探索比特币 Layer2 Rollup 方案的复杂性与挑战

在比特币的生态系统中，Layer2 Rollup 是一种备受关注的扩容解决方案。它在带来许多潜在优势的同时，也面临着技术和复杂性方面的挑战。本文将深入探讨这些挑战，并分析如何应对和克服它们。

首先，Layer2 Rollup 涉及到复杂的交易处理和验证机制。在 Rollup 中，交易被打包并放在链下，然后定期被“压缩”到链上。这需要高效的数据结构和验证方法，以确保所有交易的有效性和正确性。此外，Rollup 还需要处理可能的冲突，这增加了技术的复杂性和实现的难度。

其次，Rollup 需要大量的计算资源和存储空间。由于交易被压缩到链上，这增加了区块的大小和验证的复杂性。此外，为了确保安全性和去中心化，Rollup 需要大量的节点参与验证，这增加了网络的运营和维护成本。

为了克服这些挑战，我们需要采用一些策略和技术：

1、优化数据结构和验证方法：通过改进数据结构，提高 Rollup 的效率和可扩展性。同时，引入更有效的验证方法，以降低冲突的风险。

2、优化存储和计算资源：通过采用分布式存储和计算技术，降低 Rollup 对中心化存储和计算资源的依赖。这可以通过利用云计算、边缘计算等技术实现。

3、促进网络去中心化：通过推广节点参与和建立公平的激励机制，促进 Rollup 网络的去中心化。这将有助于降低运营和维护成本，提高网络的安全性和稳定性。

尽管比特币 Layer2 Rollup 方案面临技术和复杂性方面的挑战，但通过采用适当的策略和技术，我们可以克服这些挑战并实现更好的扩容效果。这将有助于比特币生态系统的长期发展，并促进区块链技术的进一步创新和应用。

以太坊从 Plasma 到 Validium 再到主流 Rollup，比特币从侧链到状态通道再到客户端验证，Layer2 本质上都在找一套兼顾安全、可扩展性、去中心化的 Tradeoff 方案。基于此，我对比了 ZK-Rollup 和最近热议的 BsquaredNetwork 方案，从 DA 实现、可交互操作性、安全挑战等技术实现方面，探讨下比特币 layer2 的差异性和复杂性。

为了更好地做同比参考，可以先模糊“定义”一组对应关系：

ETH Plasma = BTC 状态通道；ETH Validium = BTC 侧链；ETH Rollup = BTC 客户端验证。

不难看出，以太坊 Plasma 对应比特币生态 Lightning Network，承接了 BTC 的安全性，但 HTLC 合约目前受限于小额支付 Payment 方向；以太坊 Validium 对应比特币生态的侧链，扩展性很强悍，但一套独立的共识让它始终不受主流认可；以太坊 Rollup 我倾向于对应比特币生态的客户端验证，安全性、可扩展性，去中心化特性会取综合权衡点，以太坊 Rollup 也正因为此成了一条主流焦点赛道。

顺着以太坊 ZK-Rollup 的思路，我们以比特币客户端验证为突破口，比特币 layer2 Rollup 方案该如何构建呢？以 BsquaredNetwork 为例探讨下：

1）客户端验证部分：

在一个完整的以太坊 ZK-Rollup 中，链下环节包括 Sequencer 收集并 batch 交易，会生成 ZK SNARK 证明和 Merkle 树等打包同步到主网 Calldata，然后链下会把 ZK SNARK 证明经过 Prover 系统的验证，将最终的 State diff 上传到主网，主网根据 State root 根再结合 Calldata 中的区块数据，验证数据的完整性和一致性，最终完成 Finality 状态确认。

Bsquare 的客户端部分，主要包含 Rollup layer 和 DA layer 两大部分，Rollup layer 的工作流程大致为：Sequencer 收集并 Batch 交易，先同步到去中心化存储环境下一份，然后经 zkEVM 生成 Proof 证明，与此同时把交易 Raw data，Merkle 树以及 Bitcoin state 等数据汇总成 Aggregator 联合 Proof 证明一起同步给 DA layer 的 B²nodes。

过程中有两个差异，一方面比特币需要将 TXs 原始数据同步到去中心化存储环境下，而 zk-Rollup 默认了本地环境存储；另一方面以太坊可以直接把数据汇总同步到主网 Call Data，但比特币主网存储量有限，验证能力缺失，因此 Bsquare 将这些数据同步到了客户端环境下的 B²nodes。

2）Data Availability 部分

在以太坊系统中，主网来给 Rollup 链输出 DA 能力，Rollup 把数据同步到 Calldata 的操作目的正为主网的 DA 验证能力，鉴于比特币主网不具备验证能力，DA 功能由客户端环境下构建的 DA layer 来承担。

DA layer 中的 B²nodes 在收到这部分 Rollup 汇总数据后，会进行电路编译操作，将数据压缩后以特殊编码的方式上传到比特币主网。与此同时 B²nodes 也会运转 Prover 系统对 ZK 证明进行去中心化验证生成比特币 Commitment 承诺，该承诺会连同 Rollupdata 等汇总数据一同去编码。

这里会产生两个疑问：

1、为何不直接用 Celestia 这类第三方 DA 而选择自己构建，这正是比特币生态的特殊性所决定，B²node 需要配备 indexer 索引器对编码到比特币主网的编码进行去中心化解析和索引，同时生成的 ZK Proof 会议 Commitment 的形式上传到主网，在编码的时候还需要对数据进行 Circuit 电路预编译压缩，以确保降低对主网存储空间的占用。

2、既然 DA 并非由主网提供，为何要把各类 Rollup 数据以编码形式同步到主网，这其实是在主网保留一个不可篡改的交易记录，为后续的 Challenge 过程提供基础。

3）Challenge 部分

在 ZK-Rollup 中，主网 Rollup 合约的可通过 Calldata 中的打包数据和 Prover 上传到主网的 State diff 二次校验确保交易的完整性和一致性，这是主网具备验证能力，ZK 技术的优势。

然而在比特币的 Rollup 环境下，由于主网缺乏验证能力，ZK 技术价值本质在于 SNARKs 数据简洁压缩同时确保一致性，倘若在链下环境的 Sequencer 收集交易过程中就存在数据作假，整个链条的数据都是假的，Finality 状态确认并无法拒绝作假的数据，因此要设计一套机制要对“作假”行为进行挑战。

要如何做呢？大家回看我关于 BitVM 的文章就会知道，BitVM 是一种理论假设下可以让比特币实现图灵完备计算的方案，只不过其预编译电路向比特币主网传输 TXs 的 Taproot Tree 方式过于消耗费用而不现实，如果借鉴 BitVM 的实现逻辑来进行挑战机制设计就不一样了。

挑战机制会在主网 UTXO 中锁定资产，一旦用户以 BitVM 的形式向 layer2 链发起挑战，就可以拿走提前锁定在比特币主网的资产。而刻录在比特币主网的特殊编码以及公开透明的 B²nodes 等 Raw data、Merkle 树、Commitment 承诺等都会成为用户发起挑战的证据，一旦挑战结果证明 B²nodes 中的一系列数据和主网铭刻的编码数据存在不一致问题，B²nodes 的节点不仅会失去锁在主网 UTXO 中的资产，还需要将交易回滚，重新更新索引器和历史数据。