Rollups方案如何助力Bitcoin扩容？

August 7th, 2023

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比特币作为最早也是最受欢迎的区块链，每天都会有数十万笔交易。但比特币设计之初，其去中心化框架内优先考虑安全性，这就导致忽视了可扩展性问题，导致人们将比特币仅仅视为一种数字资产和价值储存手段。

虽然比特币的安全性和去中心化一直是其优势，但其有限的交易速度和交易规模影响了比特币生态的发展。近年来，出现了各种解决方案来解决这个问题，并允许构建者开发整个比特币生态系统。现在，扩容解决方案不仅成为其他区块链网络的焦点，也成为比特币的焦点。

我们在探索BTCLayer2赛道与机会一文中聊过比特币为什么需要扩容，并介绍了相关比特币二层方案，如：闪电网络、侧链等。

本文，我们将关注比特币扩容的另外一个方案：Rollups。相比于闪电网络和侧链，Rollups有潜力提高比特币的可扩展性、隐私性和可编程性，而不牺牲比特币作为点对点电子现金系统的核心价值和功能。

Bitcoin Rollup的必要性

Rollup 通常与以太坊网络相关。在 2022 年 9 月过渡到权益证明之后，以太坊区块链变得更加中心化。此外，许多Rollup实际上依赖于 L2 上交易的中心化排序器。去中心化确实能带来更高的安全性，特别是在比特币方面，但伴随着比特币的发展，去中心化和算力规模之间的矛盾也越来越突出，这种矛盾的来源在于用户量的增加和验证区块时的计算量，而能够缓解这种矛盾的关键就在于提升区块链的可扩展性。

我们之前谈到的闪电网络采用了多重签名、Hash时间锁定等技术，将数据保存在链下，将多个交易合并成一笔交易处理，可以实现快速、便宜的支付；侧链是创造一条单独的链，在不影响比特币主链的情况下，将比特币从主链锁定，然后在侧链实现大量交易的处理，这可以大大提高交易速度，同时不会影响比特币主链的安全性。而Rollup是对比特币网络的技术架构或技术系统进行升级，它会在链上进行数据优化。

Rollup作为第一层区块链网络的扩展解决方案。他们将交易转移到链下，在那里进行处理（通常在第二层），并将多个交易捆绑成一批，然后发送回第1层链。然后，智能合约会验证该批次的交易，并更新区块链的状态。

这张图表直观地展示了Bitcoin Rollup分层。在此示例中，有两个 L2 Rollup：一个专门提供数据可用性，另一个专门提供高安全性支付和合约。除了 L2 数据可用性Rollup之外，还有三个 L3 Rollup，每个Rollup专门针对不同的用例：私人 p2p 支付、金融合约以及游戏内资产所有权和转让。由于 L3 Rollup 依赖于 L2 全节点来实现数据可用性，因此可以认为它们的安全性低于依赖于比特币 L1 全节点来实现数据可用性安全的 L2 Rollup。

Rollup变得越来越流行，因为它们提高了交易吞吐量，同时降低了交易成本。这是因为Rollup意味着区块链不需要单独处理数千笔交易，从技术上讲它们只需要处理一笔交易。这对于dApp尤其有用，因为它需要频繁且快速的交易才能有效运行。这就是为什么Rollup被认为是比特币等区块链的可行扩展解决方案。

目前Bitcoin Rollup的类型主要包括ZK Rollup和Sovereign Rollup。

ZK Rollup在Bitcoin上的应用

ZK Rollup

ZK Rollup使用加密的“有效性证明”来确保新的Rollup块遵循Rollup协议的规则。每次Rollup区块生产者创建有效性Rollup区块时，区块生产者都会向父链提交状态更新交易。Rollup 状态更新交易包含有关 Rollup 块中每个状态转换的数据、应用块中状态转换后的新 Rollup 状态根，以及证明数据可用性以及新 Rollup 状态根是有效更新的有效性证明到父链上确认的最后一个有效的Rollup状态根，只有附有有效证明的状态更新交易在确认后才能成功推进Rollup状态。

ZK Rollup 将交易数据打包放到主网中，同时会提交一个有效性证明，证明这些交易是有效的，在接收这些交易的时候，会直接验证这些有效性证明，如果证明没有问题，那就说明这些交易就是有效的，用户在提取的资产的时候，就不需要再等待了。

在ZK Rollup中，用户根据打包的数据重现所有的状态变化并验证，但 ZK Rollup 发布的数据更少，只需要发布重建账户余额和最新状态所需要的最小数据就可以，这样让 ZK Rollup 可以同时处理更多的交易，主链上包含的计算和存储资源较少也减少了链上的拥堵，速度也因为没有交易数据积压而降低，从而链上导致更快、更便宜的交易成本。

ZK Rollup对Bitcoin的扩展改进

ZK Rollup提高了吞吐量。随着比特币网络上越来越多的交易需要在每个Rollup层被证明有效，创建必要的有效性证明的难度也随之增加。ZK Rollup对创建这些证明所需的计算的解决方案是使用递归证明组合来并行化。递归本质上是“证明证明的有效性”，因此许多计算机可以证明不同交易的有效性，然后这些证明最终可以组合成一个证明，从而允许多台计算机同时进行水平扩展，从而有助于证明一个交易的有效性。SNARK 和 STARK 证明都可以实现无需信任的递归证明组合。

在应用方面，这种递归证明会让ZK Rollup账户模型去压缩二层交易，通过增加交易数量来提高扩展性，带来的额外交易容量可用于支持更多闪电网络交易，从而能够增加以自我托管方式加入和使用闪电网络的用户数量，也扩展了闪电网络。

Sovereign Rollups在Bitcoin上的应用

Sovereign rollups

Sovereign Rollups与当前的Rollup设计有所不同，以往的不管是OP Rollup还是ZK Rollup 都需要使用智能合约来确认 Rollup 执行，但Sovereign Rollup不需要智能合约，也不需要结算层，因此得名“Sovereign“。

观察OP和ZK Rollup，它们倾向于使用L1作为数据可用性层和共识层。然而，Sovereign Rollup仅使用第1层来实现数据可用性，确保它们与基础层有更直接的连接。Sovereign Rollup 与常见的 Rollup 的区别在于它有一个分叉选择规则，允许它独立于其基础层进行分叉。相反，一个普通的Rollup会将其分叉选择权委托给它的结算层，因为它需要确保 Rollup 的正确性。

Sovereign Rollup核心是一个区块链，它将其交易发布到数据可用层，以实现共识和数据可用性。数据可用层并不确保Sovereign Rollup交易是正确的。它只是对交易排序并检查它们是否可用。以往的OP和ZK Rollup依靠以太坊智能合约来检查其交易是否正确，通常是通过欺诈或有效性证明。而Sovereign Rollup由节点决定交易是否正确，其节点会下载所有交易并检查是否有效，如果交易是无效的，那交易会被拒绝。

Sovereign Rollup对Bitcoin的扩展改进

Sovereign Rollup是目前Bitcoin Rollup中热度最高的解决方案，它与ZK Rollup最主要的区别是Sovereign Rollup独立于主网。ZK Rollup将主网作为数据的可用层和结算层，相关数据不仅会存放在主网上，交易也由主网上的智能合约进行验证，而Sovereign Rollup仅使用区块链的一层作为数据的可用层，但不使用一层执行结算。因此对于主网算力受限的比特币来说，这种方案会比ZK Rollup更友好。

在该方案中，运用Rollup的模块化框架，开发人员可以在其中插入自定义执行层和数据可用性层，Sovereign Rollup管理自己的执行和结算，同时将共识和数据可用性转移给比特币一层主网。这种方案不需要智能合约或使用结算层进行Rollup验证，二层不受一层主网被攻击的影响，且有自己的共识，更加的可扩展。

在应用方面，未来Sovereign Rollup更像是作为一种RaaS，使用比特币的数据可用性，开发者可以创建具有任意执行环境的Rollup，继承比特币的数据可用性保障和安全保障。比如模块化区块链Celestia旗下模块化Rollup框架产品Rollkit，它通过集成比特币Sovereign Rollup数据可用性层，可以在比特币上运行EVM作为Rollkit Sovereign Rollup，扩展了Rollup的应用，并帮助比特币开启了更广阔的生态市场。

总结

ZK Rollup方案中，其安全性强烈依赖于它与其主链的关系，ZK Rollups 上的各种应用将能够继承比特币网络的去中心化和安全性，并改善比特币网络经济模型的可扩展性问题。这种关系为Rollup解决了其他“链下”协议所缺乏的两个关键功能：继承的双花安全性和安全的双向桥接。虽然它可以给比特币带来的好处包括增加交易吞吐量、更好的交易隐私以及更大的灵活性，但这些优势并非没有成本或风险，因为它也会承担比特币软件更新和共识变更相关的风险。

Sovereign Rollup方案中，它有自己的共识，可以独立于一层区块链运行，可以定义自己的交易验证和结算规则，自主性更高。但正是这种独立性，也在一定程度上丧失了一层区块链的安全保障，而且由于单独的共识机制，实施Sovereign Rollup升级可能会很复杂。当前Sovereign Rollup开发还处于早期阶段，随着这一领域的研究和深入，未来技术如何发展以打造其安全性也值得我们后续的关注。

围绕 Rollup 的开发证明了比特币可以成为比之前更多操作的基础链。总的来说，无论是在比特币还是任何其他 L1 上，Rollup 改变了我们感知链上交易数据、证明验证以及涉及大量数据的链上交易的方式，推动我们如何存储、读取和利用链上数据的讨论的最新进展，这反过来又为比特币可扩展性讨论提供了另一个维度，特别是当开发人员试图在Bitcoin区块链上创建完整的生态经济时。Rollup仍处于起步阶段，然而，它们的潜在影响是有希望的。

参考文献