Page 380 - 《软件学报》2025年第8期

张子龙 等: 基于原生链的跨 Rollup 机制研究 3803

balance between on-chain resource consumption and processing latency. Finally, this study validates the proposed solution through
experiments. The experimental results demonstrate that under the condition of complete trustlessness, the proposed solution reduces on-
chain computing and storage overheads while achieving a balance between on-chain resource consumption and processing latency.
Moreover, compared to existing cross-Rollup solutions, the proposed solution exhibits good system throughput.
Key words: blockchain; Rollup; zero-knowledge proof; multi-objective optimization

区块链系统本质上是一种分布式状态机, 相较于传统中心化系统, 其交易吞吐量存在着多个数量级的巨大差
距 [1] , 这成为区块链技术落地的严重障碍. 因此, 如何提高吞吐量成为区块链研究中的重要问题. 现有区块链吞吐
量优化方式分为链上扩容与链下扩容两类. 链上扩容方案需要对原生链进行修改, 需要链上所有共识节点共同升
级, 因此, 一旦采纳链上扩容策略会发生链上硬分叉的事件, 将原生链分裂成多条互不兼容的区块链, 进而带来社
区的分裂、安全风险等一系列问题. 相比较而言, 链下扩容方案仅需要链下相关扩容方参与即可, 升级成本较低,
代价更小.
Rollup 是一种链下扩容方案, 相比于其他链下扩容方案如侧链方案、链下通道方案, Rollup 解决了数据可用
性的问题. 在 Rollup 系统中, 定序器先将原始交易数据完整地记录在区块链上, 仅将交易执行和状态存储放到链
下进行. 链下执行节点将执行后的状态根存储在区块链上, 并使用特定的验证方案验证其有效性. 这种方式使任何
节点能够自行从链上读取原始交易数据, 并执行恢复数据状态, 不会对数据进行回滚. 只要存在诚实的 Rollup 节
点, 系统就能够维持正常的运行.
Rollup 技术因其具备优良的数据可用性优势而备受瞩目 [2] , 但从实际系统发展情况来看, 单一的 Rollup 系统
无法满足所有扩容需求, 随着 Rollup 内部业务需求的不断增加和复杂度的提高, 不同 Rollup 系统之间数据和资产
的交换需求也变得更为迫切, 这促进了 Rollup 互操作技术 (也称为跨 Rollup 技术) 的研发.
目前, 已经明确提出的可用于跨 Rollup 的技术方案总体来说可以分为哈希时间锁和第三方服务商两种. 哈希
时间锁方案仅适用于特定的交易场景, 第三方服务商方案可以被应用于通用的合约交易. 在第三方服务商方案中,
根据服务商服务对象的不同, 可以继续分为第三方代理和第三方链下验证两种.
目前为了实现通用的 Rollup 互操作方案, 采用的是引入第三方服务商的策略, 这带来了额外的信任风险. 首
先, 第三方服务商需要得到所有 Rollup 节点的信任或 Rollup 内的用户的信任才能发挥作用, 这意味着需要对服务
商有相对强的信任假设. 如果所有服务商串通欺诈, 将造成损失. 其次, 引入第三方服务商导致跨 Rollup 交易产生
单点故障, 整个交易过程依赖于服务商的可用性和安全性. 如果服务商遭受攻击或出现故障, 整个跨 Rollup 交易
流程将受到严重影响. 最后, 第三方服务商会导致网络的去中心化程度降低, 它们对整个链下 Rollup 系统网络的
控制力会相对较高. 这将影响整个 Rollup 扩容生态系统的可持续性和稳定性, 少数服务商将会控制了系统生态升
级的命脉.
原生区块链 (简称: 原生链) 是 Rollup 系统的信任基础, 原生链提供的交易证明可以直接被 Rollup 系统信任,
这意味着使用原生链的方案可以避免引入额外的信任假设, 从而从根本上规避了第三方服务商带来的信任假设风
险. 由于原生链交易吞吐量低下, 并且计算和存储资源有限, 直接使用链下的证明和存储策略将会使得单笔交易的
平均链上开销过大, 进而导致 Rollup 互操作的交易吞吐量低下.
本文提出了一种基于原生链的 Rollup 互操作方案, 称为 NativeBridge, 在无需第三方服务商参与的前提下完
成 Rollup 的互操作, 从而解决了信任假设的问题. 由于原生链的资源匮乏, 因此本文要解决的难点在于减少跨 Rollup
交易在链上资源的消耗, 提高 Rollup 互操作的交易吞吐量. 本文的核心思想是通过批量集中处理交易的方式, 有
效减少单笔交易的链上平均计算与存储资源消耗, 从而提高系统的吞吐量.
本文的主要贡献如下.
(1) 基于零知识证明的交易有效性证明方案: 为降低验证发送方 Rollup 中交易的链上计算资源开销, 本方案
采用了批处理的思想, 将发送方 Rollup 内交易的有效性证明进行批量生成. 同时, 本方案利用零知识证明的简洁
性, 将多个交易证明聚合至 1 个零知识证明中, 从而显著减少交易有效性验证的链上计算开销. 本方案最大可实
现 98% 的链上计算开销优化.