Layer 2 Rollup 快速比較

以太坊 Layer 2 擴容方案已成為解決網路擁塞與 Gas 費用高漲的核心技術路徑。在眾多 Layer 2 方案中，Rollup 架構是目前最受認可且已實際上線的主流選擇。Rollup 的核心理念是將大量交易執行移至鏈下（Layer 2），僅將壓縮後的交易資料或證明提交至以太坊主網（Layer 1），從而實現每秒數千筆交易（TPS）的吞吐量，同時保持與 Layer 1 同等的安全性。

本文深入比較 Optimistic Rollup 與 ZK Rollup 兩大技術路徑的架構差異、效能特性、安全假設與經濟模型，協助開發者與使用者理解各方案的優劣勢與適用場景。

一、Rollup 技術原理概述

1.1 基礎架構

Rollup 節點（稱為 Sequencer）在 Layer 2 執行交易，並定期將交易資料（transaction data）與狀態承諾（state commitment）發布至以太坊主網。使用者將資產 Lock 在 Layer 1 的 Rollup 合約中，Layer 2 上的餘額變化由 Rollup 節點維護的 Merkle Tree 追蹤。

Rollup 的關鍵組件包括：

• 狀態根（State Root）：Rollup 全域狀態的 Merkle Root，代表某一時刻所有帳戶餘額與合約存量的壓縮表示。
• 交易資料（Transaction Data）：交易的原始資料，通常經過壓縮（如 calldata compression）後發布至 Layer 1。
• 有效性證明（Validity Proof）或欺詐證明（Fraud Proof）：用於說服 Layer 1 相信 Rollup 狀態變更的正確性。

1.2 資料可用性

資料可用性（Data Availability，DA）是 Rollup 安全性的核心。DA 確保任何人可從 Layer 1 取得足夠資訊來重構 Rollup 狀態，驗證狀態根的正確性，並在 Rollup 營運商（共識層）故障時能夠自主退出。

根據 DA 的實現方式，Rollup 可分為：

• On-chain DA：完整交易資料發布至 Layer 1（作為 calldata）。這是標準 Rollup 的做法，確保資料永存，但成本較高。
• Off-chain DA（如 EigenDA、Celestia）：資料儲存於外部 DA 層，僅將資料承諾（data commitment）發布至 Layer 1。這種模式可大幅降低成本，但引入了額外的信任假設。

1.3 退出機制

當 Rollup 營運商（共識層）故障或被攻擊時，使用者需要一種方式從 Rollup 中提取資金。理想的退出機制應該是「無需信任」的——即使所有 Rollup 節點串通，使用者仍可透過 Layer 1 上的資料重建狀態並提取資產。

• 完全無需信任（Trustless Exit）：透過 Layer 1 上的資料可完整重構狀態，代表最高安全性。
• 存證退出（Proof-based Exit）：需提供 Merkle 證明才能提取資金，這要求使用者或救援服務能存取完整狀態資料。

二、Optimistic Rollup 深度解析

2.1 運作機制

Optimistic Rollup 名字中的「Optimistic」源於其核心假設：大多數交易都是正確的，因此預設信任 Sequencer 提交的狀態根，而非立即驗證。只有當發現錯誤時，才會有人發動挑戰（challenge）並提交欺詐證明。

工作流程如下：

1. 交易打包：Sequencer 收集 Layer 2 上的交易，批量執行後產生新的狀態根。
2. 狀態提交：Sequencer 將交易資料與新狀態根提交至 Layer 1 的 Rollup 合約。提交內容包括：

• 前一區塊的狀態根（previous state root）
• 新狀態根（new state root）
• 交易資料（compressed transactions）

1. 爭議期（Challenge Period）：提交後進入 7 天（Optimism、Arbitrum）或 6.4 天（Base）的爭議期。在此期間任何人可挑戰狀態根的正確性。
2. 欺詐證明：挑戰者需構造一個互動式證明遊戲（interactive proving game），證明某筆交易的執行結果與提交的狀態根不一致。Arbitrum 採用多輪互動式挑戰，Optimism 採用單輪二分查找。
3. 裁決與懲罰：若挑戰成功，錯誤的狀態根被回滾，錯誤的 Sequencer 被罰沒質押的保证金。挑戰者獲得獎勵。若挑戰期結束無爭議，狀態根最終確認。

2.2 安全假設

Optimistic Rollup 的安全性依賴以下假設：

• 至少一個誠實驗證者：在整個爭議期內，必須存在至少一個誠實的驗證者監控 Rollup 狀態並發動挑戰。若所有驗證者都被收買或失去動力，錯誤狀態可能被最終確認。
• 挑戰者經濟動機：挑戰者需投入 Gas 費用與時間成本發動挑戰。若挑戰獎勵低於成本，理性驗證者可能選擇不挑戰。Optimism 的設計中，挑戰成功可獲得錯誤狀態根質押金的相當比例（約 10-20%）。
• 預言機可靠：欺詐證明遊戲依賴 Layer 1 的 EVM 執行結果作為裁決依據，這要求 Layer 1 EVM 本身的正確性。

2.3 效能特性

• TPS：理論上可達 500-2000 TPS（視交易類型與批量大小而定），實際 TPS 受限於 Layer 1 的 calldata 發布頻寬。
• 最終確認時間：
• 即時確認（Soft Confirmation）：Sequencer 確認交易後立即提供 Soft Confirmation。
• 最終確認（Finality）：需等待 7 天爭議期結束。
• Gas 成本：Layer 1 calldata 成本是主要支出。以 2024 年初為例，一筆 ERC-20 轉帳在 Optimism 上的成本約 0.001-0.005 ETH，約為 Layer 1 的 1/10 至 1/20。

2.4 代表項目

Optimism：

• 採用 EVM 等效性（EVM Equivalence），使以太坊合約可無縫遷移至 Optimism。
• 使用 Bedrock 升級架構，引入 Cannon 欺詐證明系統。
• 採用 Single Sequencer 模式，目前由 OP Labs 營運，未來計劃过渡至去中心化 Sequencer。
• 衍生生態系包括 Base（Coinbase 旗下）、OP Stack 生態。

Arbitrum：

• 採用 Nitro 技術堆疊，支援 WASM 編譯的 Geth客戶端。
• 欺詐證明採用互動式挑戰（interactive proving），效率較單輪二分查找更高。
• AnyTrust 模式提供更快確認（DA 假設可容忍至少一個誠實數據可用性伺服器）。
• 衍生生態系包括 Offchain Labs 建構的 Nova、The Graph 遷移等。

Base：

• Coinbase 推出的 Layer 2，建構於 Optimism Bedrock 之上。
• 強調低費用與 Coinbase 生態整合，允許 USDC 入金與 Coinbase CeFi 產品無縫銜接。

三、ZK Rollup 深度解析

3.1 運作機制

ZK Rollup（Zero-Knowledge Rollup）使用密碼學零知識證明（Zero-Knowledge Proof），在交易執行後立即生成一個「有效性證明」（validity proof），證明新狀態根是正確的——無需透露交易的具體內容。Layer 1 合約驗證此證明後接受新狀態根，無需等待爭議期。

工作流程如下：

1. 交易執行：Sequencer 收集 Layer 2 交易，執行後產生新狀態。
2. 證明生成：Prover（證明者）為整批交易生成一個 zkSNARK（Succinct Non-interactive Argument of Knowledge）或 zkSTARK（Scalable Transparent Argument of Knowledge）證明。這個過程計算密集，需要專門的 GPU 或 ASIC 硬體。
3. 狀態提交：Sequencer 將新狀態根與有效性證明提交至 Layer 1 合約。
4. 驗證：Layer 1 合約使用預先部署的驗證合約（verification contract）檢查證明正確性。若驗證通過，狀態根立即最終確認。

3.2 有效性證明類型

zkSNARK：

• 需要信任設置（trusted setup）儀式，生成初始公共參數。
• 證明體積小、驗證速度快、Gas 成本低。
• 量子計算敏感性較低（基於橢圓曲線）。
• 代表項目：zkSync Era、Polygon zkEVM、Scroll。

zkSTARK：

• 無需信任設置（transparent setup），基於哈希函數的後量子安全性。
• 證明體積較大、驗證成本較高。
• 適合需要高度透明與長期安全性的場景。
• 代表項目：StarkNet（使用 STARKs）。

3.3 安全假設

ZK Rollup 的安全性依賴以下假設：

• 密碼學假設：zkSNARK 基於離散對數假設（Discrete Logarithm Assumption）或橢圓曲線配對假設；zkSTARK 基於哈希函數的 collision resistance。
• 驗證合約正確性：Layer 1 的驗證合約必須正確實現。若驗證合約有漏洞，可能接受錯誤的證明。
• Sequencer/Prover 正確性：雖然密碼學證明可確保狀態正確，但若 Sequencer 扣留交易（審查攻擊），使用者資金可能無法提款。需依賴去中心化 Sequencer 或緊急退出機制。

3.4 效能特性

• TPS：理論上可達數千至數萬 TPS，實際 TPS 受限於 Prover 硬體能力與 Layer 1 calldata 頻寬。
• 最終確認時間：
• Soft Confirmation：數秒（Sequencer 確認）。
• Finality：數分鐘至數十分鐘（取決於批量打包與證明生成時間）。ZK Rollup 無需 7 天爭議期，但仍需等待批量提交至 Layer 1。
• Gas 成本：
• Layer 1 驗證成本：每批交易驗證一次，Gas 成本固定（約 30-50 萬 Gas）。
• 成本結構與 Optimism 不同：Optimism 成本與交易數量線性成長；ZK Rollup 成本由多筆交易攤提，批量越大單筆成本越低。

3.5 代表項目

zkSync Era：

• Matter Labs 開發，支援帳戶抽象與原生日志。
• 採用 Plonk 證明系統，支援通用 EVM 相容性。
• 生態包括 zkSync Era Mainnet、zkSync Lite（早期版本）。

Polygon zkEVM：

• Polygon 團隊開發，基於 zkSNARK 的 EVM 等效 Rollup。
• 強調與以太坊工具生態的完全相容性（Remix、Truffle 可直接部署）。

StarkNet：

• StarkWare 開發，使用 Cairo 語言編寫合約。
• StarkEx 為 StarkNet 底層的 Validium 引擎，已支援 dYdX、Immutable 等應用。
• 採用 zkSTARK，無需信任設置。

Scroll：

• 與以太坊基金會合作開發，強調開源與社區驅動。
• 基於 Plonkky 證明系統。

四、Optimistic vs ZK Rollup 比較

4.1 安全性比較

4.2 成本效益

Optimistic Rollup 的成本結構較簡單：交易越多，calldata 成本越高。ZK Rollup 的成本結構更複雜：每批需要固定驗證成本（~30-50 萬 Gas）+ calldata 成本。當交易量大時，ZK Rollup 的單筆成本優勢明顯；但在低交易量時，固定驗證成本可能使 ZK Rollup 較昂貴。

4.3 EVM 相容性

• Optimistic Rollup：原生支援 Solidity，合約可直接部署無需修改。Arbitrum Nitro 與 Optimism Bedrock 皆實現 EVM 等效性。
• ZK Rollup：需處理 EVM 與零知識證明系統之間的語義鴻溝。早期 ZK Rollup 需自訂語言（Cairo）或有限 EVM 支援。近期 zkEVM 專案（如 Polygon zkEVM、Scroll）已接近 EVM 等效，但某些操作碼可能需特殊處理。

4.4 去中心化進程

• Sequencer 去中心化：Optimism 與 Arbitrum 皆從中心化 Sequencer 起步，逐步過渡至 PoS Validator 集合。zkSync Era 計劃透過 Proof of Efficiency 實現去中心化 Sequencer。
• Prover 去中心化：ZK Rollup 的 Prover 硬體門檻高，目前多由項目方營運。未來的去中心化 Prover 網路（如 zkSync Era 的 zkProver、StarkNet 的 SHARP）將是重要發展方向。

五、Validium 與其他擴容方案

5.1 Validium

Validium 是 ZK Rollup 的一種變體，主要差異在於資料可用性放在鏈下而非鏈上。這使得 Validium 可實現更高的 TPS（理論上數萬 TPS），但引入了額外的 DA 信任假設。

• 資料可用性委員會（DAC）：指定一組節點負責儲存資料，若 DAC 串通，使用者可能無法提款。
• 代表項目：StarkEx、zkSwap、Immutable X（使用 StarkEx）。
• 適用場景：適合對成本與 TPS 要求極高、且可接受額外 DA 信任假設的應用（如遊戲、NFT 交易）。

5.2 Volition

Volition 是一種混合模式，讓使用者可選擇資料儲存方式（on-chain 或 off-chain）。例如，同一協議中可同時存在「高安全需求」的資產（on-chain DA）與「低安全需求」的資產（off-chain DA）。

5.3 資料可用性層（DA Layer）

新興的專門 DA 層（如 EigenDA、Celestia）為 Rollup 提供獨立的資料可用性服務：

• Celestia：基於 Tendermint 的輕客戶端共識，專注於 DA 與跨鏈互操作性。
• EigenDA：EigenLayer 生態的 DA 服務，利用 ETH 質押者的經濟擔保。

這些方案的出現將進一步降低 Rollup 的資料發布成本，同時保持安全性。

六、選擇框架：何時使用何種方案

6.1 選擇 Optimistic Rollup 的場景

• 現有以太坊合約無縫遷移需求
• 開發速度優先於長期成本最佳化
• 社區熟悉度與生態成熟度考量
• 對 7 天退出期可接受（多數 DeFi 參與者）

6.2 選擇 ZK Rollup 的場景

• 對安全性與最終確認時間有嚴格要求
• 高頻交易場景（DeFi 套利、交易機器人）
• 長期成本最佳化考量
• 需與密碼學應用整合（如隱私交易）

6.3 選擇 Validium 的場景

• 遊戲、 NFT 等需要極高 TPS 的應用
• 可接受額外 DA 信任假設
• 願意犧牲部分去中心化換取效能

七、風險與注意事項

7.1 跨鏈橋風險

Layer 2 與 Layer 1 之間的跨鏈橋是關鍵基礎設施，也是高價值攻擊目標。2022 年的 Ronin Bridge（損失 6.2 億美元）與 Wormhole（損失 3.2 億美元）攻擊皆針對跨鏈橋。選擇 Layer 2 時應評估：

• 橋接合約是否經過審計？
• 是否有時間鎖控制？
• 是否有緊急暫停機制？

7.2 監管與合規

Layer 2 的去中心化程度與監管風險相關。過度中心化的 Sequencer 可能受單一司法管轄區監管約束。使用者應關注 Layer 2 項目的治理結構與法律實體。

7.3 退出流動性

大量使用者同時退出 Layer 2 時，流動性可能不足。例如，2022 年 11 月 FTX 倒閉後，許多使用者嘗試將資產撤離 Arbitrum 與 Optimism，導致橋接等待時間延長。

結語

Optimistic Rollup 與 ZK Rollup 代表了兩種不同的安全-效能權衡。Optimistic Rollup 以工程簡單性與 EVM 相容性取勝，已在 Arbitrum 與 Optimism 生態中積累大量用戶與 TVL。ZK Rollup 以密碼學保證提供更快的最終確認與長期成本優勢，正在快速追趕。

Layer 2 生態仍在快速演化中。多種方案並存將促進技術創新與使用者選擇的豐富性。建議持續關注各方案的技術升級（，如 Bedrock、Nitro、zkEVM 主網穩定性）、治理去中心化進程、以及新興 DA 層的發展，以做出符合自身風險偏好的決策。