背景介绍

从比特币创世开始，一直到以太坊网络中Crypto Kitties游戏的出现。主流公链项目最被人诟病的地方就是低下的TPS（Transaction per Second）。以太坊15左右的TPS完全无法给大多数应用提供实时稳定的支持，这与当前互联网行业动辄上万TPS的业务形成了鲜明的对比。甚至有很多人因此觉得公链将长期处于“不可用”状态。然而，公链爱好者不会因为困难而停下脚步。

主流方案对比

对于以太坊而言，过去几年内关于以太坊扩容的方案如雨后春笋般涌出，形成了百家争鸣的态势。其主流的方案如下所示:

1.链上扩容：

分片（Sharding）技术：分片一词本来源于数据库的术语，表示将大型数据库分割为很多更小的、更易管理的部分，从而能够实现更加高效的交互。

区块链分片是指对区块链网络进行分片，从而增加其扩展性。根据最新的以太坊2.0规范，以太坊区块链会被分为1024个分片链，这也意味着以太坊的TPS将提高1000倍以上。但目前Sharding方案仍然在跨分片通信、欺诈识别、随机分配与选举安全性等方面存在不足。

2.链下扩容：

状态通道（State Channel）：指代用于执行交易和其他状态更新的“链下”技术。

但是，一个状态通道内发生的事务仍保持了很高的安全性和不可更改性。如果出现任何问题，我们仍然可以回溯到链上交易中确定的稳定版本。

侧链（Sidechain）技术：侧链是平行于主链的一条链，由侧链上的验证者把一条链的最新状态提交给主链上的智能合约，这样持续推进的一类系统。侧链通常使用PoA(Proof-of-Authority)、PoS(Proof of Stake)等高效的共识算法。它的优势在于代码和数据与主链独立，不会增加主链的负担，缺陷在于它的安全性弱、不够中心化，无法提供审查抗性、终局性和资金所有权保证。

Rollup技术：顾名思义，就是把一堆交易卷（Rollup）起来汇总成一个交易，所有接收到这个交易的节点只去验证执行结果，而不会验证逻辑。因此Rollup交易所需Gas费会远小于交易Gas费总和，TPS也增加了。

主流的Rollup技术可以分为两类：

• ZkRollup：基于零知识证明的Layer2扩容方案，采用有效性验证方法(VP)，默认所有交易都是不诚实的，只有通过有效性验证才会被接受。ZkRollup在链下进行复杂的计算和证明的生成，链上进行证明的校验并存储部分数据保证数据可用性。

• Optimistic Rollup：乐观的Rollup协议，采用欺诈证明方法，即对链上发布的所有Rollup区块都保持乐观态度并假设其有效，它仅在欺诈发生的情况下提供证据。



乐观Rollup的优势在于能使得原生Layer1上的solidity合约可以无缝移植到Layer2，从而最大程度提升了技术人员的研发体验，目前主流方案包括Optimism和Arbitrum。

Plasma方案：通过智能合约和Merkel树建立子链，每个子链都是一个可定制的智能合约，子链共存并独立运行，从而大幅降低主链的TPS压力。

我们对解决方案进行比较，结果如下：

Rollup机制目前被普遍认为是最有前景的扩容方式， 在两种主流的Rollup方案中，最核心的问题便是如何验证Rollup交易中的真实性。 

Optimistic Rollups和ZK Rollups运用了不同的思维逻辑，前者乐观地相信交易的真实性，而后者悲观地不相信，因此生成零知识证明来自证清白。

相比之下，两者的优劣如下：

• Optimistic Rollup的优势是能够更好地支持EVM合约，劣势在于验证效率低，安全性较低；

• ZkRollup的优势在于高度去中心化，验证效率高，劣势在于生成零知识证明并打包的过程非常复杂，较难兼容EVM，也较难落地。

下面主要对Optimistic Rollup的两大方案Optimism和Arbitrum进行介绍。

Optimism 和 Arbitrum

首先我们来看看Optimistic Rollup方案的流程：

Optimism和Arbitrum在基本流程上跟上述描述一样，直截了当来说：Optimism 的争议解决方案比 Arbitrum 更依赖于以太坊虚拟机 (EVM)。当有人提交关于 Optimism 的挑战时，存在问题的交易都会通过 EVM 再运行一遍。

相比之下，Arbitrum 使用链下争议解决流程将争议二分减少到一笔交易中的一个步骤。然后，协议将这个一步的断言（而不是整个交易）发送到 EVM 进行最终验证。

因此，从概念上讲，Optimism 的争议解决过程比 Arbitrum 简单得多。但Arbitrum大大减少了链上的验证压力。

Arbitrum的整体架构如下所示：

• 由于 Arbitrum 是针对以太坊的扩容方案，因此 Arbitrum 架构自然部分存在于 Layer1上，部分存在于 Layer2 上；

• 存在于 Layer1 上的 Arbitrum 组件为 EthBridge，它是一组以太坊合约；

• EthBridge 负责仲裁 Arbitrum Rollup 协议，以及维护链的inbox和outbox；

• 链的inbox和outbox允许用户、Layer1合约和完整节点将他们的交易发送到链并观察这些交易的结果；

• Arbitrum虚拟机是Layer1和Layer2之间的网关，这也由EthBridge产生；

• AVM 能够读取输入，并对这些输入执行计算以产生输出；

• ArbOS 运行在 Arbitrum 虚拟机之上，负责保证 Arbitrum 链上智能合约的执行；

• ArbOS 完全存在于 Layer2 上，并像在以太坊上运行一样运行 EVM 合约。

Arbitrum的争议解决过程主要依赖链下的递归二分算法。该算法通过不断二分差异点来迫使”断言者“和”挑战者“缩小分歧，最终在Layer1上解决分歧。解决的具体方案如下所示：

而Optimism则直接让EVM执行整个交易，因此它只需要一轮交互即可完成。出于这个原因，Optimism Rollup通常被称为“单轮”，而 Arbitrum Rollup是“多轮”。两者最大的区别在于：Arbitrum解决争议时间长，因此确认时间较长。Optimism需要执行整个交易，Gas费更高。

Eigen——Layer2 Rollup 的隐私计算方案

对于隐私计算而言，通常结果是乐观主义的。在隐私计算领域，一笔交易极其复杂，在Layer1执行完这笔交易非常困难，因此，Arbitrum是隐私计算领域中较优的选择，这也是Eigen基于Arbitrum进行开发的原因。

Eigen Rollup是一套EVM兼容、支持乐观执行和可验证性声明的混合Rollup方案。

• 乐观执行：类似于CPU的分支预测(Branch Prediction), 交易会被预执行，验证者验证交易的合法性；通过挑战协议对有争议的交易进行裁决；

• 可验证性声明：采用TEE签名和零知识证明技术对计算过程的正确性和结果完整性提供非交互式证明。

Eigen Rollup基于Arbitrum提供如下技术：

• 隐私可验证性证明：Eigen Rollup在Arbitrum的交互式证明方案的基础上，采用TEE进行关键隐私操作指令的执行，从而降低交互式证明消耗，提供交互式证明的隐私保护；

• 公平定序器：现有的定序器存在中心化程度太高，以及跟验证节点联合作恶的风险。Eigen Rollup采用一种公平算法来实现定序器，实现了低手续费的同时，也防止了MEV等攻击的可能性。

• 分布式任务执行引擎（EGVM）：EGVM作为隐私合约的执行虚拟机，支持分布式任务管理。EGVM会将分布式任务调度到EigenCC计算集群进行并行计算, 并且生成对应的可验证证明。

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