[论文解读] Optimistic and Validity Rollups: Analysis and Comparison between Optimism and StarkNet

Luca Donno|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 5

一句话总结

本文分析并对比了乐观汇总（Optimism）与有效性汇总（StarkNet），评估其架构、安全模型及性能权衡。研究显示，尽管 Optimism 通过开源许可实现了 EVM 兼容性并加速了市场采用，StarkNet 却凭借 STARK 证明提供更强的安全保障、更快的提款速度，并通过递归机制实现更好的可扩展性——凸显了在汇总设计中敏捷性与密码学稳健性之间的根本权衡。

ABSTRACT

The thesis addresses the problem of scalability in decentralized blockchains in the context of the trade-off between transaction throughput and hardware requirements to participate in the network. Rollups are presented, that is technologies to verify on-chain blocks executed off-chain by minimizing the assumptions of trust. The variant of the Optimistic Rollups, in particular of Optimism and the use of invalidity proofs through interactive binary search and of the Validity Rollups, in particular of StarkNet, and the use of validity proofs through STARKs are discussed. Finally, the two solutions are compared on withdrawal time, on the cost of transactions and techniques to minimize it, on the possibility of applying the technology recursively, on compatibility with Ethereum and on the licenses used.

研究动机与目标

• 分析在以太坊可扩展性背景下，乐观汇总（Optimism）与有效性汇总（StarkNet）在架构与运作上的差异。
• 评估安全模型、提款延迟、交易成本与开发者兼容性之间的权衡。
• 评估开源与闭源实现对生态系统增长与无信任性的长期影响。
• 研究通过模块化设计原则，将 Optimism 从乐观汇总过渡为有效性汇总的可行性。

提出的方法

• 分析 Optimism Bedrock 的架构，包括存款/提款流程、排序机制，以及基于 minigeth 编译为 MIPS 的 Cannon 无效性证明系统。
• 研究 StarkNet 的设计，重点分析其使用 STARK 证明实现有效性验证、合约部署，以及验证者与证明者组件的作用。
• 比较提款时间、交易成本与以太坊兼容性，评估诸如 calldata 缓存与布隆过滤器等优化技术。
• 评估许可证模式（Optimism 使用 MIT 许可证，StarkNet 使用专有 Polaris 许可证）对生态系统发展与分叉韧性的影响。
• 评估递归在支持 L3 链与未来可扩展性中的作用，特别是 StarkNet 中递归证明组合机制。
• 使用 SNARKs、STARKs 与同态哈希等密码学原语，解释各系统底层的安全保障机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欺诈检测与证明生成方面，乐观汇总与有效性汇总的安全模型有何不同？
• RQ2 在 Optimism 与 StarkNet 之间，提款延迟、交易成本与 EVM 兼容性之间的权衡是什么？
• RQ3 许可证选择（开源 vs. 专有）在多大程度上影响了汇总协议的长期采用与可扩展性？
• RQ4 Optimism 的模块化架构是否能实际实现从乐观汇总向有效性汇总的过渡？其技术前提是什么？
• RQ5 StarkNet 中的递归证明系统如何在多层区块链架构中实现未来的可扩展性与组合性？

主要发现

• StarkNet 由于其有效性证明，可实现潜在的即时提款，而 Optimism 则需 7 天的挑战期以实现欺诈检测。
• Optimism 使用 MIT 许可证，已推动生态系统快速成长，催生了 Metis Andromeda 与 Boba Network 等分叉，而 StarkNet 的闭源证明者代码则限制了独立分叉。
• StarkNet 的基于 STARK 的证明提供了更强的安全保障，包括无效状态转换在结构上不可能发生，优于 Optimism 的欺诈证明模型。
• 由于更高效的证明生成与更少的链上数据膨胀，StarkNet 的交易成本预计更低，尽管这取决于证明大小与验证成本。
• Optimism 的 Bedrock 架构具有模块化特性，可通过 minigeth 的电路编译支持未来转向有效性证明，表明向混合或完全有效性汇总演进的路径。
• 本文指出，尽管 StarkNet 在密码学安全性和性能方面表现更优，但其对复杂数学的依赖与闭源证明者代码可能使缺乏深厚密码学专业知识的用户难以建立信任，从而影响其采纳。