Optimistic rollups 如何運作（完整指南）

曾經被視為邊緣想法的 Ethereum——世界上第一個智慧合約平台——多年來已大幅成長，如今承載近 3,000 個去中心化應用程式、超過 4,000 個智慧合約，以及每天超過 90,000 筆交易。

但 Ethereum 上活動的增加也帶來了代價：可擴展性。

區塊大小與出塊時間的限制，雖然對去中心化與安全性而言是必要的，卻降低了 Ethereum 擴展規模、接納更多使用者的能力。最終結果就是大多數 Ethereum 使用者都很熟悉的一連串問題——也就是高昂的 Gas 費用與緩慢的交易速度。

安全地擴展 Ethereum，需要在不引入信任假設的前提下，提升其網路吞吐量與延遲的擴展能力。這正是幾種擴展方案，例如第二層 Rollups 與側鏈，所試圖達成的目標。

本文將探討 Optimistic Rollups（ORUs），這是一類旨在讓使用 Ethereum 更便宜、更快速的 L2 Rollup 解決方案。

什麼是 optimistic rollups？

Optimistic rollups 是一種第二層（L2）架構，透過將運算與資料儲存移至鏈下，來改善 Ethereum 基礎層的吞吐量與延遲。 Optimistic rollup 在 Ethereum Mainnet 之外處理交易，減少基礎層的壅塞，並提升可擴展性。

「optimistic」這個標籤，點出了 optimistic rollups 的一項獨特特徵：它們在鏈上只公開極少量的交易資訊，並自動假設所有交易都是有效的。之所以稱為「rollups」，是因為它們會在提交至 Mainnet 之前，將數千筆交易聚合（「捲起」）成批次。

Optimistic rollup 的架構

1. 進入 optimistic rollup

Optimistic rollups 使用部署在 Ethereum 上的智慧合約，來管理 L2 鏈與 L1 區塊鏈（Ethereum）之間的互動。Rollup 使用者必須先將資金存入其中一個智慧合約，才能在 rollup 上取得等量的解鎖資金。

一個稱為 sequencer 的第三方，會在收到使用者於 rollup 合約中存款的證明後，將對應資金記入該使用者在 rollup 上的帳戶。此後，使用者便可以在 rollup 上自由進行交易，直到用盡其餘額為止。

2. 使用 optimistic rollup

在 rollup 上，使用者簽署交易並提交給負責排序與執行交易的 sequencer。Sequencer 會驗證交易、將資料壓縮成一個區塊，並以單一交易的形式將該批次提交至 Ethereum。

這是另一個 rollup 合約發揮作用的地方。鏈上合約會儲存一個「狀態根」（state root），也就是 rollup 狀態的 Merkle 根。讓我們進一步拆解這個概念：

狀態（State）

狀態 是指在某個特定時間點，關於某個網路的可得資訊。「rollup 的狀態」描述的是 L2 鏈目前的狀況，並具體說明現有帳戶、餘額、智慧合約等細節。

Rollup 上執行的每一筆交易，都會導致其狀態發生變化——舉例來說，當 Alice 傳送 5 ETH 給 Bob 後，她的餘額就會減少。因此，交易也被稱為 狀態轉換（state transition），因為 rollup 在執行一筆交易後，會從舊狀態轉變為新狀態。

Merkle 根

Merkle 根讓使用者能夠使用加密雜湊來編碼大量資訊。Merkle 根也讓人更容易檢查某一筆資料（例如一筆交易）是否屬於某個較大的資料集（例如一批交易）。

因此，儲存在 rollup 合約中的「狀態根」，是驗證 rollup 在不同時間點狀態的一種加密承諾。當 sequencer 向 rollup 合約提交一批交易時，必須同時附上一個 前-狀態根與一個 後-狀態根。

1. 前-狀態根：舊 的狀態根，描述提交的交易執行前，rollup 的狀況。

2. 後-狀態根：新的狀態根，描述提交的交易執行後，rollup 的狀況。

一旦 sequencer 提交該批次，合約就會驗證 前-狀態根是否與現有的狀態根相符。若兩者相符，合約便會捨棄舊的狀態根，並儲存 sequencer 所提出的新狀態根。

這表示 後-狀態根中所引用的交易已成為最終結果，無法再被逆轉。請注意，sequencer 並不需要提交批次交易有效性的證明。

唯一需要證明的情況，是當驗證者（verifier）使用詐欺證明（fraud proof）回報某筆不當的 rollup 交易時。我們將在本文後面的章節說明詐欺證明的運作機制。

3. 退出 optimistic rollup

假設 Alice（使用者）受夠了這整套 rollup 的流程，想從 Ethereum Mainnet 上的 rollup 合約提領她的資金。為此，她需要一個 Merkle 證明——沒錯，你猜對了——來證明她的交易包含在 rollup 的狀態根之中。

要建構 Merkle 證明，需要取得最初的交易資料，而這應由 sequencer 提供。若一切順利，Alice 取得資料、建立 Merkle 證明，並將其提交給 rollup 合約。

但依賴 sequencer 提供交易資料，會帶來信任假設。Sequencer 有可能變得不誠實，執行一筆將 Alice 的代幣轉入自己錢包的交易，並拒絕提供她證明資金所有權所需的資料。即使是較不惡意的情況，例如 sequencer 離線，也可能威脅到 optimistic rollups 的去中心化與安全性。

Optimistic rollups 透過要求 sequencer 在 Ethereum 主要執行層上公開完整的交易資料，來解決這個問題。這些資訊會以「calldata」的形式發布在 Ethereum Mainnet 上，其成本比儲存在 Ethereum Virtual Machine 的記憶體或儲存空間中更低（進一步降低了 rollup 費用）。

這達成了兩個目的：

1. 若某個 sequencer 離線，另一個 sequencer 可以利用交易資料重建 rollup 的狀態，並繼續產生區塊。

2. Alice（使用者）可以自行下載這些資料，並用它來建立 Merkle 證明。

正是鏈上資料可得性（data availability）的使用，讓 optimistic rollups 比其他擴展方案更為安全。由於交易資料儲存在 Ethereum 上，只要 Ethereum 持續運作，使用者的資金就始終是安全的。

因此，無論透過哪種方式，Alice 都能建立 Merkle 證明以證明資金所有權。然而，她必須等待 爭議期（dispute period）結束後，才能提領資金。在 optimistic rollups 中，爭議期是提交提領請求後、取得所請求資金之前，長達 1-2 週的間隔。

在此期間，任何人都可以發布一份詐欺證明，宣稱某筆特定交易或某一批交易是無效的。若該詐欺證明成立，sequencer 提供作為誠實行為擔保的保證金（bond）將被罰沒，Alice 的「資金」將被回復原狀，而「檢舉者」（稱為 verifier）則會因其努力而獲得獎勵。

若沒有人對 Alice 的提領請求提出異議，那麼她就可以在 1-2 週後，從 rollup 合約取回她的資金。

什麼是詐欺證明（fraud proof）？

詐欺證明是一種主張，宣稱某個狀態轉換（即交易）無效，因此整批交易都應被回復原狀。雖然運作機制複雜，但詐欺證明的運作，很大程度上依賴前面提到的狀態根。

這個流程始於某一方（verifier）發現 L1 鏈上狀態根所引用的 rollup 狀態，與 rollup 鏈的實際狀態出現不一致。

舉例來說，sequencer 提交了一個後-狀態根，內容是 Alice 的餘額減少了 5 ETH、Bob 的餘額則增加了相同金額，但實際上 Alice 從未進行過這筆轉帳。

Verifier 可以「挑戰」這個狀態轉換，並證明其無效。之所以能做到這一點，是因為 verifier 會下載每一筆交易的資料，將其套用到自己保有的 rollup 狀態副本上，並計算出後-狀態根。

若 sequencer 的後-狀態根與 verifier 的相符，就不會有任何事發生。然而，若 sequencer 的後-狀態根與之不同——很可能是因為其中包含了一筆虛假交易，就像 Alice 案例中描述的那樣——那麼 verifier 就可以觸發詐欺證明的計算流程。

詐欺證明如何運作？

以下是詐欺證明流程的高層次描述：

1. Verifier 發起挑戰，並提供下列資訊：

   a. 有爭議的狀態轉換

   b. 前-狀態根

   c. Rollup 狀態資料

   d. 他們版本的後-狀態根。

   2. 該筆交易會使用挑戰者提供的資訊等，在 L1 鏈上的一個沙盒環境中重新執行。

這個「沙盒環境」是一個在 Ethereum 上運行的智慧合約，同時也扮演虛擬機（VM）的角色。

3. 若計算結果得出的後-狀態根與挑戰者的相符，就能證實 sequencer 確實發布了一批包含無效狀態轉換的交易。

該筆無效的批次（以及在此之後發布的其他批次）將被回復原狀，使 rollup 恢復到先前的狀態。

我們應該指出，詐欺證明機制實際上比這裡所描述的更為複雜。

這篇關於 rollups 中詐欺證明 的文章，或許能提供一些額外的背景資訊。

詐欺證明與有效性證明有什麼不同？

詐欺證明與有效性證明的主要差異在於，前者是在鏈上計算的。有效性證明（也稱為零知識證明）則是在鏈下（即在 rollup 上）計算，並在 Ethereum 上進行驗證。

正如我們在比較不同零知識證明類型的文章中所解釋，像是 SNARK 或 STARK 這類的有效性證明，是用來證明鏈下執行交易的有效性。這正是零知識 rollup的基礎。

在 ZK-rollup 中，每一批交易都會以交易資料作為輸入，產生一個有效性證明。這個有效性證明會與該批次一起提交至 Ethereum Mainnet，並由鏈上合約進行驗證。這意味著交易可以立即被宣告為有效，不需要等待挑戰期（不像 optimistic rollups 那樣）。

詐欺證明與 ZK 證明之間的另一個差異，在於後者在鏈上驗證起來相對較容易。智慧合約只需要運行該有效性證明，即可判定批次交易的有效性。而對於詐欺證明來說，則必須先重新執行整個狀態轉換，才能完成詐欺證明的計算。

Optimistic rollups 與 zk rollups 有什麼差異？

Optimistic rollups 與 ZK rollups 之間的主要差異，來自前者對智慧合約的支援方式、延遲提領、對加密經濟誘因的依賴，以及安全性質。

以下是 optimistic rollups 與 ZK rollups 的詳細比較：

主要的 optimistic rollup 區塊鏈有哪些？

以總鎖倉價值（Total Value Locked，TVL）而言，主要的 optimistic rollup 區塊鏈包括 Arbitrum、Optimism、Metis Andromeda 與 Boba Network。 以下是各個 optimistic rollups（ORUs）的概覽：

1. Arbitrum

Arbitrum 是一個 optimistic rollup 專案，旨在透過將運算與資料儲存移至鏈下，來改善 Ethereum 的使用者成本與交易速度。Arbitrum Virtual Machine（AVM）支援與 EVM 相容的智慧合約，讓使用者能以 Ethereum 費用的一小部分，使用自己喜愛的應用程式。

2. Optimism

Optimism 是一條與 EVM 相容的 optimistic rollup 鏈，借助 Ethereum 的安全性保證運作。Optimism 使用 optimistic rollup（OR）架構，將數千筆鏈下交易捲起，以節省使用者的 Gas 費用。

3. Metis andromeda

Metis Andromeda 是一個基於 optimistic rollups、具可擴展性、低成本且具功能性的 L2 協議。Metis Andromeda 獨特的技術堆疊，可應用於各種不同的使用情境，包括應用程式、DAOs 與 DeFi。

4. Boba network

Boba Network 是一條採用 optimistic rollup 設計來擴展吞吐量的 Ethereum L2。Boba Network 提供流動性提供者（Liquidity Provider，LP）服務，讓使用者無需等待長達七天的挑戰期結束，即可立即提領資金。

哪些 optimistic 區塊鏈或專案有發行代幣？

以下 optimistic rollup 專案有發行代幣：

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

Optimistic rollup 工具

Optimistic rollups 是擴展應用程式、以更具成本效益且高效的方式與智慧合約互動的實用解決方案。但在此之前，你需要各種工具，才能輕鬆且安全地使用 optimistic rollups。

以下是提供給開發者與終端使用者的各種 optimistic rollup 工具：

連結至 optimistic 第二層區塊鏈的跨鏈橋

雖然 optimistic rollups 建構於 Ethereum 的基礎層之上，但兩條鏈上的資產在原生層面上並不相容。不過，你可以使用跨鏈橋，將資金從 Ethereum 等 L1 鏈轉移至 optimistic rollup：

以下是連接 L1 鏈與不同 L2 rollups 的橋接範例：

連接 Arbitrum 的橋接服務

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

連接 Optimism 的橋接服務

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

連接 metis andromeda 的橋接服務

• Metis Bridge
• cBridge
• AnySwap
• Synapse Protocol

連接 boba network 的橋接服務

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

Optimistic rollup 測試網

測試網是一種公開的區塊鏈網路，用來模擬相對應主網（Mainnet）的行為。與真實的區塊鏈不同，測試網不使用真實資金，讓開發者能以最低風險部署並測試智慧合約。

Optimism 與 Arbitrum 目前是針對 Ethereum 現行的測試網 Sepolia 進行測試。較舊的 Kovan 與 Rinkeby rollup 測試網已遭淘汰。

結論

Optimistic rollups 是利用第二層架構擴展 Ethereum 這項努力中的重要一環。Optimistic rollups 建立在 Ethereum 的安全性與去中心化之上，同時提供更低廉的費用與更快速的交易。

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常見問題

什麼是 optimistic rollups？

Optimistic rollups 是一種第二層擴展解決方案，透過將運算與資料儲存移至鏈下，並假設所有交易都是有效的（除非受到挑戰），來改善 Ethereum 的吞吐量與延遲。

如何將資金存入 optimistic rollup？

使用者將資金存入部署在 Ethereum 上的智慧合約，sequencer 在收到存款證明後，會在 rollup 上記入對應金額給使用者。

Optimistic rollups 中的挑戰期是什麼？

挑戰期是在提交提領請求後、長達 1-2 週的間隔，在此期間任何人都可以發布詐欺證明，以在資金可被提領前，對無效交易提出爭議。

Sequencer 扮演什麼角色？

Sequencer 負責排序與執行交易、將交易資料壓縮成區塊、以單一交易的形式將批次提交至 Ethereum，並在收到存款後為使用者記入資金。

Optimistic rollups 與 ZK rollups 有何不同？

Optimistic rollups 假設交易有效，僅在受到挑戰時才使用詐欺證明；而 ZK rollups 則為每一批交易使用有效性證明，並允許使用者立即提領，無需等待期。

什麼是詐欺證明？

詐欺證明是一種主張，宣稱某個狀態轉換無效，當 verifier 偵測到 rollup 狀態不一致時便會觸發此機制，並提交證據以回復該詐欺批次的原狀。

為什麼 optimistic rollups 會有提領延遲？

1-2 週的提領延遲，讓 verifier 有時間偵測並挑戰任何詐欺交易，之後資金才會從 rollup 合約中釋出。

主要的 optimistic rollup 區塊鏈有哪些？

以總鎖倉價值計算，主要的 optimistic rollup 區塊鏈包括 Arbitrum、Optimism、Metis Andromeda 與 Boba Network。