区块链二层扩容方案技术和发展态势研究

区块链技术已广泛应用于供应链、数据要素、数字身份等领域，成为分布式信任机制的核心工具。以比特币、以太坊为代表的公链推动数字货币和智能合约兴起，产业区块链在企业协作中日益普及。然而区块链系统日益面临性能瓶颈，这一挑战催生了各种二层扩容方案，包括侧链、闪电网络、分片等技术。其中近年来提出的Rollup技术是二层扩容方案支撑技术的最新发展，得益于其安全性、简洁性等优点，在以太坊等多个知名公链的性能提升、技术演进和生态发展中处于重要地位。本报告整理研究了基于Rollup技术的区块链二层方案的发展现状及典型应用，以期为国内产业区块链解决性能瓶颈、构建生态建设提供依据和参考。

01 Rollup是二层扩容方案的最新技术， 深受各方认可

表 1 Rollup技术与其他扩容技术的对比

Rollup技术最早于2019年被提出并持续完善，代表了扩容技术的最新发展。近十多年来，围绕比特币、以太坊等公链以及产业区块链的性能瓶颈和扩容需求，先后提出的解决方案有侧链、闪电网络、Plasma、分片、Rollup等。其中Rollup通过将大量交易汇总并在链下执行，大幅减少链上数据存储和计算需求，仅将必要状态信息与交易的摘要数据（交易执行结果）发布到主链。该技术有效提升了区块链系统的吞吐效率和可扩展性，并有着其他扩容技术所不具备的安全性和兼容性等优势。

图 1 区块链节点的四层架构

Rollup技术的核心思想是将交易执行的工作外包出去，以减轻主链负担。区块链节点的功能实现，从模块化的角度均遵循四层架构，分别是数据可用性层、共识层、结算层和执行层，分别负责交易数据的存储、节点网络的共识、状态冲突的裁决以及区块链交易的计算执行。Rollup技术将执行层从主链拿到二层链来负责，主链仍需负责其他三层的工作，这一工作划分能够减轻主链节点的计算、存储、带宽等负担，实现对系统性能的扩容，同时保持了高安全性。作为对比的侧链、子链、Plasma和分片技术中，上述四层均可能放在主链之外，因而安全性不如Rollup技术。值得一提的是，Rollup技术不是区块链扩容的银弹，其未彻底解决二层扩容技术存在的生态碎片化问题，其自身的技术也在持续演化完善中。

表 2 Rollup技术受到企业区块链项目方认可

Rollup技术受到广泛认可。首先，以太坊基金会于2020年摒弃了原来的以分片技术为核心的扩容路线，确立了以Rollup技术为中心的以太坊扩容路线。其次，Rollup技术深受公链建设者和用户的青睐，在以太坊扩容生态中已经支撑超200条二层链，合计的系统吞吐量是以太坊主链的30多倍，存在于链上的数字资产数额超360亿美元，这些成绩均远超其他扩容方案。最后，Rollup技术还吸引了多个知名的企业区块链赛道参与者（见表 2）。

02 Rollup技术多样，生态建设百花齐放

图 2 Rollup四分类法

根据关键子模块的技术选型可以对Rollup技术进行分类分析。图2的左侧部分展示了故障证明和数据可用性这两个关键子模块的作用，其中二层向数据可用性子模块提交区块数据，并且将区块执行结果提交到一层区块链（如以太坊、星火主链），而故障证明子模块负责验证二层向一层提交的执行结果是否与数据可用性子模块所备份的二层区块数据一致。在子模块的技术选型上，数据可用性子模块可以选择一层区块链（链上存储），也可以不在一层区块链（链下存储）；故障证明子模块有欺诈证明和有效性证明两个选型，其中有效证明一般是零知识证明。因此，如图2的右侧部分所示，依据数据可用性和故障证明这两个子模块的技术选型可以将Rollup技术可以分为四类，分别是Optimistic Rollup（乐观卷叠）、ZK Rollup（零知识卷叠）、Optimium和Validium。四个分类各有优劣，其中零知识卷叠相比乐观卷叠，其优势是更高安全性和隐私保护，资产跨链具有实时性，其劣势是技术难度高；Optimium和Validium分别与乐观卷叠和零知识卷叠形成对应，用户使用成本更低，但损失了部分安全性。星火链网的二层方案在数据可用性模块采用独特的实现方案以兼有链上和链下存储的优点，在故障证明模块综合了欺诈证明和多重签名技术，并且计划兼容零知识证明。

图 3 Rollup技术具有多样化的节点部署方案

Rollup实例有三种部署方案，分别是单节点方案、多节点故障容错方案和多节点拜占庭容错方案。如图 3所示，单节点方案中二层链只有一个节点，该单节点全权负责收集用户交易并提交到一层区块链；多节点故障容错方案的二层链包含多个对等节点，避免单节点方案的单节点故障风险；多节点拜占庭容错方案的二层链包含多个对等节点并运行竞争性的共识算法，能够应对少数节点作恶的情形。由于Rollup二层链的安全性是由主链来保障的，故区块链系统在安全性方面的某些考量，对二层链自身而言不再那么紧迫。因此，目前大部分Rollup实例处于单节点部署阶段，实际由运营官方负责对用户交易做排序和数据提交，并通过故障证明、智能合约和DAO治理等途径来进一步强化用户的安全体验。星火链网的二层方案已支持多节点部署，通过多签和智能合约技术实现二层链用户与星火官方联合管理。

图 4 Rollup扩容方案的生态流派

Rollup生态的主要构建者已经不再满足于链粒度的竞争，而是引入第三方力量在生态层面进行竞争，形成了多个生态流派（见图 4）。其方式是推出开源的模块化技术堆栈，为第三方力量构建二层项目（L2）甚至三层项目（L3）提供便利，并从这些L2和L3项目中获取直接性或者间接性的经济收益。生态流派的竞争有利于支持多样化应用，提高互操作性，并且降低创新门槛，还能扩大市场影响力，最终提升位居核心地位的一层区块链的市场份额和影响力。根据各自技术栈支持的区块链的数量进行排名，目前以太坊Rollup扩容生态的前5个生态流派分别是Optimism、Arbitrum、Polygon、ZkSync和Starkware，其各具特点，并且推出的技术栈协助构建了共计上百个以太坊二层链项目，已成为以太坊技术研发和生态建设的重要力量。

表 3 Rollup技术的生态流派的数据

03 Rollup技术典型应用多，发展潜力大

身份验证和数据隐私场景中，Rollup技术能够有效处理大批量的身份验证和隐私保护操作，而无需在区块链主链上储存过多数据，这为构建去中心化身份系统和隐私应用提供了可能。World Network是由OpenAI首席执行官山姆·奥特曼启动的数字身份标识区块链网络，在保持区块链安全性和去中心化的前提下，在以太坊生态实现了一个去中心化的身份验证系统，使用户能够控制自己的身份数据。同时采用隐私保护手段，如零知识证明，确保数据在验证过程中不被过度暴露。这种双重机制不仅提高了网络效率，还满足了现代隐私法规的要求，为去中心化应用创建了一个安全和可扩展的基础设施。

AI业务场景中，Rollup技术能协助多个参与者低成本地协作训练AI模型，并共享数据集，而无需信任中介，确保数据隐私和模型的完整性，这对保护用户隐私和降低AI训练的中心化风险尤为重要。

在高频交易场景，Rollup技术可以在不牺牲去中心化程度的情况下，提供高效、低延迟的交易体验，这是对速度要求极高的市场领域的重要应用。一方面，高频交易平台依托基于Rollup技术构建的二层区块链来发展壮大；另一方面，高频交易平台可以自建基于Rollup技术的二层区块链，达到降低用户交易成本和隐私保护的目的。

在数字资产和游戏业务场景，Rollup技术可以降低单笔交易费用，让用户能够进行更多的游戏内交易和数字资产交易，促进数字经济和艺术市场的繁荣。

在物联网场景，Rollup 技术能够协助做物联网节点管理，为物联网领域带来了全新的机遇和可能性。通过在二层链上进行交易和计算，Rollup技术能够有效解决物联网设备间数据交换的效率和安全问题。

在企业私有区块链场景，Rollup技术能够协助企业构建成本更低、更稳定的企业区块链。首先，Rollup技术允许将交易数据保存在企业内部，保障数据隐私性。其次，基于Rollup技术实现的二层链受主链（如星火链）的保护，因此系统更安全稳定。最后，通过多样化的节点部署方案，二层链自身无需运行一张区块链网络，其运营维护的复杂度和成本大大降低。

04 Rollup遇上产业区块链，星火链网的 二层扩容方案

星火链网是国内产业区块链的重要实践之一，致力于解决产业区块链普遍面临的吞吐量瓶颈、存储瓶颈和数据要素安全等方面问题。首先，吞吐量瓶颈方面，产业区块链往往需要处理大量的交易，导致吞吐量的瓶颈问题。Rollup技术通过将大量的交易在链下处理，然后仅提交交易结果和相关证明到链上，大幅减轻了链上的处理负担。其次，存储瓶颈方面，随着企业数据要素类应用的扩展，存储需求会迅速增长，给区块链的存储能力带来压力。Rollup技术通过将交易数据和计算状态保持在链下，仅将必要的状态更新和证明存储到链中，大大降低了链上的存储需求。最后，数据安全方面，数据安全是产业区块链的关键问题之一。Rollup技术使用复杂的加密证明机制来确保链下交易的安全性和完整性，能够在保证数据隐私的同时，确保提交到链上的数据的准确性和可信性。

图 5 星火链的基于Rollup技术二层扩容技术

星火链的基于Rollup技术的二层扩容方案如图 5所示，星火链主链作为主链，为二层区块链提供安全保障。提交者分别将二层区块链的交易数据和执行结果的状态哈希提交到星火主链，星火主链的超级节点保存交易数据，并将执行结果进行全网共识。验证者从星火主链的超级节点下载二层区块的交易数据，在本地重新执行获得结果状态，然后从星火主链下载提交者提交的状态哈希，对二者进行对比后可知提交者是否作恶。

图 6 星火链的基于Rollup技术的二层扩容方案的具体实现

星火链的基于Rollup技术的二层扩容方案的模块设计如图 6所示。星火主网是二层网络系统的主链，执行节点和验证节点属于二层网络。星火主网的管理合约是系统合约，负责管理多个二层实例。每个二层实例对应一个二层区块链。

星火链的二层区块链按如下步骤向星火主网提交区块。（1）二层区块链的执行节点提交二层区块到二层网关。（2）二层网关根据区块信息签署一笔新交易，该交易包含了区块头，并将该交易与区块提交给星火主网网关。（3）星火主网网关缓存该区块，并将交易发到星火主网的节点，即星火主网的某个超级节点。（4）星火主网上对该交易做共识并执行，该交易将调用管理合约，触发二层网络对应的二层实例的状态数据更新。（5）二层实例更新成功后，网关将日志事件通知到二层区块链网络。

其中两层网关将二层涉及的功能与其他模块解耦。星火链的主网网关作为二层网关与星火主网管理合约的交互媒介，负责的功能有：接收二层网关发来的区块和交易，将区块缓存，将交易转发到星火主网；订阅星火主网的事件，并推送给二层网关。二层网关作为主网网关与二层区块链的交互媒介，负责将二层的区块数据和状态哈希提交到主网网关，以及将主网网关发来的事件推送给二层区块链。