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

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。

Compound Labs創始人投票支持在BNB Chain上部署Uniswap V3:2月6日消息，擁有576萬UNI投票權的Compound Labs創始人Robert Leshner投票支持在BNBChain上部署Uniswap V3，目前該提案贊成票占比達58.45%。但總投票數仍未達提案成立所需閾值4000萬UNI。[2023/2/6 11:49:39]

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。

小摩分析師：FTX暴雷將產生更多連鎖反應，比特幣價格或再跌25%:金色財經報道，摩根大通預計，FTX暴雷所引發的連鎖反應或導致比特幣價格再跌25%至13000美元左右。摩根大通分析師Nikolaos Panigirtzoglou表示，動蕩的加密貨幣行業正面臨一連串 margin call，這將對比特幣價格產生重大影響。Panigirtzoglou認為，目前加密行業的問題不在于FTX宣布破產，而是沒有多少組織能夠提供幫助。由Alameda Research和FTX倒閉引發了的新一輪加密貨幣去杠桿化，那些能夠拯救低資本和高杠桿、資產負債表強大的是實體公司數量正在加密貨幣生態系統中減少。[2022/11/14 13:03:32]

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。

Helium正建設移動網絡，計劃為Solana手機用戶提供免費試用:金色財經報道，Helium Network母公司Nova Labs表示，它將為Solana Labs新Saga手機的客戶提供SIM卡和免費試用。兩家公司拒絕透露該計劃的財務細節，此前Helium Network社區成員于9月投票決定放棄自己的區塊鏈并遷移到更大的Solana區塊鏈。

根據協議，在美國銷售的Saga手機將獲得Helium Mobile的30天免費訂閱。Saga手機是Solana的旗艦Android設備，與Solana區塊鏈緊密集成。[2022/11/6 12:21:24]

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)。

穆迪：預計美聯儲將在年底前將聯邦基金利率上調至3.50%-3.75%:8月2日消息，著名債券評級公司穆迪表示，預計美聯儲將在即將召開的幾次FOMC會議上繼續前置加息，預計美聯儲將在年底前將聯邦基金利率上調至3.50%-3.75%，并在2023年3月前將利率上調至4.0%以上。(金十)[2022/8/2 2:51:52]

下面通過一張圖來展示ZKSwap設計的方案和上述方案的關系：

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%。

Loeb&Loeb律所：Voyager客戶有可能成為無擔保債權的債權人:金色財經報道，Voyager Digital宣布申請破產后，紐約 Loeb & Loeb 律師事務所合伙人 Daniel Besikof 表示，Voyager Digital客戶有可能成為無擔保債權的債權人，因為用戶協議是考慮如何持有資產的方式，以及公司實際持有或使用這些資產的方式是確定這些資產在破產中可能如何處理的關鍵點，但根據 Voyager 用戶協議中，他們可以將客戶的存款借給了少數借款人，其中最大的是三箭資本（Three Arrows Capital），而大多數客戶可能沒有意識到他們簽署的協議有比簡單投資加密貨幣資產更高的風險，因為 Voyager 可以將客戶資產被借給可能沒有進行承保的人。（Blockworks）[2022/7/15 2:14:11]

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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