從技術視角剖析4個Layer2 DEX : ZKSwap/StarkNet/Unipig/Loopring

近期以太坊上的高手續費和低TPS使以太坊上的Layer2擴容之爭變成了焦點。ZKSwap團隊推出的Layer2擴容方案Zkspeed相比于市場上其他擴容方案有著技術上的領先優勢，由此帶來產品上更為良好的體驗。

本篇文章將以市場上既有的產品為基礎，從技術方案角度出發，比較當下ZKSwap方案和其他擴容方案的異同之處。在具體的展開描述之前，也將簡短的介紹下目前市場上的Layer2擴容技術的基本狀況。?

Layer2擴容技術概述

迄今為止，Layer2市場上已經是一片繁榮，技術上不斷創新，各種產品也層出不窮。對于市場上的所有的產品，從技術角度上劃分，可以大體分為三類：

1.狀態通道：通過促進鏈下交易來減輕以太坊的負擔，具有即時存取、高吞吐的特點，其弊端是設置通道浪費耗時，并且需要在通道中支付鎖定資金，同時定時監測通道狀態；

2.側鏈技術：具有獨立共識規則的獨立區塊鏈，與Layer1的共識不同步，這是它的弊端；

3.rollup技術：可以看作是一個高級的非托管側鏈技術，它將計算放在鏈下，交易數據以及最新世界狀態放在鏈上，保證了鏈上數據可用性。

Circle為企業提供新的可編程Web3錢包:金色財經報道，USDC穩定幣發行商Circle周二發布一個新的可編程web3錢包平臺，該公司表示，該平臺可以幫助企業向客戶提供數字資產支付。

根據一份新聞稿，開發者和商家可以將Circle所謂的可編程錢包集成并個性化到他們的應用程序中，并在其上構建服務，讓消費者發送、接收和存儲加密貨幣，包括Circle的USDC和NFT。

Circle表示，該服務在以太坊、Avalanche和Polygon網絡上提供公開測試版，供開發人員使用，并計劃在今年晚些時候擴展到其他區塊鏈。[2023/8/8 21:32:35]

與其他的兩種方案相比，rollup無需提前鎖定代幣，也不用設置自己的共識規則；而且它還可以保持和Layer1同樣等級的安全性，同時方案本身具有通用性。隨著Layer2技術的持續發展，rollup技術方案也變得多樣化，根據交易數據存儲的位置和使用的證明方法的不同，又可以將rollup技術細分為以下四類：

1.ZK-Rollup：Layer1+Validityproofs，數據存儲在鏈上，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性；

以太坊基金會開放 Fellowship 計劃第四批申請:6月1日消息，以太坊基金會宣布第四批以太坊協議獎學金（EPF）申請正式開放，用戶可在 6 月 16 日前提交申請，該計劃為研究員提供為期四個月的獎學金，以推進以太坊技術，包括從開發客戶端實現、測試和規范，到參與最新的核心協議研究。第四批 EPF 從 2023 年 7 月持續到 2023 年 11 月，最后在伊斯坦布爾的 Devconnect 舉行現場活動。

EPF 是一項旨在通過為協議貢獻者提供途徑以獲得做出有意義的貢獻來支持以太坊核心協議開發的倡議。該計劃專為對以太坊、其社區和去中心化技術的的開發人員和研究人員量身定制。[2023/6/1 11:52:57]

2.Optimisticrollup：Layer1+Fraudproofs，數據存儲在鏈上，在挑戰期間，用欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；

3.Validium：Layer2+Validityproofs，數據存在鏈下，用零知識證明來保證狀態轉換的有效性，并設立“數據可用性委員會”來保證鏈下數據的可用性；

4.Plasma：Layer2+Fraudproofs，數據存儲在鏈下，用戶提供欺詐證明來驗證狀態轉換的有效性；

OnchainTradeDiscord服務器已被攻擊，請勿點擊任何鏈接:金色財經消息，據CertiK監測，OnChainTrade項目Discord服務器已被入侵。在團隊重獲其服務器的控制權之前，請勿點擊任何鏈接。[2023/5/15 15:03:19]

在實際的產品設計過程中，基于不同的業務場景，設計者往往需要在效率和安全性上做出權衡，要效率還是要絕對安全，每個產品設計時都有自己的側重面。因此，也就有了上述的四種rollup方案。現在市面上的大部分產品，按技術分類的話，應該大都屬于上述四類，更準確的說，是屬于前三類，第四類方案提出的最早，安全性考慮的較少。?

所以，ZKSwap團隊推出的Layer2擴容方案Zkspeed同樣也屬于上述范疇。然而，作為Layer2賽道上的一個新星，Zkspeed方案與其他主流產品推出的Layer2方案相比會有什么樣的技術優勢呢？產品體驗又有何異同呢？接下來，我們將選取市場上具有代表性的幾個產品，從技術方案和實際體驗效果上做一些簡單的對比分析，來看看Zkspeed擴容方案是否優勝同時產品體驗是否更好。

Layer2技術對比分析

zkSync2.0測試網已完成Regenesis更新:金色財經報道，zkSync宣布zkSync2.0測試網已完成Regenesis更新，該更新為Fair Onboarding Alpha做準備。Fair Onboarding Alpha里程碑允許開發者在封閉環境中測試其代碼，新的費用模型可以確保交易和區塊擴容考慮系統整體成本，改善證明生成性能并修復所有審計發現。

Regenesis重置交易歷史記錄與代幣余額，并要求團隊重新部署合約，同時引入賬戶抽象、SDK與Layer1合約等新功能。[2023/2/9 11:56:54]

根據我們的市場調研，我們選取了三個市場上具有代表性和前沿性的的產品，分別是StarkWare的starkNet、Uniswap的unipig、Loopring的loopring。首先，我們先從技術方案的角度，來看一下Zkspeed和starkNet、Unipig、Loopring的區別，具體的如下表所示：

表1.Layer2擴容方案分析表

圖片說明：crs對應需要多次可信設置的zkp算法；srs對應只需要一次可信設置的zkp算法?

數據：31,946枚ETH從未知錢包轉移到Coinbase:金色財經報道，據Whale Alert監測數據顯示，北京時間2022年12月23日18時24分，31,946枚ETH(價值約39,022,268美元)從未知錢包轉移到Coinbase。[2022/12/23 22:04:02]

根據上述表格可以看出：

-?Loopring：

使用的Layer2擴容方案是基于zkRollup方案設計的，同時也支持Validium方案，即鏈上數據可用性是可以選擇的。該方案使用的零知識證明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信設置。

優點是：這種算法的proof大小是常量大小的；

缺點是：可信設置是不通用的，針對不同的交易類型，都需要單獨進行可信設置。因此，為了提高證明傲率，每個區塊里的交易類型要求為同一交易類型，導致了如果某種類型的交易較少，那它上鏈的速度就會很慢，因為要等待足夠的交易才打包區塊。不過，在Loopring發布的協議3.6版本里可以看到，已經取消了了區塊里是相同類型的交易的限制，相信會有更好的交易體驗。

-?StarkWare：

StarkWare團隊研發的Layer2擴容引擎starkEx，支持Validium方案和zkRollup方案兩種模式可選。狀態更新的有效性由零知識證明來保證，其用到的零知識證明算法是zkstark算法，

優點是：與常用的zksnark算法不同，zkstark算法不需要第三方的可信設置，而且其算法本身不依賴數學難題假設，具有一定的抗量子性；

缺點是：proof的大小比其他的zkp算法要大的多，生成證明需要消耗大量的計算資源和存儲空間。同時，StarkWare團隊研發的Layer2擴容解決方案值得期待，一種以太坊上的基于STARK的去中心化無許可L2ZK-Rollup產品，并且支持基于Cairo語言的通用計算；具體內容可參考鏈接starkNet。?

-?Uniswap：

使用的Unipig擴容方案是基于Optimisticrollup設計的，如前圖所示，改方案存在挑戰期，即在挑戰期間，用戶可以提供欺詐證明來驗證執行者的行為是否作惡。

優點是：該方案兼容EVM，并且交易數據存在鏈上，保證了安全性；

缺點是：由于存在潛在的欺詐性證明，鏈上事務處理的時機會延緩；挑戰成本昂貴，導致挑戰模式基本上算是形同虛設。

-?ZKSwap：推出的Zkspeed擴容方案兼顧了ZK-Rollup、Validium和Optimisticrollup方案的特點。即實現所有與Layer1交互的交易數據全部上鏈，把單純Layer2的交易數據存放在鏈下(Validium)，交易hash數據上鏈，同時ZKSpeed?也會提供一個完全上鏈的版本，這樣可以實現更高的安全性，并提供零知識證明保證狀態轉換的有效性。

ZKSwap采用自己研發的Zkspeed與其他三個擴容方案的差異：

1.Zkspeed方案采用PLONK零知識證明算法，所有交易類型共用一套可信設置，如此就無需按照交易類型進行區塊打包；

2.Zkspeed方案采用了GPU實現版的PLONK算法，相比于普通的CPU實現版本運行速度上提升了3倍以上，再加上頂尖的硬件設備，使得證明的生成時間大大縮短，大幅提高了系統的吞吐量；

3.ZKSwap團隊經過反復研究論證，在Zkspeed方案上探索性的采用了聚合證明方案，并首先應用到AMM?的DEX?領域，把多個區塊的證明聚合成一個證明，使得鏈上一次就可以完成多個區塊的驗證，大大的降低了交易的平均成本。?

聚合證明的技術原理如下圖所示：

?圖2.Aggregation方案

在rollup方案里，一個很明顯的技術特點就是交易的批量處理，即對區塊里的所有交易的有效性產生一個證明，然后鏈上主合約完成證明的有效性驗證。如圖2左側所示，這和原始的單個交易處理力度相比，已經有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而，ZKSwap團隊發現，受限于零知識證明算法橢圓曲線參數的選取，一個區塊內能批量處理的交易數量是有限的，再加上鏈上一次驗證計算的成本高達50WGas，導致每筆交易的成本并沒有低到預期。因此，ZKSwap技術團隊持續進行技術應用創新的突破，并最終關注到了聚合證明方案。

如上圖右側所示，聚合證明的思想很簡單，可簡單表述為：把每個區塊的proof當作輸入，把鏈上驗證的過程當作證明電路，證明鏈上的驗證過程是正確的，由于驗證的形式就是一個雙線性配對，因此，多個proof可以進行線性組合，然后利用一次雙線性配對完成所有proof的有效性驗證。這樣一來，多個證明的驗證過程由多次變成1次，驗證成本大幅降低，成本降低的幅度取決于區塊聚合度，目前Zkspeed方案支持聚合上鏈的交易筆數可根據實際情況進行調配，20、10、5筆均支持。同時，為了探索進一步降低交易成本的可能性，ZKSwap團隊追求精益求精，繼續對上鏈數據進行聚合提交，即，多個區塊一次提交，節省了一些固定成本，進一步壓縮交易成本，最終實現一筆交易的成本消耗最低至1400Gas，遠低于行業其他產品。?

展望

遺憾的是，目前ZKSwap的方案還不兼容EVM，ZKSwap團隊的愿景是構建一個支持通用EVM的rollup擴容解決方案，使得其他應用無需重新編寫智能合約就能實現快速遷移，目前ZKSwap團隊已經投入研究，并取得了一些進展。除此之外，starkWare和MatterLabs分別開發了starkNet和zinc的Layer2擴容解決方案，需要用對應新設計的DSL語言來編寫證明邏輯，雖然此方案不算完美，但也算是一個階段性的研發成果。未來ZKSwap團隊愿和其他團隊一起，共同致力于以太坊的Layer2擴容建設。

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