Page 383 - 《软件学报》2025年第8期

3806 软件学报 2025 年第 36 卷第 8 期

供真实有效的工作.

1.3 区块链链上资源现状分析
以太坊 (Ethereum) 是目前链下扩容生态最好的公链, 相比于比特币等其他区块链, 以太坊提供了允许开发者
构建分布式应用程序 (DApps), 更强的灵活性和可编程能力, 使得开发者可以更容易地实现自己的创意和想法. 以
太坊的平均交易吞吐量仅有每秒十几笔, 其庞大的体量与羸弱的处理性能的冲突造就了以太坊拥有最丰富链下扩
容市场和多样化的平台发展, 链下场景的丰富也增加了链下 Rollup 间互操作的需求. 因此, 本文选择以太坊作为
原生链来研究区块链跨 Rollup 技术.
(1) 链上计算负载
对于以太坊为代表的公链而言, 链上的计算负载能力是有限的, 单位时间内能提供的计算资源受到系统设置
的约束. 其约束主要来源于两个方面, 出块的间隔的限制以及单个区块的计算开销是有上限的.
由于区块的共识间隔严重受到限制, 因此在单个区块计算能力存在上限时, 无法通过加速出块的方式提升单
位时间内的计算能力. 以太坊在设置出块间隔时, 考虑到其在全球范围内的部署和运行, 需要充分广播区块. 因此,
出块间隔不宜过短, 否则会增加系统分叉率, 影响整个网络的安全性.
单个区块内交易计算能力也存在上限, 不能无限制提升单个区块内的计算开销. 其原因是以太坊引入了 Gas
费的概念用于衡量链上资源消耗, 同时为区块设置了 Gas 的上限. 单个区块内所有交易的 Gas 总开销必须小于等
于区块的 Gas 上限, 被称为 GasLimit, 否则交易将被拒绝. 直接调整 GasLimit 可以直接增大以太坊的吞吐量上限,
但是该方案属于对链上参数的修改是链上扩容的一部分. 本文的研究属于链下扩容策略范畴, 因此不能对以太坊
本身的共识机制, 区块大小等进行调整.
(2) 链上存储负载
跨 Rollup 交易实质上是在链下执行计算, 对于链上而言, 对跨 Rollup 交易进行存储是为了让接收方 Rollup
可以获得待执行交易. 因此, 可以将同一批次上传的所有跨 Rollup 交易集合看成一个二进制文件, 在链上只做二
进制文件存储相关的功能, 不需要对交易进行计算. 这种形式的存储可以采用以太坊 EIP-4844 协议提出的 blob 交
[6]
易格式作为链上存储的方式. EIP-4844 是针对存储的升级, 它针对非链上计算的二进制文件可以提供更轻量级的
存储. 但是对于 EIP-4844 协议而言, 区块能够提供的存储负载是存在上限的, 这也会影响系统整体性能.
(3) 交易访问规律
对于以太坊上的交易访问呈现了显著的长尾分布的形态, 即少数账户造成了绝大部分的状态访问. 在过去的
研究中表明 [7] , 在分析高度在 5500000–6000000, 从 2018 年 4 月 24 日–2018 年 7 月 20 日期间的历史区块, 可以发
现 72% 的交易被发往 1% 的账户地址, 66% 的交易是由 1% 的账户地址发起.
本文通过进一步研究发现, 绝大部分地址会多次出现, 仅出现一次的地址数量较少. 数据集选取自 2022 年 4
月 1 日–2022 年 9 月 25 日期间的以太坊非同质化代币 (NFT) 类交易中的样本, 为了评估交易集中的数据, 本文研
究了交易地址仅出现一次的频率. 如后文图 3 所示, 仅出现一次的地址数量 (以红色柱状表示) 并未明显超过其他
出现次数的地址数量. 相反, 绝大部分地址的出现次数呈现多样化. 将仅出现过一次的地址数量除以总地址数量,
其占比仅为 6.04%. 因此, 在所有地址中, 仅出现过一次的地址数量仍然处于较小的比例.
而在 Rollup 内的交易本身就是以太坊交易在链下的扩容体现, 其面临的业务场景应当是相似的. 因此, 跨
Rollup 交易访问统计规律应当会产生类似的长尾分布规律.

1.4 零知识证明技术
零知识证明算法 [8] 是指证明者向验证者证明某个陈述的正确性, 而不需要透露除该陈述正确外的任何信息的
一种密码学算法. 零知识证明算法主要分为交互式和非交互式两类.
(1) 零知识证明介绍
交互式证明需要证明者和验证者之间进行交互, 并根据验证者的请求提供陈述的证据, 可以通过多次陈述多
次证明的方式来加强安全性, 但是这种证明方式通常需要较长的时间和复杂的计算.