GAS:簡析Layer2系統的安全性和效率取舍

前言：

感謝MatterLabs提出關于部分L1數據鏈上可用性的問題，我們一直以來都非常重視社區的聲音，并會根據社區的需求修改方案。因此，我們想借著這次機會向大家分享ZKSwap開發團隊辛勤工作所交付的產品背后的一些思考。

經過非常謹慎細致的思考之后，為了TPS和Gasfee的效率，我們決定將ZKSwap的L2轉賬放在鏈下。在ZKSwap的設計中，L1相關的數據在鏈上，L2相關的數據，比如轉賬和交易，存在鏈下。盡管存在鏈下，這部分數據也會被驗證者實時公布。

例如，L2區塊7831：https://api.zkswap.info/block/7831/pub-data

三種轉賬類型

ZK-Rollup協議中，一個區塊可以包括三種類型的轉賬：

馬斯克稱推特將限制用戶可閱讀的推文數量:金色財經報道，馬斯克當地時間7月1日表示，為了阻止“極端水平”的數據抓取和系統操縱，推特正在限制用戶可閱讀的推文數量：已驗證的賬戶限制在每天閱讀6000條推文，未驗證的賬戶限制在每天600條推文，未驗證的新賬戶限制在每天300條推文。隨后，馬斯克又提高了可瀏覽推文量：三種形式的賬戶分別可瀏覽1萬條、1000條和500條推文。[2023/7/2 22:12:45]

類型1：來自L1的存款和創建AMM交易對的轉賬；

類型2：L2發起且只能被L1驗證的轉賬。比如，公鑰轉賬將需要L1簽名來確保L1賬戶的密鑰所有者能將他們的賬戶與L2賬戶關聯起來，因為電路不能檢查確認L1的簽名；

類型3：由L2簽名驗證而無法被L1驗證的轉賬。

ZKSwap安全模型

數字貨幣板塊異動拉升 恒寶股份午后漲停:金色財經報道，午后數字貨幣板塊異動走強，恒寶股份午后漲停，帶動雄帝科技、高偉達、楚天龍等快速沖高。[2023/2/16 12:10:30]

一個區塊內記錄的L2轉賬在L1上只有部分記錄。只有區塊信息的總結會被記錄在L1鏈上，例如區塊哈希、新默克爾根、區塊高度等等。

當一個區塊的轉賬被提交到L1上，區塊就被創建出來，區塊哈希會被驗證。由于以太坊內建了sha256算法，所以區塊哈希通常也使用sha256進行計算。

為了保持數據可用性，所有的轉賬數據都應該被提交到L1上，這被稱為“公開數據”。一筆轉賬的公開數據與其在L2上的轉賬并不完全相同。系統在進入“退出模式”時將使用公開數據，這樣任何人都能恢復最近的經過驗證的默克爾樹。

電路

比特幣礦企Marathon Digital 5月比特幣產量較預期數量降低47%:6月10日消息，比特幣礦企Marathon Digital 5月比特幣產量較基于其4月算力的預期數量降低47%，其位于西德克薩斯州的礦場仍未開始供電。Marathon表示該公司自2020年10月以來從未出售比特幣，截至2022年6月1日，Marathon共持有9941枚比特幣，價值約3億美元。（Coindesk）[2022/6/10 23:05:45]

L2的電路與L1的智能合約能夠協同工作，確保ZK-Rollup協議的功能性。L2的電路保證了以下幾點：L2轉賬簽名正確、L1/L2轉賬執行正確、區塊信息計算正確、及時有效地更新賬戶信息——包括默克爾根、賬戶默克爾樹和費用信息等等。

雙驗證模式

驗證模塊對與安全性來說十分重要，是ZK-Rollup協議的基礎。

可口可樂已面向中國市場推出元宇宙概念限定產品“律動方塊”:5月26日消息，可口可樂全球創意平臺“樂創無界”(Coca-ColaCreations)在中國市場推出了第二款限定產品--以元宇宙概念為靈感的可口可樂“律動方塊”。其中，“律動方塊”摩登罐產品已于京東開售，并將在6.18 購物節期間登陸天貓、抖音等電商平臺限量發售。

據介紹，為了打造更加豐富的沉浸式體驗，可口可樂同步推出了AR(增強現實)游戲。消費者通過可口可樂“律動方塊”罐身掃碼，即可開啟元宇宙 AR 游戲體驗。

此前4月初，可口可樂在美國及部分拉丁美洲國家推出基于元宇宙題材設計的可樂新款產品“零糖字節”（Coca-Cola Zero Sugar Byte）。（三言財經）[2022/5/26 3:42:34]

公開數據驗證——驗證第一類和第二類轉賬的內容和次序。例如，驗證存款需要確保存款數額和信息與L1上記錄的相同，并且順序無誤。

區塊驗證——驗證一個區塊里的轉賬被正確執行，并且L2的賬戶默克爾樹根被及時恰當地通過零知識證明進行更新。當一個區塊被驗證之后，更新的默克爾根就取得了最終性。

總結來說，整體的安全假設如下：

·一個區塊的所有轉賬公開數據在鏈上；

·驗證一個區塊中第一類和第二類轉賬被正確執行；

·證明一個區塊內的所有轉賬被正確執行、賬戶默克爾樹被正確更新、一個區塊內的所有轉賬的公開數據能夠匹配；

·證明該區塊內所有公開數據都被正確計算；

·提交給L1的區塊公開數據與零知識證明系統所證明的數據相同。

公開數據不上鏈時會發生什么？

如果公開數據不在鏈上，安全假設“提交給L1的區塊公開數據與零知識證明系統所證明的數據相同”就不能被驗證。這時候，當L2的零知識證明系統陣營所有轉賬都被正確執行、默克爾樹都被正確更新時，只能說明一個區塊內的轉賬有效，而不能證明來自特定區塊的其他轉賬。

大多數第三類轉賬都是安全的，但是對于提現操作來說，提現的收款人未經驗證，不能被零知識證明系統證明。

對于第一類轉賬來說，所有可能的第一類轉賬都能被證明，但不能被驗證。類如，零知識證明系統能證明一些非L1發起的存款轉賬。

由于只有驗證著能提交公開數據或者區塊證明，所以社區必須信任驗證者是誠實的。當驗證者誠實時，以上所有的風險都不會存在。對ZKSwap來說，所有公開數據都在瀏覽器中同步公布，任何人都可以驗證公開數據和任何鏈上區塊。

將公開數據存在鏈下不是一個草率的決定。這個選擇背后的主要原因是降低Gas費和提高可擴展性。

Gas費用

保持ZK-Rollup協議運行的一個痛點是Gas。為了向L1提交一個區塊，需要消耗以下GasLimit）：

一個區塊中，最多可以包括120筆交易轉賬。

如果要在L1提交驗證一個區塊，需要消耗大約23萬GasLimit，calldata費用約占31%。

可擴展性

可擴展性是另一個考慮因素。假設一筆L2轉賬消耗1850.7Gas，那么ZKSwap將消耗10%的以太坊Gas，整體TPS將在51.5。

這是在只有交易、沒有提現的情況，所以正常使用中將消耗更多Gas，TPS會更低。

結論

保護用戶資金安全對所有區塊鏈項目來說都很重要，也是ZKSwap的核心價值。當轉賬的公開數據沒有提交上鏈時，安全性就依賴于零知識證明電路。當驗證者誠實時，用戶的資產就是安全的。從技術角度來說，如果驗證者不誠實，安全性將會是一個問題。這是降低Gas、提高TPS的一個權衡。

考慮到Gas消耗和可擴展性，ZKSwap做了一個艱難的決定，將公開數據不上鏈，換來對L2用戶更高的TPS和更低的Gas消耗。

我們愿意傾聽開發者和用戶的反饋，讓ZKSwap系統更好。我們也可以在任何時間將所有數據上鏈。事實上，在發布ZKSwap之前，我們已經實現了100%數據可用的版本，所以我們可用隨時升級至這個100%ZK-Rollup的版本，提供更高的Gas消耗、更低的TPS，但是更安全。

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