以太坊研究者 Polynya：单片式公链为什么是“死胡同”？

单片式 L1 区块链 (依然) 极为低效

 我从 2020 年开始撰写关于 Rollups 的评论，并在去年的这个时候发表博文，当时主流的说法是“Cardano/其他 L1 智能合约平台即将到来，用户将会在一夜之间从以太坊大规模地迁往其他 L1 网络。”之后的说法是“L2 网络是暂时的权宜之计，实现扩展的唯一方式是 L1 网络。”然而，即使在 2021 年底进行最温和的测试，这些替代性 L1 网络的叙述也以惊人的速度瓦解： 

• 币安智能链 (BSC) 由于状态膨胀而使其系统要求更高。其结果是，节点开始不同步，导致许多问题。这里的问题在于他们一开始指定的系统要求非常低——但他们没有告知人们，系统要求会随着状态膨胀呈指数增长。现在，他们在没有充分的审计或测试的情况下进行不计后果的网络变更。当然，切换到 Erigon 并拥有多条链将提供增量效益，但总是会存在严重的限制。

• Solana 没有犯这样的错误，他们从一开始就对很高的系统要求非常开放。现在，我绝对不会对 Solana 的各种失败和问题进行批评，因为这很大程度上是因为它是一个早期的 beta 产品。由于缺失一些特征而导致的 bug 和问题总是会出现在 beta 项目中，无论是 Rollups、dapps 还是单片式 L1 网络都是如此，我只希望开发人员能够修复这些问题。但问题是，随着时间的推移，当 Solana 成熟了，久经测试消除了 bugs，并实现了一个费用市场，它将需要提供一个递增的吞吐量，并在技术和经济可持续性上付出巨大的代价。Solana 本质上是不可扩展的。Optimistic Rollups 是要比 Solana 要好得多的解决方案，并且会很快成熟。

• Polygon PoS 可以说是继以太坊之后被采用最多的链。现在，Polygon PoS 确实是一个“提交链”(commit chain)，而不是一个替代性 L1 链，但它仍然是一个单片链，并受到与 L1 网络相同的低效率约束。Polygon PoS 达到了它的极限，受到了垃圾交易的影响，提高了它们的最低 Gas 价格。但即使在那之后，还是有很多项目向它发送垃圾信息，导致 Gas 价格上涨了超过 0.1 美元。需要明确的是，这是一个比 Solana 或 Cardano 要好得多的结果，在 Solana 或 Cardano 中，在拥堵期间 99% 的交易都会失败，只有微型 MEV 机器人会成功。值得赞扬的是，与其他单片式区块链项目不同的是，Polygon 团队非常公开地承认了这些局限性，并将所有精力投入到 ZK-Rollup 中——这实际上将实现高可扩展性。行动胜于言语，Polygon 团队在零知识技术方面投入 10 亿美元的行动值得称赞。

• 说到 Cardano，他们也是一个处于非常早期的 beta 产品，和 Solana 一样，也必须实现费用市场。Cardano 的系统要求仍然很低。最近，我看到 Cardano 社区对 Rollup 越来越感兴趣，很高兴看到这种情况！然而，在 Cardano 本身没有实现数据可用性采样之前，所有这些都是徒劳的。

• 我们看到还有许多其他项目没有达到其大肆宣传的效果。每当区块空间饱和时，Avalanche C-Chain 的费用就会飙升——我的意思是，这是单片区块式链的一个基本特征。子网会导致安全性或去中心化的碎片化，并且将受到同样严重的限制 (即费用的飙升)。至于 Avalanche 的“online Purning” (在线修剪，这里的“修剪”是指节点压缩过去的历史交易)：让我们拭目以待，但这似乎实现了 Geth 的“离线修剪”(offline purning)，并使其以更高的频率进行修剪。这可能是 Geth 的一个很好的补充，但它绝对不能解决状态膨胀的基本限制。我们已经看到了 Harmony 的失败等等。但我也想强调的是这些正在为下一代构建可扩展性解决方案的项目：以太坊、Tezos、Celestia 和 Polygon Avail 的数据可用性抽样；Mina 和 Aleo 的有效性证明；以及还有许多的 Rollups 方案，现在似乎每周都会出现新的 Rollup！很明显，我们已经进入了「模块化架构」的时代——很少有人会认真地构建新的单单片式 L1 区块链。在紧要关头，Polkadot 和 NEAR 等“原型模块化”项目是中期解决方案，虽然不能解决上述许多问题，但仍保持了可持续性和安全性。如果你不关心可持续性和安全性，那么 Dfinity/ICP 正在构建有趣的东西。

• 我还想明确一点，单片式 L1 区块链是有一条前进的道路的：升级到下一代技术。例如，Avalanche 可以在底层实现一个“数据可用性抽样子网”，该子网由整个验证者集进行验证，并引入模块化的执行层。除非这是他们路线图上的优先事项，否则我将继续推动这种说法，直到这种转变在整个行业普遍存在。

• 现在，并不是每一条链都必须是一个 Rollup 或者有着某种形式的模块化设计。在安全性不重要的情况下，以及希望实现某种在 Rollups 中很难或不可能实现的新特性时，主权 L1 链仍然有其一席之地。当然，这在很大程度上是一个利基市场，但它是真实存在的。Cosmos 生态系统在这方面做得很好，Polygon Edge也在构建引人注目的解决方案，尽管我希望看到这些链被证明是有效的，并且 IBC (链间通信) 也在进化以验证有效性证明。跨 L1 区块链的「桥」也是如此。但即便是在有效性方面被证明是完美的 L1 跨链桥，比如 =nil; Foundation 正在构建的「Mina <> Ethereum 桥」，仍然需要假设这条更脆弱的链 (即 Mina 链) 不会被攻击；相比之下，Rollups「桥」能够提供完整的安全保证，即使那条更脆弱的 Rollup 链被攻击，你仍然可以继承那条更强大的链的安全性。

• 最后，讨论时机很重要。当前，Optimistic Rollups 还没有准备好，所以使用这些非 beta 阶段的单片式 L1 区块链仍然是有意义的。应该注意的是，不管是 Optimistic Rollups 还是单片式 L1 链，都存在不同程度的成熟度/不稳定性，因此你必须根据具体情况进行评估。但我不会在这篇文章中对此进行论述，我唯一的兴趣是从长期来看，区块链可以如何大规模、可持续地进行扩展。但 Optimistic Rollups 正在迅速成熟，在成为可持续性解决方案这方面有着明确的途径。只需要工程工作就可以实现——很有可能至少会有一个Optimistic Rollup 将实现完全的去中心化、实现数据压缩、拥有高流动性的「桥」，并在一年的时间内扩大规模。一旦 Optimistic Rollups 准备迎接其黄金时刻，那么所有单片式 L1 区块链网络的游戏就都结束了。

 在过去，我采取了非常长远的观点，因此，我可能从一个更积极的角度讨论了 ZK-Rollups。我一直认为 ZK-Rollups 将是游戏终局，并认为所有的 Optimistic Rollups 将会要么转变成 ZK-Rollups，要么使用有效性证明 (validity proofs) 来取代其欺诈证明系统。但这可能是 3 年以后的事了。 

上文第一部分的结论是：单片式 L1 区块链是一条死胡同，在这一点上的证据是压倒性的，所以我想把这一点彻底强调一下。以下是本文第二部分，将主要以以太坊为中心，因为以太坊是所有 Rollups 创新的所在地，而且以太坊有着最具雄心的可扩展性路线图。 

Optimistic Rollups 对比 ZK-Rollups

 现在，让我们来讨论一下 Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups。顺便说一下，最近我了解了 Obscuro (一个 TEE Rollup) 和 Urbit 的 Naive Rollup。Rollups 的设计空间是一个空白画布，因此可以有多种类型的 Rollups！但是在这里，我特别讨论的是基于欺诈证明 (Optimistic Rollups) 和有效性证明 (ZK-Rollups) 的安全 Rollups。 

交易费

 让我们从特定于应用程序的 Rollups 开始：很明显，ZK-Rollups 在这方面领先。Loopring、zkSync 等方案在支付领域被欢迎，其 ERC-20 代币转账的费用在 0.10 美元左右。撰写本文时，基于 ZK-Rollup 技术的去中心化交易所 ZigZag 上的固定费用是 0.28 美元，包括 Gas 费和交易费。同时，去中心化衍生品交易平台 dYdX 平台没有面向用户的 Gas 费用，但我们可以计算该平台的交易费用：在交易量较高时，每笔交易他们都要向以太坊支付 0.08 美元的 Gas 费；在交易量较少的日子，则是在 0.10 美元左右。 

现在，Optimistic Rollup 很有可能能够提供这一范围的费用——实际上，Worldcoin 项目计划使用的 Hubble (基于 Optimistic Rollup 的 L2 网络) 的 ERC-20 转账费用目前低于 0.10 美元的范围。我们继续转向智能合约 Rollups——为什么当前 Optimism 和 Arbitrum 网络上的费用如此之高？撰文时，根据 Lefees.info 的数据，Optimism 上的代币兑换费为 0.85 美元，而 Arbitrum 的为 1.35 美元，这实在是太高了！ 

答案很简单：这些 Optimistic Rollups 本身还没有优化，而且大多数早期在 Optimistic Rollups 上部署的 dApps 项目都是以太坊上原有项目的分叉版本，并不是针对 Optimistic Rollups 而设计的。最近，通过专门针对 Optimistic Rollups 而进行优化的 Aave V3 成功地降低了约 10 倍的费用！ 

但是还会有更多的优化。签名聚合/压缩将使得每笔交易直接节省约 1,000 Gas。调用数据 (calldata) 的基本压缩可以直接节省 2.5 倍，且更多更先进的方案将会出现。随着 Optimistic Rollups 以及部署在其上的 dApps 的优化，Optimistic Rollups 的交易费用将很容易达到 0.01- 0.10 美元的范围。 

等等，这是以太坊发展路线图中的 The Surge 阶段 (即通过分片 (sharding) 大幅提高 Rollups 的可扩展性) 到来之前的情况！如果 2022 年末的以太坊上海硬分叉升级 (这将是以太坊合并后的首次升级) 进展顺利，那么第一步将很可能是引入“携带 blob 的交易” (blob-carrying transactions，这是 Vitalik 提议的一种新的交易格式)，这将使得 calldata (调用数据) 的成本降至大约为零，且并且 Optimistic Rollups 实际上将变得更加便宜！ 

今天，ZK-Rollups 有着较高的固定成本。当前，ZK-Rollups 要更便宜，因为其调用数据成本超过了该固定成本；但是，随着调用数据成本变得可以忽略不计，交易费将完全由 ZK-Rollups 的固定成本主导。而 ZK-Rollups 的运行成本要高得多。 

很明显，现在有很多不同的证明系统，成本也不同，但通常的估计是 0.01- 0.02 美元。这将是 ZK-Rollups 的一个最低成本。然而，如果它们愿意，Optimistic Rollups 可以自由地下降至更低：由于一个成熟的 Optimistic Rollups 成本 99% 是调用数据成本，它们可以以微不足道的成本访问 ~5200 TPS 的 blobspace。 

顺便说一下，Optimistic Rollups 也将比 Validiums 方案(在链下保存其数据可用性)更便宜，因为这个最低成本也适用于 Validiums！我相信 zkPorter (这是一个 Validium 方案) 的交易成本在 0.01- 0.03 美元之间，而 Optimistic Rollups 的成本可以远低于这个水平。就我个人而言，出于交易质量的原因，我不建议使用这种方案，但在这种情况下，Optimistic Rollups 最终将获得更高的“利润”，可以重新分配给利益相关者，或将其用于公共产品融资、开发等等。 

当然，最终，~5200 TPS 会饱和，如果有超过这个的巨大需求，调用数据成本将再次开始上升。但是，到那时，Danksharding 将会推出，首先将这个空间扩展到 125,000 TPS，然后在数年内扩展到数百万 TPS。(顺便说一下，在讨论 Rollups 时，“TPS”数字是没有意义的，但它用于说明目的是有用的。) 长期来看，调用数据成本绝对不会成为瓶颈——瓶颈将是 Rollups 本身。重申一下，瓶颈将是 Rollups 本身，而不是以太坊。 

长期来看，随着 ZK-Rollups 的成熟，我们将有 ASIC 证明者，ZK-Rollups 的成本也将变得微不足道。届时，ZK-Rollups 的优势——最明显的是即刻取款 (无需等待)——将胜出。对于一些具有高度压缩状态增量的用例 (如 dYdX)，它们很快就会比 Optimistic Rollups 便宜得多。 

最终性 (Finality)

 说到这，一个常见的误解是，Optimistic Rollups 有 7 天的敲定期。但实际上，Optimistic Rollups 将比 ZK-Rollups 更快地实现与 L1 相同的最终性 (finality)。我们已经看到 Optimistic Rollups 每 5 到 10 分钟提交一个交易批次，所以这就是延迟。这 7 天是为了确保维持这一最终性，并假设至少有一个实体会维持该最终性。随着 Optimistic Rollups 的扩展，这些交易批次将更加频繁地被提交，且当达到大约 20 TPS 时，Optimistic Rollups 可以在每个区块进行提交，此时 Optimistic Rollups 的最终性将等于 L1 的最终性。由于 ZK-Rollups 的固定成本要高得多，在每个区块进行提交将需要更多的活动 (>100 PTS) 才能实现。然而，通过 Vitallik 提出的这个 blob 交易 EIP (以太坊改进提案)，ZK-Rollups 可以重新设计，将一些证明提交给 blob，所以这可能不是一个问题。 

那么，Optimistic Rollups 的这 7 天是什么呢？因为挑战期是 7 天，所以有一种交易确实有 7 天的敲定期，即从 Optimistic Rollups 取款至 L1 链。对于某些情况，比如跨链 NFTs，这可能是一种挑战。然而，我们已经看到了许多在 Optimistic Rollups 上线的「桥」，且随着 Optimistic Rollups 的成熟，活动 & 流动性将提高，届时这 7 天的挑战期将不再是一个问题。更大的问题是 ZK-Rollups 支持了许多新用例和跨 Rollup 活动，而这些用例和活动是无法在 Optimistic Rollups 上实现的。 

比如，借助于 Danksharding，ZK-Rollups 可以同步调用 L1,我甚至推测，如果我们通过 crLists 实现 L1 预确认，不同的 ZK-Rollups 之间的某种程度的可组合性将是可能的！Optimistic Rollups 被排除在这些新颖和创新的场景之外。附录：虽然 Optimistic Rollups 可以进行隐私交易，而 ZK-Rollups 将能够以低得多的成本进行此类交易。 

吞吐量

 特定于应用程序的 Rollups 相当精简，并且可以大规模扩展。如果我没记错，早在 2020 年年中，StarkEx 就演示了 9000 - 18000 TPS。然而，对于智能合约 Rollups 来说，情况更加具有挑战性。我们已经看到 StarkNet 只能够比 dYdX 或 Immutable X 的吞吐量更低，并将吞吐量优化作为一个最高优先级。因为 Optimism 和 Arbitrum 都是基于 EVM 客户端，所以它们 a) 拥有经过实战测试的代码库，b) 相对优化的客户端。几天前，我询问在需要并行性之前 EVM 可以扩展到什么程度，Alexey Sharp 认为 Erigon 可以扩展到 500M Gas/秒。因此，对于优化的基于 EVM 的 Optimistic Rollups 有很大的空间，并且可以通过多线程客户端或多个实例/递归 Rollups 提供更多的空间。 

这是我们争论的焦点：因为 Optimistic Rollups 有一个诚实的少数假设，你不能将系统需求推得太紧。要清楚的是，因为这是一个诚实的少数假设而不是单片式 L1s 的那种诚实的大多数假设，因此 Optimistic Rollups 可以比任何单片式 L1 区块链更安全。但是你仍然需要有一个限制，这个限制在默认情况下需要低于 ZK-Rollups，因为 ZK-Rollups 可以很容易地通过有效性证明进行验证。 

但是 Optimistic Rollups 有一个解决方案——无状态客户端。我在 Optimism 的路线图上看到了这一点，但我不记得在哪里了。使用无状态客户端，验证 Optimistic Rollups 非常容易，使用正确的工具验证交易将非常简单。此外，因为可以很容易地直接从 L1 重构 Rollup 的状态，所以通过借助状态过期，Rollups 比 L1 更具有侵略性。一旦实现了无状态性和高频率状态过期，Rollups 将已经克服了状态膨胀的严重问题！此外，你还拥有像 Fuel V2 这样的新解决方案，它通过类似 UTXO (未花费交易输出) 的系统进行并行化。 

话虽如此，通过递归有效性证明，ZK-Rollups 仍然是实现网络最大吞吐量的更优雅的解决方案。很有可能的是，在 StarkNet 自身日趋成熟的同时，我们看到特定于应用程序的 ZK-Rollups 在其之上构建了巨大的吞吐量，且作为一个整体，StarkNet 的规模远远超过任何 Optimistic Rollups。然而，其中的权衡是原子可组合性——除非 ZK-Rollups 团队的向导很快发现这一点！