原文：https://www.parity.io/blog/polkadot-rollups
作者：Parity
編譯：OneBlock+
區塊鏈技術自誕生以來一直面臨著可擴展性的根本挑戰。隨著網路使用者和應用程式數量激增，以太坊等主流公鏈的交易處理能力逐漸成為限制生態發展的瓶頸。為因應這項挑戰，區塊鏈社群發展出了多種擴容方案，其中Rollup 技術因能在保持安全性的同時顯著提升吞吐量而備受關注。
Rollup 技術的核心優勢在於將交易運算轉移到鏈外執行，同時透過優化的資料傳輸和驗證流程，大幅提升區塊鏈網路的處理能力。然而，儘管Rollup 已在多個平台中獲得廣泛應用，它仍然面臨諸多挑戰，特別是在與Layer 1 區塊鏈的安全整合、驗證效率以及跨鏈互通性等方面存在一定的局限性。
在這項技術背景下，Polkadot 的平行鏈（Parachain）架構作為一種創新的區塊鏈設計範式，展現出與Rollup 相似的擴容潛力，但在底層實現上採用了更先進的架構。不同於單鏈依賴模式，Polkadot 構建了一個多鏈生態系統，透過其獨特的中繼鏈（Relay Chain）實現了不同區塊鏈之間的無縫互操作，並透過共享安全模型和高效的驗證機制，實現了類似甚至超越Rollup 的擴容效果。
本文將深入剖析Polkadot 平行鏈架構與主流Rollup 擴容方案之間的內在聯繫，並系統分析Polkadot 在技術實現上的創新優勢。透過這種比較研究，我們將揭示Polkadot 如何以其獨特設計提供更有效率、更靈活且更安全的區塊鏈擴容解決方案。
Rollup 技術解析：計算與驗證的分離創新
區塊鏈網路的主要任務是透過共識協議驗證鏈上的交易。這些交易可以是「真實」 的交易，例如從一個帳戶發送token 到另一個帳戶，也可能是網路間的資料傳輸。由於區塊鏈網路在區塊大小和出塊時間上存在天然的限制，任何區塊鏈網路都存在吞吐量上限，這正是Rollup 技術試圖突破的瓶頸。
從技術角度來看，Rollup 在鏈外環境執行交易計算，透過資料壓縮和批次機制，將多筆交易打包為單一資料包。這個處理過的資料包最終提交回Layer 1 主鏈，在主鏈上依靠其安全協議保證資料的可用性。透過這種方式，Rollup 實現了運算與數據可用性的分離，為區塊鏈擴容提供了高效且優雅的解決方案。
Rollup 技術生態：兩種主流實現
Optimistic Rollup：基於信任假設的延遲驗證
顧名思義，Optimistic Rollups基於一個「樂觀」 假設（Optimistic 英文本意是樂觀）：預設所有提交的交易都是有效的，除非被證明有詐欺。這種設計哲學與傳統的"先驗證後執行" 模式形成了鮮明對比。
具體而言，Optimistic rollups 先批准所有交易，並將打包後的資料傳送至L1 主網。系統依賴"詐欺證明" (fraud proofs) 機製而非即時驗證每筆交易，大幅減少鏈上計算負擔。
當系統偵測到潛在詐欺交易時，會觸發爭議解決流程：交易被回滾至爭議前狀態，並對提交詐欺交易的驗證者實施懲罰。參與者必須質押資產作為誠信保證，一旦詐欺行為被證實，質押資產將被罰沒。為確保準確判定爭議，Rollup 系統需要實現完整的交易重播功能。
由於爭議解決過程成本高昂，實際發生頻率相對較低。同時，為確保充分的挑戰期，Optimistic Rollups 通常設定7 - 14 天的最終確認等待期，這是該技術的主要限制之一。
ZK Rollup：密碼學保證的即時驗證
ZK (零知識) Rollups 採用更嚴格的驗證機制，要求所有交易在鏈下完成驗證並產生密碼學證明，再將證明與交易資料一同提交至主網智能合約驗證。
這種方法確保只有經過驗證的有效交易才會記錄到鏈上，顯著提高了系統安全性和可靠性。無效交易批次會立即被拒絕，維護網路完整性。然而，由於採用複雜的密碼學技術、對特定硬體有較高需求，以及潛在的中心化風險，ZK Rollups 在實作上比Optimistic Rollups 更為複雜且成本更高。
此外，ZK Rollups 在跨不同L1 協定的互通性方面仍面臨挑戰，這在一定程度上限制了其在多鏈生態中的應用廣度。
Polkadot Parachain：懷疑型驗證架構
平行鏈設計：多鏈協作的共享安全模型
Polkadot 生態系統中的平行鏈(Parachain) 最初作為專用鏈設計，隨著Agile Coretime 模型的引入，這一概念正在演變為更靈活的資源分配機制，使各類項目能夠根據實際需求獲取高品質區塊空間。儘管如此，本文為便於討論，仍沿用Parachain 這一術語。
從架構上看，每個Parachain 獨立執行交易驗證和區塊生成，根據其特定業務邏輯提供功能服務。然而，與完全獨立的區塊鏈不同，Parachain 的最終共識由Polkadot 的中繼鏈(Relay Chain) 提供，構成了其獨特的安全模型。經過驗證的Parachain 區塊被整合到中繼鏈中，實現跨鏈互通性。
深入分析可見，Polkadot 的平行鏈本質上是一種原生"Rollup" 實作。類似於ZK Rollups，Parachain 在提交到中繼鏈之前預先驗證交易。然而，為確保區塊有效性，Polkadot 採用了多層驗證機制，建構了一種"懷疑型" (skeptical) Rollup 模型。此模型基於零信任原則，假設網路參與者可能存在惡意行為，因此實施了嚴格的多重驗證保障。
在平行鏈生態中，收集人(collator) 節點擔任關鍵角色，負責聚合用戶交易、執行狀態轉換並提議新區塊，成為平行鍊和中繼鏈間的橋樑。
多層驗證：Polkadot的安全保障體系
Polkadot 的驗證架構引入了支持者(backers) 角色，這些節點從中繼鏈驗證者集合中動態分配（目前每個Parachain 分配五個），負責驗證collators 提出的區塊。這種動態分配機制由中繼鏈管理，確保驗證權力公平分佈，並防止單一群體長期控制特定平行鏈的安全。
Backers 驗證collators 提出的區塊的有效性，確保它符合Parachain 的規則且不與系統其他部分衝突。這些證明被記錄在中繼鏈區塊中，結合資料可用性系統，使支持者對其驗證行為負責，形成有效的經濟安全模型。
為了進一步防止惡意或故障區塊被最終確認，Polkadot 還增加了驗證層，稱為「審批檢查員」（approval checkers）。審批檢查員必須重新驗證區塊，以維護網路的完整性，但這個過程依賴對區塊資料的存取。假如backers 根本沒有提供數據怎麼辦？這時，資料可用性和消除編碼（erasure coding）就派上用場了。
消除編碼將區塊資料分割為多個冗餘碎片，分散式儲存在網路驗證者中，即使部分資料提供者離線或惡意行為，也能重建完整區塊。這項機制不僅保證了資料可用性，還透過優化頻寬使用提高了網路效率。
從提案到共識：快速確認的驗證流程
在理想條件下，經過多層驗證的Parachain 區塊透過GRANDPA 最終性演算法獲得確認。如果審核檢查員發現區塊無效，會觸發爭議流程，要求所有中繼鏈驗證者進行額外檢查。若證實支持者提供的證明有誤，相關支持者將面臨質押懲罰(slashing)。
這個精心設計的協調流程確保了Polkadot 網路能夠在保持高安全性的同時實現快速最終確認。儘管驗證流程看似複雜，但整個過程僅需約18 秒即可完成。
Polkadot 的技術優勢：超越傳統Rollup
速度優勢: 從14 天到18 秒
Polkadot 的最終確認機制雖然包含多重驗證步驟，但透過高效的平行處理和最佳化的共識演算法，實現了約18 秒的最終確認時間。這項效能指標遠優於Optimistic Rollups 的7 - 14 天爭議期，為DApp 開發者和終端用戶提供了更流暢的互動體驗。
這種速度優勢源自於Polkadot 獨特的分層驗證架構和GRANDPA 最終性演算法，即使在處理複雜驗證資訊的情況下，系統仍能保持高效率，平衡了安全性與效能需求。
XCM：無縫互聯的跨鏈標準
除了高效率的最終確認機制，Polkadot 還提供了原生的跨鏈通訊能力。透過XCM 協議，Polkadot 生態系統內的應用可以實現無縫互通，使開發者能夠利用多鏈環境的豐富功能。
XCM 協議促進了真正的去中心化應用開發，支援複雜的跨鏈互動場景。由於中繼鏈提供的共享安全模型，Polkadot 的跨鏈通訊不僅速度快(約12 秒，且持續優化中)，還保持了高水準的安全性。相較之下，Optimistic Rollups 之間的安全通訊需要等待完整的爭議期(約7 天)，效率明顯較低。
結語
綜合分析表明，Polkadot 從協議層面實現了原生Rollup 功能，同時透過創新的多層驗證、快速確認機制和高效資料處理，建構了一種更先進的擴容架構。
Polkadot 的平行鏈系統代表了"懷疑型Rollup" 的創新模型，它巧妙結合了ZK Rollup 的預驗證優勢和Optimistic Rollup 的靈活性，透過獨特的驗證架構和角色設計，在性能、安全性和互通性方面實現了全面提升，為區塊鏈擴容技術開闢了新的發展方向。
🔍 如果你想了解更多關於Polkadot 的Rollup 架構，或是與其他Rollup 的比較，可以參考波卡官方Wiki:
https://wiki.polkadot.network/docs/learn-comparisons#rollup-comparison-table
