引言
加密领域的技术进步包括 Polkadot 和 Solana 等区块链，它们每秒可处理数千笔交易（TPS），而以太坊仅为 15 TPS。为应对以太坊的低效与高昂成本，并确保其竞争力，业界已开发出多种解决方案。
目前最主流的扩容方案是“Rollup”（聚合器）。Rollup 在保持去中心化和安全性的同时，显著提升了网络吞吐量。其原理是在一个更快的次级区块链（即第二层，Layer 2）上执行交易，再将交易数据批量压缩后发送回主链（第一层，Layer 1 或主网），从而大幅降低成本。通过这种方式，用户既能享受 Layer 2 的低成本与高速度，又能依托主链的安全保障。Rollup 仅向主链提交最少必要信息，使任何参与者都能据此重建交易状态，从而发现潜在的不一致或错误。由于交易数据最终仍存储于以太坊主链上，安全性得以保障，同时实现了高度可扩展性。
Rollup 主要分为两类：零知识（Zero-Knowledge, ZK）Rollup 和乐观（Optimistic）Rollup。
零知识 Rollup（ZK Rollups）
ZK Rollup 的核心思想是：在链下批量处理交易，并向主链（L1）提交状态变更及相应的密码学证明，以验证这些变更的有效性。“零知识”一词意味着，验证交易时仅需少量关键信息，无需访问完整的私有数据。该技术被用于生成有效性证明（validity proof），用以证实 Layer 2 上交易处理的可靠性。这种有效性证明可通过 STARKs（Scalable Transparent Arguments of Knowledge，可扩展透明知识证明）或 SNARKs（Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge，简洁非交互式知识证明）构建，使得交易处理可在链下进行，同时不牺牲安全性。
ZK Rollup 的内部机制
Layer 2 的运营者（operator）接收用户提交的交易数据，并负责整个处理周期——从交易验证、数据压缩到最终在主链上发布——同时还负责生成 L2 区块。除交易数据外，运营者还会收到用户的地址索引、交易金额、网络手续费以及 nonce（交易序号）等信息。
ZK Rollup 使用 Merkle 树结构来维护账户信息和交易数值的完整性与一致性。这种结构不仅支持高效的交易处理，还能提供高水平的数据完整性保障。借助密码学证明与零知识技术，ZK Rollup 能够在链下处理交易，同时维持与底层区块链同等的安全性和无需信任（trustlessness）特性。
在处理每笔交易后，运营者会更新 Rollup 的 Merkle 根，以反映当前的最新状态，并将新的 Merkle 根提交至 Layer 1 区块链。
此外，运营者还必须提交一个零知识有效性证明（zero-knowledge validity proof），用以证明该批交易的正确性。目前大多数 ZK Rollup 及相关项目采用基于 ZK-SNARK 或 ZK-STARK 的证明机制。
ZK Rollup 的优势：
有效性证明可防止运营者执行无效的状态转换，从而确保链下交易的准确性。
一旦 Layer 1 验证了有效性证明，状态变更即被确认，因此交易具有更快的延迟和最终确定性（finality）。
通过将恢复链下状态所需的数据存储在 Layer 1 上，保障了安全性、抗审查性以及去中心化特性。
ZK Rollup 的劣势：
尽管 Rollup 技术有望大幅降低交易成本，但由于数据可用性（data availability）问题，用户仍可能面临较高的费用。
零知识技术的复杂性使得构建与以太坊虚拟机（EVM）兼容的 ZK Rollup 极具挑战。
主流项目：
领先的零知识 Rollup 解决方案包括 Polygon Hermez、StarkWare、zkSync 和 Loopring。
乐观 Rollup（Optimistic Rollups）
乐观 Rollup 是另一种通过链下计算与状态存储来扩展以太坊的 Layer 2 方案。之所以称为“乐观”，是因为它在向主链提交交易批次时不提供有效性证明，而是默认所有链下交易均为有效。这与 ZK Rollup 形成鲜明对比——后者会为每笔链下交易附带密码学有效性证明。
相反，乐观 Rollup 依赖一种欺诈证明机制（fraud-proving mechanism）来检测错误的交易计算。任何以太坊用户在一段有限的时间窗口（称为“挑战期”）内，均可提交欺诈证明，对 Rollup 交易结果提出质疑。若欺诈证明成立，Rollup 协议会重新执行相关交易，并对 Rollup 状态进行必要修正。
乐观 Rollup 的内部机制：
乐观 Rollup 的架构由三部分组成：Rollup 智能合约、子链排序器（sequencer），以及用于处理争议的欺诈证明合约。
Rollup 合约将交易从以太坊主网发送至 Layer 2 进行链下计算。
Layer 2 的排序器接收交易，并返回一份签名收据，承诺将准确执行并有序排列这些交易。未来，排序器将通过质押机制提供加密经济安全保障：遵守规则并正确执行交易的排序器将获得奖励。
为分摊成本、降低单笔交易费用，排序器会将多笔交易打包成一个批次，并通过一笔主链交易将整个批次提交回以太坊。每个批次包含：执行前的旧状态 Merkle 哈希、一批交易数据，以及执行后的新状态 Merkle 哈希。
乐观 Rollup 的设计基于“善意假设”：即排序器会诚实行事——不审查任何交易，正确验证并处理所有交易，并提交更新后的子链 Merkle 状态。
提交后，所有参与者在预设的挑战期内均有权对交易提出质疑。若某人认为存在欺诈证据，可向以太坊主网上的仲裁合约发起挑战。该合约将利用“乐观虚拟机”（Optimistic Virtual Machine）重新执行相关交易，验证排序器所提交结果的合法性。若挑战成功，作恶的排序器将被罚没（slashed），挑战者则获得部分罚没资金作为奖励，同时欺诈交易将被撤销，以恢复正确的链上状态。
乐观 Rollup 的优势：
由于与 EVM 和 Solidity 兼容，开发者可直接使用现有工具构建新 dApp，或将原生于以太坊的智能合约迁移至 Rollup。
相比主链交易，可实现更快、更便宜的交易体验。
欺诈证明机制能在无需信任的前提下提供高度的交易最终性，并允许少数诚实节点协助维护网络安全。
乐观 Rollup 的劣势：
由于存在挑战期，交易最终确定性存在延迟（通常为数天）。
若网络中没有诚实节点监控，恶意运营者可通过提交无效区块和状态承诺窃取资金。
其安全模型依赖于至少存在一个诚实节点持续执行 Rollup 交易并提交欺诈证明。
该过程并非完全无需信任，因为验证欺诈证明本身可能需要一定程度的信任假设。
随着 Layer 2 吞吐量提升，检测欺诈所需的数据存储量可能显著增加，从而限制其可扩展性和成本效益。
主流项目：
领先的乐观 Rollup 解决方案包括 Arbitrum、Optimism 和 Boba Network。
核心区别
两种方案最根本的区别在于验证交易批次的方式。尽管各有优劣，但这些差异会带来一系列下游影响。
有效性证明机制对比：
ZK Rollup 依赖一方生成简洁的密码学证明，证明其知晓链的合法状态并已正确更新。该方需执行交易并通过复杂的密码学运算生成证明。随后，Layer 1 上的智能合约以极低成本快速验证该证明。
乐观 Rollup 则类似于一种“荣誉制度”：Layer 1 智能合约在初始阶段不验证状态转换的有效性，仅在有人提交欺诈证明时才介入。任何网络参与者均可发布对某组交易结果的争议声明。其他节点会重新执行相同交易；若结果与原始声明不符，即可发起挑战。系统通过高效的争议解决流程裁决分歧，确保正确一方胜出。整个过程由 Layer 1 合约控制，并通过激励机制促使各方只提交正确声明、积极挑战错误声明。
交易最终性 / 延迟（可验证最终性所需时间）
交易最终性可通过两种方式衡量：一是 Layer 2 中处理的代币能多快被提取，二是交易变为不可逆所需的时间。在当前实现中，乐观 Rollup 因需经历长达一周的挑战期（challenge period），导致其交易最终性存在显著延迟；而 ZK Rollup 在有效性证明提交至主链后几乎立即获得最终性，因此在延迟方面具有压倒性优势。
这一差异带来重要影响，尤其是在跨链桥接场景中。ZK Rollup 可在零知识证明上传至 L1 后立即支持资金提取，而乐观 Rollup 则需等待整整一周才能将资金从 Rollup 转出。鉴于延迟对跨链应用至关重要，基于 ZK 的方案在此类场景中展现出明显优势。
交易成本
交易成本是评估扩容技术的关键指标，直接影响用户体验。乐观 Rollup 与 ZK Rollup 在成本结构上各有取舍：
乐观 Rollup 无需额外的链下计算开销，但由于依赖挑战机制确保交易有效性，可能因需长期存储完整交易数据而推高成本。
ZK Rollup 需在链下执行大量计算以生成密码学证明（如 SNARKs/STARKs），这在计算资源上成本较高。不过，技术进步正不断优化效率——例如通过递归证明组合（recursive proof composition）或批量证明（proof batching）来减少所需的椭圆曲线运算次数，从而降低整体成本。
EVM 兼容性
EVM 兼容性意味着以太坊上的 DeFi 协议（如 Uniswap）可无缝迁移至目标 Rollup。这是当前阻碍 ZK Rollup 广泛采用的主要瓶颈之一。由于 EVM 最初并非为零知识证明设计，通过 EVM 操作生成实用的 ZK 证明极其困难。尽管业界正积极开发 ZK-EVM（如 zkSync Era、Scroll、Polygon zkEVM 等），但截至目前，尚无完全兼容且已上线主网的通用型 ZK-EVM 解决方案。
相比之下，乐观 Rollup 天然支持 EVM。例如，Arbitrum 完全兼容 EVM，使用相同的 RPC 接口和字节码，任何为以太坊开发的协议均可直接在其上运行，无需修改。
隐私性
ZK Rollup 在设计上具备一定隐私优势：交易数据通常以压缩形式批量提交至主链，而非逐笔公开，相比乐观 Rollup 提供了更强的隐私保护。然而，并非所有 ZK Rollup 都默认启用隐私功能。例如，在 StarkNet 或 zkSync 等公开 ZK Rollup 中，任何运行 L2 节点的用户仍可查看全部交易明细。尽管如此，ZK Rollup 架构更易于构建注重隐私的私有实例，在不牺牲安全性的前提下实现更高隐私级别。
安全性
ZK Rollup 在安全性上更具优势，因其共识机制建立在密码学证明之上。ZK-SNARKs 和 STARKs 能数学上保证所有交易的有效性，杜绝无效交易被写入状态。而乐观 Rollup 仅依赖“多数诚实”假设——若恶意参与者提交错误状态且无人挑战，错误交易可能被确认。ZK Rollup 通过链上验证的加密证明确保每笔交易合法，而乐观 Rollup 则基于“先假设正确，事后可纠”的模式，安全性依赖于外部监督。
信任假设
某些 ZK Rollup（如基于 SNARKs 的方案）依赖“可信设置”（trusted setup）。若该初始参数生成过程被破坏，整个系统的安全性将受损。不过，STARKs 采用无需可信设置的透明构造，可规避此风险，但其证明体积更大、验证成本更高。
乐观 Rollup 则依赖“1-of-N 诚实参与者”假设：只要至少有一个诚实节点监控并提交欺诈证明，系统即安全。用户需信任不会出现全体验证者共谋作恶的情况。
主流解决方案
Arbitrum（乐观 Rollup）
Arbitrum 是 Pantera 投资组合公司 Offchain Labs 开发的 Layer 2 扩容套件，旨在解决以太坊吞吐量低（仅 20–40 TPS）和高 Gas 费的问题。其核心产品 Arbitrum Rollup 是一种乐观 Rollup 协议，继承以太坊级别的安全性。
Arbitrum 在独立子链上处理交易，仅将压缩后的数据发布到以太坊主链，采用“无罪推定”原则：默认所有操作合规，仅在出现争议（如欺诈声明）时才回退至 L1 进行仲裁。欺诈方将被罚没，诚实挑战者获得奖励。
关键特性包括：
开放验证：任何人都可成为验证者，无需许可；
数据透明：所有交易数据直接发布至以太坊，可供公开审计；
信任最小化：只要存在至少一个诚实验证者，系统即安全。
团队由计算机科学家 Ed Felten、Steven Goldfeder 和 Harry Kalodner 领衔，具备深厚的密码学与区块链背景。Arbitrum 使开发者能以更低费用、更快速度部署智能合约和运行 Web3 应用，同时保留以太坊的安全保障。
StarkWare（ZK Rollup）
StarkWare 同样是 Pantera 投资组合公司，专注于利用自研的 zk-STARKs（零知识可扩展透明知识证明）构建以太坊 Layer 2 方案。zk-STARKs 使用轻量级哈希函数，无需可信设置，具备更强的抗量子性和可扩展性。
其两大产品线：
StarkNet：去中心化、无需许可的 ZK Rollup 网络，支持通用智能合约。通过 Cairo 编程语言编写，交易经 STARK 证明后批量提交至以太坊。StarkNet Alpha 已于 2021 年 11 月 29 日上线以太坊主网。
StarkEx：面向特定 DApp（如 dYdX、Immutable X）的定制化 L2 引擎，提供三种数据可用性模式：
zkRollup 模式（数据上链）
Validium 模式（数据离线存储，提升隐私与吞吐）
Volition 混合模式（用户可自主选择）
StarkWare 还引入 SHARP（Shared Prover）技术，允许多个交易共享证明生成成本，大幅降低 Gas 费用。
团队由 STARK 证明共同发明人、计算机科学教授 Eli Ben-Sasson 领导，成员包括 Alessandro Chiesa（Zcash 联合创始人）等顶尖密码学家。凭借其高效、安全的 ZK 架构，StarkWare 正推动以太坊向高吞吐、低成本未来演进。
结论
Rollup 已迅速成为解决以太坊速度慢、成本高问题的核心工具。乐观 Rollup 与零知识 Rollup 各具特色：
ZK Rollup 凭借密码学证明提供更强的安全性、即时最终性和潜在隐私优势；
乐观 Rollup 则以卓越的 EVM 兼容性成为当前开发者迁移的首选，为生态过渡提供关键缓冲。
随着 ZK-EVM 技术日趋成熟，以及 Rollup 生态持续创新，以太坊的可扩展性前景令人振奋——一个更高效、更普惠、更安全的 Web3 未来正在加速到来。
原文：https://www.veradiverdict.com/p/zk-vs-optimistic
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