什么是比特币 Rollups？
Rollups 是处理链下执行的区块链扩展解决方案。随着比特币层日益受欢迎，开发人员现在正在努力将 Rollups 引入比特币。让我们更仔细地看看今天的比特币 Rollup 景观。
比特币可扩展性问题
比特币在某些方面表现出色。例如，它擅长以分散的、防篡改的方式存储数据，并且擅长解决拜占庭将军问题 。
但比特币在很多方面表现不佳。例如，比特币不擅长一次性存储大量数据。事实证明，当你在分散网络节点上复制数据库时，网络会变得越来越难以控制，网络和数据库越大，情况就会变得越糟。
这导致了有限的区块空间和有限的吞吐量。每个比特币区块的最大大小为 4MB，比特币以每秒约 7 笔交易的吞吐量而闻名。这使得区块空间变得昂贵。例如，今年 1 月，一名用户花费了 64,000 美元来铭刻仅有 9MB 的数据在比特币上。
有限的区块空间和吞吐量在数千人使用比特币时是可以接受的——大多数情况下，人们并不会花费 64,000 美元来使用比特币——但如果你想要将比特币扩展到支持数十亿用户，那么以当前状态的比特币是无法实现的。
什么是 Rollup？
Rollups 是解决这一可扩展性问题的一种方法，其背后的思想很简单：如果你将执行链下并将链下交易捆绑（或 Roll up）成批次，然后一次性将这些批次发布到链上，会发生什么？
这大大减少了需要在链上存储的数据量，使得这些交易更便宜，使整个网络更具可扩展性。
然而，事情并不是那么简单。Rollups 只是解决可扩展性问题的一种方法，与其他设计（如侧链和状态通道）一样。Rollups 通常与独立侧链不同之处在于，Rollups 将数据可用性推到 L1，而这对于侧链并非必需。Rollups 和侧链与状态通道的不同之处在于，状态通道不是完整的区块链：它们没有全局状态，这意味着没有智能合约。每个单独的通道是私有的，只有在通道关闭后，更新的状态才会回到 L1。
与任何扩展解决方案一样，Rollups 伴随着一系列权衡。Rollups 的主要挑战在于验证发布到 L1 区块链的交易批次是否准确。如果数据不完全在链上，你如何相信它呢？
有几种设计方法可以回答这个问题。
有效性Rollups 与乐观 Rollups
在看待 Rollups 的实现时，目前有两种主要变体受到市场青睐：有效性Rollups 和乐观 Rollups。
在有效性 Rollup中，用户在链下（在 Rollup 上）执行一堆交易，然后一旦交易被处理，有效性证明将提交到 L1。这个有效性证明总结了这些交易如何改变了区块链的状态。这个证明会自动验证，并且任何人都可以对其进行审计和验证。由于其性质，有效性 Rollups 可以防止无效交易。
在乐观 Rollup中，用户在链下（在 Rollup 上）执行一堆交易，然后这些交易被处理并批量提交到 L1。在这种构造中，L1 假设这些交易是有效的（一种乐观的看法），只有在受到质疑时才会被证明无效。乐观 Rollups 通过让诚实用户在指定时间窗口内提交欺诈证明来挑战交易结果。由于其性质，乐观 Rollups 允许无效交易。
这两种不同的设计方法有许多影响。首先，有效性 Rollups 被认为是最佳的，并且具有较少的信任假设，但从技术上来说，它们要难得多。有效性 Rollups 是一项前沿创新领域，在 以太坊 zkRollup 中已经受到关注。
另一方面，乐观 Rollups 更容易实现，但它们有额外的信任假设。鉴于用户可以在一定时间窗口内挑战交易，这意味着提款时间更长，影响了用户体验。
数据可用性和结算
Rollup 设计的另一个重要变体涉及数据可用性和结算。这两个概念描述了 Rollup 在 L1 上存储信息的方式和程度。
数据可用性（DA）
数据可用性被定义为任何网络参与者（节点）独立验证一个区块是否有效的能力。当一个 Rollup 项目声称使用比特币进行“数据可用性”时，他们是在说 Rollup 在比特币上存储了足够的信息，以便任何人都可以独立验证 Rollup 处理的区块是否有效。
另一种描述方法是，你可以仅通过查看比特币上的信息来重建 L2 的状态（在这种情况下是 Rollup）。值得注意的是，有几种数据可用性的方法，从完全链上到完全链下等各种方式。
这也是 Rollups 与侧链不同的另一方面。例如，Stacks 区块链采取了不同的方法。在 Stacks 下，区块哈希存储在比特币 L1 上，这意味着任何比特币 L1 上的人都可以验证最新的 Stacks 区块是否有效。然而，在比特币上没有足够的信息来重建 Stacks 的链状态。我们认为这种数据可用性水平并不是必要的，甚至不是比特币优质区块空间的良好利用，因为只要 Stacks 网络中有任何价值，Stacks 矿工都将维护 Stacks 网络的副本（数据）。
结算
结算指的是交易何时被确定为有效的过程。例如，一些 Rollup 设计使用智能合约作为回到 L1 的桥梁。这个合约用于处理和生成链下 Rollup 交易的证明，L1 区块链用于共识、结算和数据可用性。在这种设计中，合约是真相的来源，所有验证都在 L1 上进行，这个合约作为链下 Rollup 的桥梁。
其他设计采用主权方法，其中主权 Rollup使用 L1 区块链进行数据可用性，而不是结算。这意味着 Rollup 节点在 Rollup 上排序和结算交易，只有数据在 L1 链上可用。主权 Rollups 在设计上更接近侧链，唯一的区别是并非所有侧链都使用 L1 进行完整的数据可用性。
由于这些设计差异，1）主权 Rollups 相对于乐观和有效性 Rollups 具有较小的链上印记（使它们更便宜使用），2）主权 Rollups 可以独立于 L1 链运行（使它们模块化），3）主权 Rollups 不像其他 Rollup 设计那样继承 L1 的安全性（这并不是一件坏事，但它确实引入了不同的信任假设）。
Rollup 的发展现状
在过去几年中，Rollup 的概念变得越来越受欢迎。值得注意的是，以太坊已经采用了 Rollup 架构，并引领了行业的发展。以太坊的 Rollup 网络，如 Arbitrum、Optimism、Loopring、Starknet和 Polygon 都受到了强烈的认可，并为繁荣的以太坊生态铺平了道路。其他生态系统已经注意到这一点，现在也在努力将 Rollup 引入不同的 L1，包括比特币。
什么是比特币 Rollup？
比特币 Rollup 是比特币区块链的扩容解决方案，它将链下交易捆绑在一起，并将其发布到比特币 L1 以进行结算。比特币 Rollup 可能是将比特币扩展到数十亿用户的手段，但它们仍处于研究和早期开发阶段。
以太坊 Rollup 和比特币 Rollup 之间的一个关键区别是，以太坊 Rollup 在以太坊 L1 上拥有虚拟机的优势。这意味着大多数以太坊上的 Rollup 使用以太坊区块链作为数据可用性层和共识层（这意味着 Rollup 交易的有效性是由在以太坊 L1 上运行的逻辑决定的）。
正如 Hiro 的主席 Muneeb Ali 所说，今天的比特币 Rollup 需要一个可信的设置 ，因为比特币上没有虚拟机。这意味着比特币 L1 无法解释 Rollup 证明的有效性。比特币上的 Rollup 项目已经以尽可能最小化信任的方式开发出了聪明的方法。
在比特币上构建是非常困难的，但有许多项目正在进行。 一些人认为 “真正的比特币 Rollup”在没有对比特币核心进行软分叉的情况下是不可能的，从而实现了在 L1 上验证 Rollup 证明所需的操作码。
对于今天存在的项目，更准确地描述这些项目可能是 BitVM Rollup，其中 BitVM 用于验证证明。无论如何，比特币 Rollup 激发了比特币构建者的想象力，并激发了许多团队更加深入地研究比特币层面。
比特币 Rollup 格局
这个列表远非全面，但让我们看看一些为比特币 Rollup 做出贡献的团队。
按字母顺序排列：
BitVM
BitVM 是一个于 2023 年 10 月发布的 R&D 项目，由 ZeroSync 团队的 Robin Linus 撰写的白皮书推出。BitVM 不是比特币 Rollup，而是一种方法，可以在不需要对比特币本身进行任何更改的情况下，将表达逻辑直接引入比特币。这种逻辑可以用于构建 Rollup，也可以用于一系列其他用例。
BitVM 的核心思想是将计算转移到链下，并使用链上欺诈证明机制。比特币脚本非常简单，因此要运行更高级的程序，你需要将它们运行在链下，并以某种方式证明计算是正确的。
为了验证计算，BitVM 使用了类似于乐观 Rollup 的方案：一个声明者（在链下执行计算的人）对计算结果提出主张。如果这一主张受到质疑，验证者可以在比特币区块链上对其进行挑战。在这种方案中，比特币区块链仅用于争议解决。
BitVM 在比特币社区中引起了很多兴奋，原因是它极大地减少了构建比特币层面所涉及的信任假设。大多数现有的比特币层面方法都假设存在“诚实的多数派”来防止所谓的 51%攻击。BitVM 引入了“诚实的少数派”模型，这意味着只要有一个参与者是诚实的，你就可以防止恶意行为者破坏系统。
BitVM 可以整合到许多现有的比特币层面中，不仅仅是 Rollup，还可以为这些层面带来更多功能和去中心化。目前尚无主网时间表，但许多开发人员正在积极开发该协议。
BOB
BOB（Build on Bitcoin 的缩写）是一个具有 EVM 兼容性的比特币 L2。BOB 采用 Rollup 设计，使其能够连接到以太坊，同时由比特币进行安全保障。BOB 起源于 Interlay 生态系统，后者又起源于 Polkadot 和 Cosmos。Interlay 于 2022 年 8 月推出了 iBTC，一个最小信任的比特币锚定。
BOB 的目标不仅是支持比特币锚定，还包括 Ordinals、Lighting 和其他用于比特币 DeFi 的构建模块。Bob 正在使用 Optimism Stack ，包括 RiscZero 正在进行的 ZK 工作，并且长期希望通过 ZK 验证器直接在比特币 L1 上结算。在中期，他们正在研究在比特币 L1 上使用类似 BitVM 的机制的乐观 Rollup 设计，以实现链上欺诈证明。BOB 目前在公共测试网上。
来源：BOB 文档
Citrea
Citrea是由 Chainway 开发的新的比特币乐观主权 Rollup，于 2024 年 2 月刚刚宣布。根据有限的文档，该协议计划直接在比特币上铭刻状态变化的证明，这将允许任何拥有比特币节点的人验证 Citrea 并仅使用比特币 L1 检索整个 Rollup 状态。
该项目计划使用 BitVM 作为结算层，在比特币 L1 上验证证明。作为一个主权 Rollup，Citrea 打算利用比特币进行数据可用性（ 请查看此处的 GitHub 存储库 ），并且没有单独的矿工网络或代币。重要的是，Citrea 是与 EVM 兼容的，开发人员可以在使用 Chainway 构建时使用以太坊工具，这使得开发人员可以轻松地将以太坊生态系统的一些创新移植到比特币上。
Sovryn
BitcoinOS是 Sovryn 的一个新项目，Sovryn 是一个于 2019 年推出的以 Rootstock 为背景的 DeFi 社区。Sovryn 应用程序实现了非托管、无权限的交换、交易、借贷、流动性挖矿等功能。Sovryn 正在利用 DeFi 专业知识构建 BitcoinOS，该项目将实现“一系列使用相同模块化部件的 Rollup 的超级链”。
他们的愿景是创建一个 Rollup 网络，其中每个 Rollup 都可以拥有自己的执行环境，同时与其他 Rollup 保持互操作性。该设计使用了一个共享的压缩、聚合和结算层（称为 CASTL），允许任何 Rollup 上的应用与另一个 Rollup 上的应用兼容，从而创造跨 Rollup 的流动性。BitcoinOS 目前正在开发中，测试网计划于 2024 年第三季度推出。BitcoinOS 希望在 2024 年第四季度不久后推出主网。
Rollkit
Rollkit于 2023 年 2 月推出，作为主权 Rollup 的模块化框架，该项目由 Celestia 团队开发，这是一个专门从事数据可用性解决方案的模块化 EVM 区块链。推出后不久，Rollkit 宣布支持比特币。
该设计使用比特币进行共识和数据可用性，并通过 Taproot 交易存储数据，同时在链下处理执行。使用这种模型，团队能够在比特币测试网上运行 EVM 作为主权 Rollup 的演示 。根据 Rollkit 的网站，比特币支持尚未准备就绪，此集成仅应用于实验和研究。
Zerosync
ZeroSync正在积极研究比特币的零知识证明系统。虽然该项目尚未宣布推出 Rollup 的计划，但他们的研究可能为有效性 Rollup、无信任双向锚定或完全私密交易铺平道路。到目前为止，他们正在研究三种类型的证明，前两种已成功进行了原型设计。按照复杂性递增的顺序，这些证明是：
- 一个头部链证明，验证比特币区块头、难度调整和工作证明。这个证明简单、轻量且计算成本低。
- 一个**“假定有效”状态证明**，验证所有比特币共识规则，除了交易签名（见证数据被假定为有效）。
- 一个完整状态证明，验证所有比特币共识规则，包括所有见证数据。这是 ZeroSync 正在研究的最复杂的证明，他们尚未进行原型设计。
这些证明可以帮助构建者立即同步比特币的链状态，并为比特币启用 zk-proof 轻客户端，这将使用户能够在更轻的软件上运行完整的比特币节点，甚至可能是手机。随着时间的推移，ZeroSync 计划将 ZKP 验证器整合到比特币 L1 中。
ZeroSync 是使用 StarkWare 的 Cairo 编程语言构建的，这是以太坊 Rollup 研究渗透到比特币 Rollup 中的另一个例子。StarkWare 是一家在以太坊生态系统中开发零知识技术的公司，ZeroSync 是第一个在 EVM 世界之外使用 Cairo 的项目。
结论
比特币 Rollup 领域的创新并未在本文中完全涵盖。欲了解更多信息，请查看 John Light 关于比特币 Rollup 的研究 。
比特币生态系统发展迅速，很难跟上，我想在 6 个月后会回来更新这篇文章，因为比特币 Rollup 的格局将完全不同。这就是创新之美。
本文由 AI 翻译，欢迎小伙伴们来校对。
2024.04.26
https://learnblockchain.cn/article/8014