原文：https://www.parity.io/blog/polkadot-rollups
作者：Parity
编译：OneBlock+
区块链技术自诞生以来一直面临着可扩展性的根本挑战。随着网络用户和应用数量激增，以太坊等主流公链的交易处理能力逐渐成为制约生态发展的瓶颈。为应对这一挑战，区块链社区发展出了多种扩容方案，其中 Rollup 技术因能在保持安全性的同时显著提升吞吐量而备受关注。
Rollup 技术的核心优势在于将交易计算转移到链外执行，同时通过优化的数据传输和验证流程，大幅提高区块链网络的处理能力。然而，尽管 Rollup 已在多个平台获得广泛应用，它仍然面临诸多挑战，特别是在与 Layer 1 区块链的安全整合、验证效率以及跨链互操作性等方面存在一定的局限性。
在这一技术背景下，Polkadot 的平行链（Parachain）架构作为一种创新的区块链设计范式，展现出与 Rollup 相似的扩容潜力，但在底层实现上采用了更为先进的架构。不同于单链依赖模式，Polkadot 构建了一个多链生态系统，通过其独特的中继链（Relay Chain）实现了不同区块链之间的无缝互操作，并通过共享安全模型和高效的验证机制，实现了类似甚至超越 Rollup 的扩容效果。
本文将深入剖析 Polkadot 平行链架构与主流 Rollup 扩容方案之间的内在联系，并系统分析 Polkadot 在技术实现上的创新优势。通过这种比较研究，我们将揭示 Polkadot 如何以其独特设计提供更高效、更灵活且更安全的区块链扩容解决方案。
Rollup 技术解析：计算与验证的分离创新
区块链网络的主要任务是通过共识协议验证链上的交易。这些交易可以是 “真实” 的交易，比如从一个账户发送 token 到另一个账户，也可能是网络间的数据传输。由于区块链网络在区块大小和出块时间上存在天然的限制，任何区块链网络都存在吞吐量上限，这正是 Rollup 技术试图突破的瓶颈。
从技术角度看，Rollup 在链外环境执行交易计算，通过数据压缩和批处理机制，将多笔交易打包为单一数据包。这个处理过的数据包最终提交回 Layer 1 主链，在主链上依靠其安全协议保证数据的可用性。通过这种方式，Rollup 实现了计算与数据可用性的分离，为区块链扩容提供了高效且优雅的解决方案。
Rollup 技术生态：两种主流实现
Optimistic Rollup：基于信任假设的延迟验证
顾名思义，Optimistic Rollups 基于一个 “乐观” 假设（Optimistic 英文本意是乐观）：默认所有提交的交易都是有效的，除非被证明存在欺诈。这种设计哲学与传统的 “先验证后执行” 模式形成了鲜明对比。
具体而言，Optimistic rollups 先批准所有交易，并将打包后的数据发送到 L1 主网。系统依赖 “欺诈证明” (fraud proofs) 机制而非实时验证每笔交易，大幅减少链上计算负担。
当系统检测到潜在欺诈交易时，会触发争议解决流程：交易被回滚至争议前状态，并对提交欺诈交易的验证者实施惩罚。参与者必须质押资产作为诚信保证，一旦欺诈行为被证实，质押资产将被罚没。为确保准确判定争议，Rollup 系统需要实现完整的交易重放功能。
由于争议解决过程成本高昂，实际发生频率相对较低。同时，为确保充分的挑战期，Optimistic Rollups 通常设置 7 – 14 天的最终确认等待期，这是该技术的主要局限之一。
ZK Rollup：密码学保障的即时验证
ZK (零知识) Rollups 采用更严格的验证机制，要求所有交易在链下完成验证并生成密码学证明，再将证明与交易数据一同提交至主网智能合约验证。
这种方法确保只有经过验证的有效交易才会记录到链上，显著提高了系统安全性和可靠性。无效交易批次会被立即拒绝，维护网络完整性。然而，由于采用复杂的密码学技术、对特定硬件有较高需求，以及潜在的中心化风险，ZK Rollups 在实现上比 Optimistic Rollups 更为复杂且成本更高。
此外，ZK Rollups 在跨不同 L1 协议的互操作性方面仍面临挑战，这在一定程度上限制了其在多链生态中的应用广度。
Polkadot Parachain：怀疑型验证架构
平行链设计：多链协作的共享安全模型
Polkadot 生态系统中的平行链 (Parachain) 最初作为专用链设计，随着 Agile Coretime 模型的引入，这一概念正在演变为更灵活的资源分配机制，使各类项目能够根据实际需求获取高质量区块空间。尽管如此，本文为便于讨论，仍沿用 Parachain 这一术语。
从架构上看，每个 Parachain 独立执行交易验证和区块生成，根据其特定业务逻辑提供功能服务。然而，与完全独立的区块链不同，Parachain 的最终共识由 Polkadot 的中继链 (Relay Chain) 提供，构成了其独特的安全模型。经验证的 Parachain 区块被整合到中继链中，实现跨链互操作性。
深入分析可见，Polkadot 的平行链本质上是一种原生 “Rollup” 实现。类似于 ZK Rollups，Parachain 在提交到中继链之前预先验证交易。然而，为确保区块有效性，Polkadot 采用了多层验证机制，构建了一种 “怀疑型” (skeptical) Rollup 模型。此模型基于零信任原则，假设网络参与者可能存在恶意行为，因此实施了严格的多重验证保障。
在平行链生态中，收集人 (collator) 节点担任关键角色，负责聚合用户交易、执行状态转换并提议新区块，成为平行链和中继链间的桥梁。
多层验证：Polkadot 的安全保障体系
Polkadot 的验证架构引入了支持者 (backers) 角色，这些节点从中继链验证者集合中动态分配（当前每个 Parachain 分配五个），负责验证 collators 提出的区块。这种动态分配机制由中继链管理，确保验证权力公平分布，防止单一群体长期控制特定平行链的安全。
Backers 验证 collators 提出的区块的有效性，确保它符合 Parachain 的规则且不与系统其他部分冲突。这些证明被记录在中继链区块中，结合数据可用性系统，使支持者对其验证行为负责，形成有效的经济安全模型。
为进一步防止恶意或故障区块被最终确认，Polkadot 还增加了一个验证层，叫做 “审批检查员”（approval checkers）。审批检查员必须重新验证区块，以维护网络的完整性，但这一过程依赖对区块数据的访问。假如 backers 根本没有提供数据怎么办？这时，数据可用性和消除编码（erasure coding）就派上用场了。
消除编码将区块数据分割为多个冗余碎片，分布式存储在网络验证者中，即使部分数据提供者离线或恶意行为，也能重建完整区块。这一机制不仅保证了数据可用性，还通过优化带宽使用提高了网络效率。
从提案到共识：快速确认的验证流程
在理想条件下，经过多层验证的 Parachain 区块通过 GRANDPA 最终性算法获得确认。如果审批检查员发现区块无效，会触发争议流程，要求所有中继链验证者进行额外检查。若证实支持者提供的证明有误，相关支持者将面临质押惩罚 (slashing)。
这一精心设计的协调流程确保了 Polkadot 网络能够在保持高安全性的同时实现快速最终确认。尽管验证流程看似复杂，但整个过程仅需约 18 秒即可完成。
Polkadot 的技术优势：超越传统 Rollup
速度优势: 从 14 天到 18 秒
Polkadot 的最终确认机制虽然包含多重验证步骤，但通过高效的并行处理和优化的共识算法，实现了约 18 秒的最终确认时间。这一性能指标远优于 Optimistic Rollups 的 7 – 14 天争议期，为 DApp 开发者和终端用户提供了更流畅的交互体验。
这种速度优势源于 Polkadot 独特的分层验证架构和 GRANDPA 最终性算法，即使在处理复杂验证信息的情况下，系统仍能保持高效率，平衡了安全性与性能需求。
XCM：无缝互联的跨链标准
除了高效的最终确认机制，Polkadot 还提供了原生的跨链通信能力。通过 XCM 协议，Polkadot 生态系统内的应用可以实现无缝互操作，使开发者能够利用多链环境的丰富功能。
XCM 协议促进了真正的去中心化应用开发，支持复杂的跨链交互场景。得益于中继链提供的共享安全模型，Polkadot 的跨链通信不仅速度快 (约 12 秒，且持续优化中)，还保持了高水平的安全性。相比之下，Optimistic Rollups 之间的安全通信需要等待完整的争议期 (约 7 天)，效率明显较低。
结语
综合分析表明，Polkadot 从协议层面实现了原生 Rollup 功能，同时通过创新的多层验证、快速确认机制和高效数据处理，构建了一种更为先进的扩容架构。
Polkadot 的平行链系统代表了 “怀疑型 Rollup” 的创新模型，它巧妙结合了 ZK Rollup 的预验证优势和 Optimistic Rollup 的灵活性，通过独特的验证架构和角色设计，在性能、安全性和互操作性方面实现了全面提升，为区块链扩容技术开辟了新的发展方向。
? 如果你想了解更多关于 Polkadot 的 Rollup 架构，或是与其他 Rollup 的比较，可以参考波卡官方 Wiki:
https://wiki.polkadot.network/docs/learn-comparisons#rollup-comparison-table
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