根是否与现有状态根匹配。如果两者匹配，合约会丢弃旧状态根，并存储sequencer提出的新状态根。

这意味着后状态根中所引用的交易已经成为最终结果，无法撤销。请注意，sequencer不需要为批量交易的有效性提交证明。

唯一需要证明的情况，是当verifier使用欺诈证明（fraud proof）举报一笔欺诈性的rollup交易时。我们会在本文后面的章节中解释欺诈证明的运作机制。

3. 退出optimistic rollup

假设Alice（用户）对rollup已经用够了，想从Ethereum Mainnet上的rollup合约中提取资金。为此，她需要一个Merkle证明——没错，你猜对了——来证明她的交易包含在rollup的状态根中。

构建该Merkle证明需要获取初始交易数据，这些数据预期由sequencer提供。如果一切顺利，Alice获得数据，创建Merkle证明，并提交给rollup合约。

但依赖sequencer提供交易数据会引入信任假设。sequencer可能作恶，执行一笔将Alice的代币转入自己钱包的交易，并拒绝向她提供证明资金所有权所需的数据。即便是恶意程度较低的情况，比如sequencer离线，也仍然可能威胁optimistic rollups的去中心化和安全性。

Optimistic rollups通过要求sequencer在Ethereum主执行层上发布完整交易数据来解决这个问题。这些信息作为“calldata”发布在Ethereum Mainnet上，其成本比存储在Ethereum Virtual Machine的内存或存储中更低（从而进一步降低rollup费用）。

这实现了两个目标：

1. 如果某个sequencer离线，另一个sequencer可以利用该交易数据重建rollup的状态，并继续生成区块。

2. Alice（用户）可以自己下载数据，并用它来创建Merkle证明。

链上数据可用性的使用，正是optimistic rollups比其他扩展方案安全得多的原因。由于交易数据存储在Ethereum上，只要Ethereum保持运行，用户资金就始终是安全的。

因此，无论通过哪种方式，Alice最终都能创建一个Merkle证明来证明资金所有权。但是，她必须等待争议期（dispute period）结束后才能提取资金。在optimistic rollups中，争议期是提交提款请求与获得所请求资金之间为期1-2周的时间间隔。

在此期间，任何人都可以发布欺诈证明，声称某笔交易或某批交易无效。如果该欺诈证明成立，sequencer的保证金（作为诚实行为的担保）会被罚没，Alice的“资金”会被回滚，而举报人（称为verifier）则会因其努力获得奖励。

如果没有人质疑Alice的提款请求，那么她可以在1-2周后从rollup合约中获得资金。

什么是欺诈证明？

欺诈证明是一种声明，主张某个状态转换（即交易）无效，因此整个批次都应被回滚。欺诈证明虽然复杂，但其运作在很大程度上依赖于前文提到的状态根。

该过程始于某一方（verifier）发现L1链上状态根所引用的rollup状态，与rollup链的实际状态之间存在不一致。

例如，sequencer提交的后状态根将Alice的余额减少5 ETH、Bob的余额增加相同数额，尽管Alice从未进行过转账。

verifier可以对该状态转换提出“质疑”，并证明其无效。这之所以可行，是因为verifier下载了每笔交易的数据，将其应用到自己的rollup状态副本上，并计算出后状态根。

如果sequencer的后状态根与verifier的一致，则不会发生任何事情。但如果sequencer的后状态根不同——很可能是因为其中包含了一笔虚假交易，如Alice案例中所描述的那样——那么verifier就可以触发欺诈证明的计算过程。

欺诈证明如何运作？

以下是欺诈证明流程的高层描述：

1. verifier发起质疑，并提供以下信息：

   a. 有争议的状态转换

   b. 前状态根

   c. Rollup状态数据

   d. 他们自己版本的后状态根。

   2. 该交易会在L1链上的一个沙盒环境中重新执行，其中会使用质疑方提供的信息等。

这个“沙盒环境”是部署在Ethereum上的一个智能合约，它同时也充当虚拟机（VM）。

3. 如果计算得出的后状态根与质疑方的一致，那么就证明sequencer确实发布了一个包含无效状态转换的批次。

该无效批次（以及之后发布的其他批次）将被回滚，使rollup恢复到之前的状态。

需要说明的是，实际的欺诈证明机制比这里描述的更为复杂。

这篇关于rollups中欺诈证明的文章可能会提供一些补充背景信息。

欺诈证明与有效性证明有什么区别？

欺诈证明与有效性证明的主要区别在于，欺诈证明是在链上计算的。有效性证明（也称为零知识证明）则在链下（即在rollup上）计算，并在Ethereum上进行验证。

正如我们在比较各种零知识证明类型的文章中所解释的，SNARK或STARK等有效性证明被用来证明链下执行的交易的有效性。这正是zero-knowledge rollup的基础。

在ZK-rollup中，每个批次都会使用交易数据作为输入生成一个有效性证明。该有效性证明会连同批次一起提交到Ethereum Mainnet，并由链上合约进行验证。这意味着交易可以立即被宣告有效，而无需等待质疑（不像optimistic rollups那样）。

欺诈证明与ZK证明之间的另一个区别是，后者在链上验证起来相对更容易。智能合约只需运行有效性证明，即可判断批量交易的有效性。而对于欺诈证明，则必须重新执行整个状态转换，才能完成欺诈证明的计算。

Optimistic rollups与zk rollups有什么区别？

Optimistic rollups与ZK rollups之间的主要区别，在于前者对智能合约的支持、延迟提款、对密码经济激励的依赖，以及安全属性方面的不同。

以下是optimistic rollups与ZK rollups的详细对比：

有哪些主要的optimistic rollup区块链？

按锁仓总价值（Total Value Locked，TVL）计算，主要的optimistic rollup区块链是Arbitrum、Optimism、Metis Andromeda和Boba Network。 以下是各种optimistic rollups（ORUs）的概览：

1. Arbitrum

Arbitrum是一个optimistic rollup项目，旨在通过将计算和数据存储移到链下来改善Ethereum的用户成本和交易速度。Arbitrum Virtual Machine（AVM）支持兼容EVM的智能合约，让用户可以以Ethereum费用的一小部分使用他们喜欢的应用。

2. Optimism

Optimism是一个兼容EVM的optimistic rollup链，利用了Ethereum的安全保证。Optimism使用optimistic rollup（OR）架构，将成千上万笔链下交易聚合，为用户节省gas费用。

3. Metis andromeda

Metis Andromeda是一个基于optimistic rollups、可扩展、低成本且功能齐全的L2协议。Metis Andromeda独特的技术栈可应用于不同的使用场景，包括应用程序、DAOs和DeFi。

4. Boba network

Boba Network是一个采用optimistic rollup设计来扩展吞吐量的Ethereum L2。Boba Network提供流动性提供者（Liquidity Provider，LP）服务，让用户无需等待七天的挑战期结束即可立即提款。

哪些optimistic区块链或项目拥有代币？

以下optimistic rollup项目拥有代币：

• Optimism（OP）
• Boba Network（BOBA）
• Metis Andromeda（METIS）

Optimistic rollup工具

Optimistic rollups是以更具成本效益、更高效的方式扩展应用和与智能合约交互的实用解决方案。但首先，你需要各种工具才能安全、便捷地使用optimistic rollups。

以下是面向开发者和终端用户的各种optimistic rollup工具：

跨链桥接至optimistic layer 2区块链

虽然optimistic rollups构建在Ethereum基础层之上，但两条链上的资产并不天然兼容。不过，你可以使用跨链桥将资金从L1链（如Ethereum）转移到optimistic rollup上：

以下是连接L1链与各类L2 rollups的桥接示例：

连接Arbitrum的桥

• Arbitrum Token Bridge
• cBridge
• Hop Protocol
• Synapse Protocol
• Anyway Bridge
• DeGate Bridge

连接Optimism的桥

• Connext
• Celer Bridge
• Li.Fi
• Optimism Bridge
• Poly Network
• Via Protocol
• Synapse Protocol
• Across

连接metis andromeda的桥

• Metis Bridge
• cBridge
• AnySwap
• Synapse Protocol

连接boba network的桥

• Across
• Boba Standard Token Bridge/Fast Token Bridge
• cBridge
• Synapse Protocol

Optimistic rollup测试网

测试网是一种模拟关联主网（Mainnet）行为的公共区块链网络。与真实区块链不同，测试网不使用真实资金，使开发者能够以最小的风险部署和测试智能合约。

Optimism和Arbitrum针对Ethereum当前的测试网Sepolia进行测试。此前基于Kovan和Rinkeby的旧版rollup测试网已被弃用。

结论

Optimistic rollups是利用layer 2架构扩展Ethereum这一努力的重要组成部分。Optimistic rollups以Ethereum的安全性和去中心化为基础，同时提供更低的费用和更快的交易速度。

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常见问题

什么是optimistic rollups？

Optimistic rollups是一种layer 2扩展方案，通过将计算和数据存储移到链下，同时默认所有交易都有效（除非受到质疑），来提升Ethereum的吞吐量和延迟表现。

如何向optimistic rollup中存入资金？

用户将资金存入部署在Ethereum上的智能合约中，sequencer在收到存款证明后，会在rollup上向用户记入等量的资金。

Optimistic rollups中的挑战期是什么？

挑战期是提交提款请求后为期1-2周的时间间隔，在此期间任何人都可以发布欺诈证明，对无效交易提出质疑，之后资金才能被提取。

Sequencer扮演什么角色？

Sequencer负责对交易排序和执行，将交易数据压缩成区块，将批次作为单笔交易提交给Ethereum，并在用户存款后为其记入资金。

Optimistic rollups与ZK rollups有何不同？

Optimistic rollups默认交易有效，仅在受到质疑时才使用欺诈证明；而ZK rollups为每个批次都使用有效性证明，并允许立即提款，无需等待期。

什么是欺诈证明？

欺诈证明是一种声明，主张某个状态转换无效，当verifier发现rollup状态存在不一致时会触发该证明，并提交证据以回滚欺诈性批次。

为什么optimistic rollups存在提款延迟？

1-2周的提款延迟为verifier提供了时间，使其能够在资金从rollup合约中释放之前，侦测并质疑任何欺诈性交易。

主要的optimistic rollup区块链有哪些？

按锁仓总价值计算，主要的optimistic rollup区块链是Arbitrum、Optimism、Metis Andromeda和Boba Network。