什麼是ZK Rollup？以太坊layer 2 數據可用性解決方案
簡單一句話解釋 ZK Rollup 就是，數據放在鏈上的 layer 2 解決方案。
原文標題：《科普 | ZK Rollup & Optimistic Rollup》
作者 : Kimi Wu
翻譯 : 阿劍
作者註：ZK Rollup 不是一個新的提案，大約在一年前被 Barry Whitehat 所提出，同時間 Vitalik 在以太坊研究員的論壇有一篇比較完整的文章解釋，現在由 Matter Lab 在開發。研究完 zk-SNARKs 之後，一直沒空來看，直到最近才有機會來深入了解。除了 ZK Rollup，也會簡單帶一下前陣子在 Plasma Group 所提出的 Optimistic Rollup。
ZK Rollup 一開始提出來的時候，是被定義為 layer 2 的解決方案，年初的時候一度以 Plasma Ignis 這個名稱作為發表。應該是因為去年 Plasma 很紅，一直不斷有新的提案跟進展，加上這當時也被定義為 layer 2 的解決方案，這些種種原因，開發者就冠上了 Plasma 的名稱，不過因為這項技術跟 Plasma 的精神完全不一樣，被社群抗議，後來就恢復到 Rollup 這個名稱（開發者的聲明），所以搜尋 「Plasma Ignis」會找不到什麼東西。到最近，Rollup 被更名為 semi-layer 2 的解決方案，就是有一點 layer 2 但又沒這麼 layer 2。
簡單一句話解釋 ZK Rollup 就是，數據放在鏈上的 layer 2 解決方案。
在了解 ZK Rollup 之前，先來解釋原本 layer 2 有什麼問題。以 Plasma 為例，Plasma 鏈只把 Plasma 區塊的 hash 放上 Ethereum 主鏈上做公正（欲了解 Plasma 可以參考這裡），也就是在鏈下交易了數百或數千筆的交易，最後上鏈只有幾十個 bytes，這是鏈下交易的精神，但也是設計上最麻煩的地方——數據的可取得性（編者註：大陸一般譯為 「數據可用性」）。
就是當有人要離開這個鏈時，需要一個額外的遊戲規則，在 Plasma 叫做挑戰期（因為鏈上沒有數據，需要側鏈參與者的提供證據），這衍生了有數據才能挑戰，所以大家都要存一定數量的數據，相較於跟主鏈的互動，只需要裝一個錢包，並不需要下載區塊數據，用戶體驗上差異很大。挑戰期的另一個問題是，使用者需要保持上線狀態，不然錯過挑戰期，就代表默認了交易（因為是採用詐欺證明並非是有效性證明）。簡單來說，因為數據的可取得性問題，衍生了：
- 使用者需要常常在線
- 需下載部分數據
- 而造成使用者體驗很糟（當然現在的 Plasma 設計已經改進了不少）
如何將數據放在鏈上，又不會造成數據過大呢？
首先，先介紹整體架構。跟 Plasma 一樣，有一個智能合約做擔保，有中繼者 (relayer) 幫忙送交易到智能合約（在 Plasma 叫 operator），中繼者除了送交易外，還需要產生 SNARK 證明，一起送上鏈做驗證。
智能合約的部分，可以想像跟 ERC20 一樣，在合約里記每個參與者的帳，差別在於，標準的 ERC20 交易是由 Ethereum 這系統做驗證，也因此不能合併（因為這就是 Ethereum 的標準交易），而 Rollup 中，是把好幾筆交易包成一個標準交易，對 Ethereum 這個系統，就是一個交易，而驗證交易的有效性則由智能合約做驗證。
實際在智能合約里，用兩個 merkle tree 做紀錄，一棵樹是紀錄地址，所以只需要樹的索引值就可以代表一個地址（未註冊的索引值內容為 0），因此地址的數據量就從原本的 20 bytes 減少到只有 3 bytes，另一棵樹則記錄 balance 跟 nonce。
這是數據格式（這是最初的提案，後來的實作交易量更小），
因為用索引值當地址的代表，所以只需要 3 bytes （2²⁴個地址），Value 的部分是以 10^-6 當作基底，這樣只需要 15 bytes 就可以代表一筆交易，而儲存這樣一筆交易大約只需要 892 gas （雖然 Value 是 6 bytes，但是文章中的假設大部分的交易只會使用到 4 bytes，所以演算法是 13 bytes * 68 + 2 bytes * 4 = 892），而一般 ether 的轉移需要 21K gas，因此交易速度能提升（所以 Vitalik 的文章標題是 「On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec through mass tx validation」）。
為什麼交易速度能提升？也順便來了解一下交易速度
現今以太坊每個區塊的 gas 上限約 8M，所以若單純 ether 交易，速度約略是
8M / 21K / 15 ~= 25 tps
所以現在的交易瓶頸其實是 gas 的問題，下跌交易手續費（編者註：指調低轉賬所需耗用的 Gas 數量）或是提升區塊 gas 上限，都能適時紓困（但也會造成衍伸的問題），而 ZK Rollup 就是藉由交易數據量 (size) 的減少，進而能增加交易速度。那來看一下使用 ZK Rollup 後交易速度能到多快
(8M — 600K (zk-SNARK 驗證) — 50K （預計合約運行的 gas 花費）) / 892 / 15 ~= 550 tps
這個數字就是 Vitalik 文章的標頭 「On-chain scaling to potentially ~500 tx/sec」。但實際上並沒有這麼理想，在作者 Barry 的實作中，大約只有 268 tps，因為每次資產的更新都會留下 event，所以有多餘的 gas 花費，然而，這樣的設計在應用上也是比較親切的。
數據都在鏈上，而且透過 zk-SNARK 做驗證，代表著上鏈的數據都是被驗證過的，因此就沒有一開始 layer 2 遇到的問題，需要挑戰、需要下載數據等等。這也隱含著不需要信任中繼者，因為他們無法作壞，最多就是不幫你送交易。
事情沒有這麼美好…
大家都覺得 zk-SNARK 像個萬靈丹一樣，用了好像什麼事都解決了，不過實際上並沒有這麼完美。zk-SNARK 除了需要初始設定之外（編者註：指需要信任的初始設置），最大的問題就是需要大量的運算力，在 Barry 提供的數據中，中繼者的計算機若是一台 8G 內存加上 20G 的硬碟 swap，大概只能產生 20 tx/sec，遠遠不及預期的 500tps 或是實作的 200 多 tps。所以這個方案最大的問題在於要怎麼解決算力問題。
平行運算
Matter Lab 使用了多中繼者模型跟平行運算。多中繼者的模型，很像小型的區塊鏈，使用了 DPOS (Delegated Proof of Stake)，還有隨機挑選區塊產生者，所以被挑選到的區塊產生者，就可以收集交易、產生證明並且上鏈。這樣的方法避免了中心化，若中繼者被惡意攻擊，整個網路還是能運作得下去，另一方面，也為平行運算做了鋪路。零知識證明的產生非常花時間，因此基於多中繼者模型，Matter Lab 提出了 「上鏈-驗證」 兩階段的方式，也就是中繼者先把數據上鏈，下一個階段再上傳證明做驗證，進而達到平行運算（如下圖）。再加上一些數據的優化，測試結果可達到 1600 tps。
延遲…
聽似很美好，但是因為你的交易被分兩階段上鏈，也就是從送出到到被驗證，會是好幾個區塊，時間比原本單純上鏈時間會更久。當然，延遲多久是使用者可接受的，這目前也無從得知。這是一個取捨，省了手續費，增加了交易速度，卻也增加了時間的延遲，這一切也要等上線後才會知道。
今年初，Vitalik 在台北的線下聚會中分享了 ZK Rollup 的進階版 — ZK ZK Rollup，有興趣的人可以參考這篇文章，記錄的很詳細。
Plasma & Optimistic Rollup
Optimistic Rollup 在設計上跟 Plasma 相關，所以只會簡單帶一下差異。
Karl （注）基於 ZK Rollup 的設計，在上個月提出 Optimistic Rollup，概念上也是把數據都放鏈上，但不是用 zk-SNARK 做驗證，因為希望能達成更普遍性的應用。而不一樣的地方有，把 from 的部分，改為使用者的簽章（65 bytes），因為數據量變大的，可想而知，花的 gas 會更多，交易速度就會不及 ZK Rollup。另一部份是，因為不是用 zk-SNARK 做驗證，就需要數據驗證的輔助方法（validity game），這邊就不詳細介紹，有機會再寫一篇 Plasma/Optimistic Rollup 的詳細介紹。
在估算上，交易速度約是 100 tps，若簽章方式改為 BLS，約可提升到 450 tps。而在 10 月的硬分岔後，gas 會下跌，預估的交易速度也會分別到達 400/2000 tps。（許願：希望有人可以介紹一下 10 月的硬分岔細節 XD）
註：在中文的媒體文章中，都稱他是 Casper 的核心研究員之一，但是從我一開始知道這個人，都是在大力宣揚 Plasma，他的部落格、twitter 都是跟 Plasma 相關的文章，不確定他在 Plasma Group 的角色，但我是把他定位成 Plasma Group 的 leader
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