ZKSwap提出實用zkrollup協議ZKSpeed，可大幅提高TPS并降低Gas費用_LAYER

以太坊網絡作為區塊鏈世界里最活躍的開發平臺，日常的擁堵，越來越高的手續費，讓生態中的應用和用戶們都苦不堪言。最近以來，單筆轉賬的平均費用更是高達24.7美元。這種糟糕的體驗如果得不到改善，將對以太坊的發展將會造成不良的影響。

因此，近些年越來越多的區塊鏈研究者和開發人員致力于底層技術研究，想盡各種技術手段，來改善整個網絡狀態。有針對Layer-1的技術方案，例如ETH2.0的分片技術，通過修改或優化區塊鏈的共識網絡，來提高網絡的出塊效率，從而加快區塊確認時間，達到交易快速上鏈的目的；也有針對Layer-2的技術方案，在保持Layer-1功能足夠簡單且強大穩定的前提下，把一些原本在Layer-1上的一些計算和操作，放在鏈下去做，然后通過密碼學的技術來保證這些鏈下操作的準確性。

但從長遠角度來看，基于Layer-2的擴容技術方案將更適合區塊鏈的健康發展

因為區塊鏈的基礎架構已經比較清晰，穩定且易于維護，基于此強加復雜邏輯，就有可能使Layer-1變得越來越脆弱。所以，區塊鏈的結構發展方向應該是Layer-1盡量保持不動，除非有重大變故，比如密碼學技術的突破，導致底層使用的密碼學原語的修改。其他的復雜邏輯及創新應用放在Layer-2去做，Layer-1和Layer-2相輔相成。

Solana生態開發平臺Ironforge完成260萬美元Pre-Seed輪融資:6月13日消息，無服務器Solana生態開發平臺Ironforge宣布完成260萬美元Pre-Seed輪融資，Reciprocal Ventures領投，Hash3、6thMan Ventures、Alchemy、Monoceros Ventures和Portage Ventures參投。

Ironforge為Solana開發人員提供了一系列功能，比如索引帳戶數據的低成本檢索、RPC智能路由和故障轉移、自動解析、開發者自定義緩存控件等功能。[2023/6/13 21:34:26]

研究者也逐漸發現了這一點，因此，基于Layer-2的擴容技術方案層出不窮。然而，理想很豐滿，現實很骨感。當理論需要實踐的時候，開發人員才發現要想達到預期，有太多的地方需要權衡利弊，對于不同的應用場景，可能也要做出不同的妥協。

迄今為止，Layer-2擴容方案里，被討論的最多的有zkRollup、OptimisticRollup、Validium和Plasma。在此借用StarkWare里AvihuLevy的一張圖來區分它們：

這四個方案的特點如下：

zkRollup：由以太坊的研究員提出，特點是所有計算過程由鏈下計算，鏈上存儲，參與計算的明文數據通過calldata的形式發送到鏈上合約，降低存儲成本，同時，鏈下計算的正確性由零知識證明算法保證；由此也能看出，此方案確實能大幅提高TPS，也能降低單次交易的費用。

知情人士：推特正召回部分解聘員工，此前被“錯誤解雇”:11月7日消息，據知情人士報道，推特現在正聯系數十名解聘員工，并要求他們重返工作崗位。知情人士表示，其中一部分被要求返崗的員工是被“錯誤解雇”的，其工作經驗可能符合馬斯克設想的新功能需求，但此前卻遭解雇。（彭博社）[2022/11/7 12:26:24]

OptimisticRollup：從圖上可以看出，OptimisticRollup和zkRollup位于同一行，也就說明它們的共同點是：明文數據通過calldata的形式發送到鏈上合約；不同之處是OptimisticRollup采用交互式錯誤證明來確保鏈下計算的準確性，如果被識別出故意作惡，那將會收到懲罰；相比于zkRollup，OptimisticRollup的安全性假設弱一些。

Validium：此方案由StarkWare提出，獲得V神的認可，得此命名。特點是計算過程在鏈下完成，由零知識證明算法保證計算的正確性，鏈上完成驗證并存儲最終得世界狀態；還有一點需要注意得是，為了獲得更好的可擴展性，此方案把交易數據也存儲在鏈下，同時由可信的“數據可用性”委員會提供數據可用性的證明，相比前兩個方案，這個方案損失了一定的數據可用性，但是確實提供了更好的數據可擴展性；因此，在實際的應用場景中，此方案可能會得到更多的青睞。

CZ：如果馬斯克邀請愿意加入推特董事會:金色財經報道，Binance CEO CZ表示，如果收到馬斯克的邀請，他愿意加入Twitter的董事會。幣安計劃“在將社交媒體和web3結合起來發揮作用，以擴大加密和區塊鏈技術的使用和采用。[2022/11/2 12:10:44]

Plasma：由V神提出，相比于其他三個方案，這個方案被提出的時間最早。方案特點比較顯著，鏈下計算，鏈上存儲，交易數據也存到鏈下，簡單粗暴，用戶可以發起錯誤型證明來證明執行者的作惡行為，由此獲得獎勵，懲罰作惡的執行者。

?雖然現在已經有了以上方案，但由于還沒有真正在Layer-2上跑起來的應用，所以孰優孰劣也很難下定論。目前在以太坊上最活躍的應用概念是Defi，其中又以DEX占用的網絡資源最多，Layer-2的提出將明顯給DEX發展帶來更大空間。下面可以從一個具體案例來看Layer-2的落地。

?目前市場上很熱的ZKSwap算是探索者之一，ZKSwap提出的Layer-2擴容方案叫ZKSpeed(APraticalandScalableZk-rollupSolution一個實用并且可拓展的zk-rollup協議)。

下面通過一張圖來展示ZKSwap設計的方案和上述方案的關系：

Valkyrie失去最新一輪融資中最大投資方支持:10月20日消息，在宣布已完成1115萬美元融資的幾個月后，加密資產管理公司Valkyrie Investments表示本輪融資的最大投資方CSA Evolution VC Fund將不再提供500萬美元的支持，他們目前正在尋找其他投資者介入。一位Valkyrie公司發言人稱，該公司正在與一些感興趣的潛在投資者進行高級談判，并“希望在未來幾周內有積極的消息”。[2022/10/20 16:31:24]

從圖上可以看到，ZKSwap的第一版擴容方案ZKSpeed基礎架構結合了ZK-rollup和Validium和Plasma方案特點，在此基礎上又通過聚合證明、GPU優化、證明電路優化三個方案，大幅提升了整個網絡的吞吐能力。

在做詳細介紹之前，需要說明一下為何采用了交易數據鏈下存儲的方案。事實上，ZKSwap的初衷是完全按照zkRollup的方案來實現，因此它不僅能提降低交易成本，同時也保證了鏈上數據可用性，有了這個，用戶隨時可以提供默克爾樹的有效性證明，從鏈上提取屬于自己的錢。遺憾的是，經過真實的測試，在這種方案下，上鏈的成本仍然很昂貴，每一筆layer2交易的GasLimit為6000?左右,作為對比Layer1上面以太坊的GasLimit為21000,普通ERC20的轉賬交易的GasLimit為50000左右。這離Layer-2的擴容目標高吞吐，低Gas相差甚遠；具有很快的上鏈速度，但是交易成本很高，相信也會降低用戶主動做交易的意愿；因此，如果Layer2的平均每一筆交易成本太高，Layer2主打的高TPS也很難實現。因此，要想把Layer-2的擴容方案用于真實場景，首先需要Layer2資金的絕對安全性;第二需要Layer2的TPS夠快第三?需要Layer2的每一筆交易的Gas成本只有主網交易成本的5%，或者2%。

FCA首席執行官：英國政府將與美國在制定加密貨幣監管框架上合作:7月15日消息，英國金融行為監管局（FCA）首席執行官Nikhil Rathi在演講中表示，美國和英國將在加密貨幣監管方面加深聯系。此外，英國政府已與美國和新加坡協調成立了一個國際證券組織工作組，旨在解決DeFi和加密市場風險。[2022/7/15 2:15:38]

ZKSpeed方案中，對鏈下數據處理分為2部分，所有和Layer1交易相關的數據都會實時上鏈，保證資金的覺得安全性，并實時生成零知識證明和驗證證明，但是對于僅僅和Layer2相關的交易采用分布式存儲的方案，實時披露原始交易數據，并把數據摘要實時上鏈，目前數據摘要由Layer2運營方自己發布，并且任何人可以實時驗證該摘要的準確性，長期來看，數據摘要的計算和發布可以通過分布式的形式進行，并引入社區驗證。ZKSpeed方案對鏈下數據進行了分類，大幅度提高了數據的可拓展性，關于數據可用性這個方面，ZKSpeed方案的可拓展性長期來看優于所有交易都上鏈的OptimisticRollup方案，長期來看，受制于以太坊的layer1的每個BlockGasLimit的限制，如果所有數據都上鏈存儲，那么在Layer2系統的可拓展性方面存在明顯的天花板，考慮到巨大的上鏈Gas成本，這樣的Layer2系統在實際應用中，其TPS很難到20以上，其實用性會大大降低。

??ZKSpeed擴容協議通過對鏈下數據進行分類，實現了數據可用性和數據可拓展性的權衡。數據可用性的問題得到解決，那么下一步的目標就是提高零知識證明系統的可用性和處理速度。ZKSpeed方案基于零知識證明算法，保證一個區塊內的所有交易導致的世界狀態的變化是正確的，多筆交易一次性處理，實現系統性能的第一次提升，帶來了較高的TPS。但是，這種解決方案帶來的提升效果只能說是勉強可以接受，ZKSwap團隊不滿于此，堅持尋找新的技術方案來實現更高的系統容量和更低的交易成本；經過不屑努力，終于找到了一個新的解決方案，即聚合證明(AggregativeProof)。

?AggregativeProof聚合證明

?聚合證明的邏輯其實很簡單。大家知道，基礎的Layer-2擴容方案里，一個區塊對應一個有效性的證明，鏈上合約驗證證明的有效性。現在以太坊的出塊平均速度是15s一個區塊，如果鏈上一次能驗證多個區塊的有效性，那么平攤在每個交易上的成本將大幅減少。基于這個思考，ZKSwap采用了一種聚合證明方案。所謂的聚合證明方案就是，現在是一個區塊一個證明，把一段時間內，或者是固定數量的區塊產生的多個證明，再用零知識證明的方式去證明這些區塊的證明是有效的。這樣鏈上只需要一次驗證，就可以實現多個區塊證明的有效性驗證。

?經過實際測試，ZKSwap在采用了聚合證明方案后，單筆交易的費用降低到了1000，該成本是以太坊主網ERC20轉賬成本的1/50(以太坊主網轉賬的GasLimit大概是50000左右)，這個結果足夠讓人驚喜。試想一下，如果能在主網的出塊時間間隔內，能生成更多的零知識證明，那么整個系統的TPS將會得到大幅改善，為此，ZKSwap同樣做出了大量的努力，實現了GPU版的PLONK算法，相比于CPU版本的PLONK算法，計算速度提升3倍有余，同時，ZKSwap通過大規模高性能機器，專門用于零知識證明的生成，對于規模為2^28次冪的超大型電路，生成一個證明不到2分鐘。但同時，受算法采用的橢圓曲線參數限制，每個區塊里可證明的最多交易數量和可證明的證明數量存在上限，導致系統的的性能上限收到了限制。雖然有此約束，但ZKSwap最終的實測TPS仍然遠超過了現有的其他產品，目前在最新的壓力測試中，采用ZKSpeed方案的ZKSwap項目的TPS可以到100以上。

ZKSpeed已經把目光放在了不需要可信設置的遞歸SNARK上，相比于聚合證明，遞歸SNARK將不需要可信設置，并且一次性可驗證的區塊數量將不受限制，僅取決于出塊的速度和生成證明的速度。

?系統實測結果

?以下列舉出幾個常用的交易類型對應的費用，詳細見表格：

由于Deposit和Withdraw操作涉及到與Layer-1的交互，因此交易成本相對于Layer2轉賬和Swap交易操作較多。不過，無論是哪一種交易類型，其每筆交易的成本已經領先于行業內的其他產品，基于ZKSpeed方案的ZKSwap已經實現了資金安全性和高TPS以及低Gas成本的全面權衡，并且具備很大的實用價值，在Layer2的實際應用中，具備很大的技術優勢。

展望

ZKSpeedLayer2擴容方案是一個兼具實用和工程優化的zk-rollup方案，通過零知識證明的聚合證明，Plonk算法的并行處理，以及對鏈下數據的分類處理，大大提高了Layer2系統的TPS,并大幅降低了Layer2交易的Gas成本。相比其他的Layer2方案，ZKSpeed方案在實用性方面取得了更大的突破，并將率先支持DeFi的應用在Layer2大規模部署，關于ZKSpeed的方案細節，敬請關注即將發布的技術白皮書和系統示例

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