以太坊原生汇总全面解析与工作原理详解

过去两年间，以太坊社区一直在积极推进”以Rollup为中心”的发展路线。这一策略的核心在于通过桥接合约锁定ETH资产，在链下执行交易处理，并借助欺诈证明或零知识证明(ZKP)等验证机制来确保第二层网络的状态准确性及资金提取安全。

不过这套方案面临着一个关键挑战：以太坊主网本身并不直接验证EVM执行过程，这使得各Rollup项目不得不自行构建独立的证明系统，以便在链上验证状态转换的正确性。

由于以太坊会定期进行可能修改EVM规范的硬分叉升级，Rollup开发团队必须持续维护和更新其定制化实现方案。这通常意味着需要成立专门的安全委员会，或者采用基于代币投票的治理机制来管理桥接合约及证明系统的升级流程。

在之前的系列文章中，我们已经探讨了基础型Rollup和增强型Rollup的技术特点。现在，让我们将目光转向更具革命性的原生Rollup概念。

基础型、增强型与原生型的本质区别

在区块链技术演进的过程中，基于Rollup（Based Rollup）、增强Rollup（Booster Rollup）和原生Rollup（Native Rollup）这三个概念常常让人感到困惑。为了帮助读者更好地理解，我们先简要回顾这三种Rollup的核心特征。

基于Rollup直接利用L1网络的验证者集来处理交易排序，这种设计虽然有利于实现去中心化，但由于L1出块时间较长（如以太坊的12秒间隔），可能会影响交易吞吐效率。不过社区正在通过预确认等技术手段优化用户体验，未来有望实现更快的交易最终确认速度。

增强Rollup通过在L2层面模拟L1的处理逻辑来扩展执行和存储能力，使得应用程序无需重新部署就能获得扩展性提升。虽然这种方案提供了良好的可扩展性，但与传统的Rollup相比，它引入了额外的系统复杂性，需要投入更多工程资源进行开发和维护。

原生Rollup的创新之处在于直接利用L1自身的状态转换函数（STF）作为验证机制。值得注意的是，虽然Optimism、Arbitrum等主流Rollup都在EVM等效环境中运行，但它们通常包含一些自定义修改，这些改动可能难以直接在以太坊主网上实现。

原生Rollup最初被称为”内置Rollup”（Enshrined Rollup），后来社区经过讨论，最终采用了”Native”这个更准确的表述。这个术语由@丹罗宾森和Lido的匿名贡献者提出，意在表明现有的EVM等效Rollup有可能升级到这种新模式。

原生Rollup的运行机制

原生Rollup方案引入了一个革命性的执行预编译功能，专门用于验证Rollup的状态转换。这个预编译将允许Rollup项目在其验证合约中直接调用，为证明系统提供基础设施支持，使Rollup能够继承以太坊的原生验证能力。

这个创新的预编译功能类似于”EVM中的EVM”概念，它将通过社区共识随着以太坊的硬分叉同步更新。这种设计确保EVM规则的变更能够及时反映到预编译中，使Rollup自动获得最新的验证能力，从而免除项目方维护安全委员会或多签治理机制的责任，最终为用户提供更高级别的安全保障。

EXECUTE预编译作为EVM状态转换的验证器，使Rollup能够在应用层充分利用以太坊的原生基础设施。它通过接收pre_state_root、post_state_root、trace和Gas_used等参数来验证状态转换，并采用类似EIP-1559的Gas定价机制。

验证者可以通过重新执行或SNARK证明来确保Rollup状态转换的正确性，具体方式取决于Rollup的扩展需求。此外，方案还引入了时隙延迟机制，以减轻MEV驱动的证明竞争等中心化风险。

这一预编译显著简化了Rollup的开发流程，使”无需信任的Rollup”成为可能。如果与基于以太坊的Rollup设计相结合，确保排序和证明系统都由以太坊管理，就能实现完全无需信任的架构，业界称之为”超声波Rollup”。这种设计不仅提升了系统可组合性，还具备实现实时结算的潜力，将推动Rollup生态系统向更安全、更高效的方向发展。

值得注意的是，建议的预编译行为与EVM类似，都需要重新执行Rollup交易来验证正确性。这与Rollups的核心理念——链下执行、仅向主网提交有效性证明——似乎存在一定矛盾。实际上，预编译本质上是在以太坊上重复已经完成的工作，在减轻L1计算负担方面并未创造新的价值。

选择类EVM验证器而非zk验证器的主要原因在于ZK技术目前尚未完全成熟。即使是最广泛使用的zkVM也暴露出一些漏洞，而且ZKP技术的快速发展使得在链上硬编码特定zk验证器存在较大风险且缺乏灵活性。以太坊更倾向于保持技术多样性和中立性，允许开发者自由实验各种zk客户端，而不锁定单一验证方案。

但这并不意味着预编译无法为以太坊的扩展性做出贡献。虽然以太坊通过将zk-proof验证保持在链外来确保安全性，但它可以利用预编译来验证Rollup提交的zk-proofs。这种设计使得以太坊验证者无需完整模拟所有Rollup交易，而是通过依赖链下zk证明，在保持安全性的同时提升执行效率。

原生Rollup的显著优势

原生Rollup通过预编译处理了大部分复杂工作，使得欺诈证明或SNARK检查等流程大幅简化。这意味着需要编写和维护的代码量显著减少，也不再需要额外构建证明网络或安全委员会等配套系统。

由于链上SNARK验证成本高昂，许多zk-rollup选择降低结算频率以控制成本。EXECUTE预编译可以通过SNARK递归技术将多个证明批量处理，有效降低验证成本。这种方法使Rollup能够更高效地验证交易，让链下验证变得更加经济实惠。

在传统Rollup中确保无差错运行颇具挑战性，通常需要进行大量检查。许多团队采用中心化排序器来防范恶意区块的产生。而原生执行预编译可以实现更安全、无需许可的排序机制，不仅让Rollup继承L1的安全性，还能获得L1资产的可替代性优势，因为交易直接在以太坊的可信环境中进行验证。

虽然市场上存在众多EVM兼容的Rollup，但真正实现EVM等效的却寥寥无几。原生Rollup能够与主区块链自动同步更新，使所有组件保持最新状态，无需额外治理规则或投票机制。

对zk-rollup而言，实现超低延迟的证明时间（如100毫秒）是极具挑战性的工程难题。相比之下，原生Rollup可以采用更宽松的证明时间表，将其扩展至完整时隙。这种方法减轻了即时生成证明的压力，有望提高系统可靠性及与L1的集成度。

所有Rollup都会转向原生吗？

现有的Rollup技术栈，如OP Stack和Arbitrum Orbit Stack，理论上都具备升级为”原生Rollup”的潜力，从而直接继承以太坊的安全特性。这种升级将显著提升用户体验，同时让开发团队摆脱维护安全委员会的负担。与此同时，Rollup团队仍可通过提供高效的共享排序层展开竞争，继续获取排序费用并优化MEV收益。

但并非所有Rollup都会转向原生方案。某些L2功能与原生Rollup存在本质性不兼容，包括独特的交易类型、Gas处理方式以及主链上不存在的预编译功能。当前L2生态系统的优势之一正是虚拟机多样性，例如@EclipseFND采用Solana VM，@movementlabsxyz使用MoveVM，@Starknet则基于CairoVM构建Rollup。

正如@doganeth_en所指出的，未来Rollup可能会分化为三大类别：企业级Rollup、性能导向型Rollup和”对齐型”原生Rollup。

企业级Rollup将专注于管理和控制其网络，适合希望对交易排序、执行和应用拥有Web2式控制权的企业用户。性能导向型Rollup虽然仍使用以太坊进行结算，但会采用替代数据可用性层来提升性能表现。而原生Rollup将与以太坊基础设施深度集成，提供以太坊级别的去中心化、直接状态访问和更经济的链下ZK证明验证。

展望未来

原生Rollup代表了以太坊以Rollup为中心路线图的重大进展，提供了一种与以太坊基础设施更协调的发展路径。通过引入执行预编译，原生Rollup简化了治理流程，消除了对多重签名、安全委员会或代币投票系统的依赖。这种方法不仅增强了安全性，还使Rollup能够借助链下zk证明更有效地扩展，确保在最小化信任的前提下实现可扩展性。

虽然这一提案前景广阔，但也面临诸多挑战。大多数现有Rollup虽然标榜EVM等效，但通常包含对EVM的细微修改。因此，向原生Rollup模型的过渡可能会给这些项目带来额外的开发负担。

尽管如此，原生Rollup提供了一条引人注目的发展路径，能够将以太坊的安全性和灵活性与Rollup设计完美结合。通过促进与L1的协调，它们在鼓励创新的同时减少生态碎片化，有望使以太坊生态系统在未来变得更加统一和强健。