IOBC Capital：為什麼Optimistic Rollups安全性不如ZK？

Vitalik在2021年曾說：

In general, my own view is that in the short term, optimistic rollups are likely to win out for general-purpose EVM computation and ZK rollups are likely to win out for simple payments, exchange and other application-specific use cases, but in the medium to long term ZK rollups will win out in all use cases as ZK-SNARK technology improves.（總的來說，我自己的觀點是，在短期內，Optimistic Rollups可能會在通用EVM計算方面勝出；而ZK Rollups可能會在簡單的支付、交易和其他特定用途的應用場景中勝出。但隨著ZK-SNARK技術的改進，中長期來講ZK Rollups會在所有應用場景中勝出。）

現在名聲最響的ZK Rollups項目都還沒有發幣，比如zkSync、StarkEX、StarkNet、Aztec等，而Optimistic Rollup的絕代雙驕中Optimism的代幣已經在各大主流交易所流通交易，而且最近隨著加息落地、ETH2.0臨近、OP空投的拋壓盤消化殆盡等各方面因素影響，OP價格也有不錯的表現。面對這強勢的幣價表現，許多人不由得就會想問：OP到底哪裡不如ZK？

我先列一下Optimisitic Rollup與ZK Rollup的幾個最關鍵的區別：

• 第一，安全性，ZK Rollup優於Optimistic Rollup。zk Rollup提交給L1的新狀態隨附了Proofs，可繼承L1的安全保證；而Optimistic Rollup提交給L1的新狀態沒有隨附證明，當TVL增長到一定量時，礦工可能被賄賂從而導致錯誤發生後的欺詐證明不被納入區塊中，繼而發生被盜風險；

• 第二，拓展性，ZK Rollup優於Optimistic Rollup。Optimistic的實際吞吐量上限為500TPS，而ZK超過2000TPS，StarkEx甚至可達到9000TPS；

• 第三，可驗證最終性，ZK Rollup優於Optimistic Rollup。zk Rollup的最終確定性時間很短，比如zkSync是10分鐘；而Optimistic Rollup的最終確定性時間最少為一週。兩者相比資本效率相差很大；

• 第四，EVM兼容性，Optimistic Rollup優於ZK Rollup。Optimistic Rollup兼容EVM，他們可以非常快速、便捷地將現有的Ethereum Layer1上的各種Dapps吸引過去，所以目前Optimistic Rollup系列的Layer2項目的TVL排名靠前。不過，隨著zkVM的研發，Optimistic Rollup的這個優勢也將被削弱。

要搞清楚為什麼Optimistic安全性不如ZK、資本效率低，需要了解Optimistic Rollup的工作原理，接下來以Arbitrum Rollup為例：

Arbitrum Rollup是一種Optimistic Rollup。其基本架構如下圖：

Arbitrum是作為Ethereum的Layer2協議，EthBirdge是Arbitrum鏈中正在發生的事情的最終權威來源，也需要維護鏈的Inbox/Outbox。Aribtrum的執行環境是AVM，AVM的設計起點是EVM，在許多方面都沒有改變，所以Arbitrum支持EVM編寫或編譯的程序。Offchain Labs給Arbitrum編寫的操作系統是ArbOS，ArbOS為智能合約提供了與EVM兼容的執行環境，所以ArbOS這個操作系統中可以運行EVM兼容的Dapps，也就意味著Ethereum鏈上的各種Dapps可以直接遷移過來。

Arbitrum在Arbitrum Rollup鏈上發生的所有交易都是記錄在Rollup鏈上的。在Arbitrum上執行交易也需要ETH Gas Fee，但比Layer1上更便宜很多。提交到Ethereum鏈上的是原始交易數據，合約的計算執行和存儲是在Arbitrum Rollup鏈上。優化交易壓縮以最大限度地減少需要在Ethereum鏈上發佈的內容，對於Layer2降低成本和提高吞吐量至關重要。對於不攜帶自己的Calldata的簡單轉賬交易，基準測試表明：Arbitrum允許每秒最多4500筆轉賬交易。

如何達成共識？

Arbitrum Rollup是一種樂觀的Rollup，也就是說先默認大家都是誠實的，所以在發佈斷言時，不要求隨附證明其有效性。而是採取欺詐證明的機制來確保Layer2網絡的正確共識。

Arbitrum的欺詐證明（Fraud Proofs）：當斷言（Assertion）在鏈上發佈時，做出該斷言的驗證者會發布保證金，並且有一個時間窗口，如果他們認為這是錯誤的，任何人都可以發佈自己的保證金並質疑斷言。在挑戰窗口期，斷言者和挑戰者可以來回交互協議，鏈上合約充當協議的裁判。最後，裁判確定一方提出了虛假索賠，沒收保證金來懲罰該方。

那麼Arbitrum究竟是怎麼解決挑戰期內的爭議的？

核心是交互式證明（Interactive Proving）。這其實是一種對爭議做細化剖析，來尋找關鍵爭議點，並通過Layer1 Referee（L1裁判）來判斷的方案。

舉例說明：假設Alice提交了一個斷言（承諾93是正確的），而Bob不同意併發起了挑戰（並承諾95才是正確的）。如果Alice的聲明涵蓋了N個執行步驟，則她發佈兩個大小為 N/2 的聲明，它們結合起來產生她的初始 N 步聲明，然後 Bob 選擇 Alice 的 N/2 步聲明中的一個來挑戰。現在爭議的規模已經減少了一半。這個過程繼續進行，在每個階段將爭議減半，直到他們對一個執行步驟產生分歧。將爭議縮小到一個步驟時，L1 裁判才需要通過查看指令實際執行的操作以及 Alice 關於它的聲明是否正確來解決爭議。

Arbitrum採用的交互式證明與Ethereum Layer1採用的重新執行交易（Re-executing Transaction）相比，區別在於：重新執行交易是需要模擬整個交易的執行，而交互式證明是讓Alice和Bob兩個人自己把爭議縮小到一個步驟，從而使得L1裁判只需要模擬1個交易的執行。Arbitrum和Optimism的區別也體現在爭議的解決上，Optimism是把整個有問題的交易都通過EVM運行。

由上可知，Optimistic Rollups之所以安全性不如ZK、資本效率低，關鍵在於證明機制不同。

迴歸到擴容的初心，相對於以太坊L1的性能，Optimistic Rollup其實已經實現了擴容的主要目的，而且因為Optimistic Rollups有EVM兼容的優點，發展情況還不錯。在Layer2項目的TVL排行榜上，Optimistic Rollups的絕代雙驕Arbitrum和Optimism分別以2.48B和1.04B的TVL位列前2。Arbirum生態入駐了21種分類的249個應用協議，Optimism生態也有179個項目。