近期以太坊上的高手续费和低TPS使以太坊上的Layer2扩容之争变成了焦点。本篇文章将以市场上既有的产品为基础，从技术方案角度出发，比较当下ZKSwap方案和其他扩容方案的异同之处。在具体的展开描述之前，也将简短的介绍下目前市场上的Layer2扩容技术的基本状况。
Layer2扩容技术概述
迄今为止，Layer2市场上已经是一片繁荣，技术上不断创新，各种产品也层出不穷。对于市场上的所有的产品，从技术角度上划分，可以大体分为三类：
状态通道：通过促进链下交易来减轻以太坊的负担，具有即时存取、高吞吐的特点，其弊端是设置通道浪费耗时，并且需要在通道中支付锁定资金，同时定时监测通道状态；
侧链技术：具有独立共识规则的独立区块链，与Layer1的共识不同步，这是它的弊端；
Rollup技术：可以看作是一个高级的非托管侧链技术，它将计算放在链下，交易数据以及最新世界状态放在链上，保证了链上数据可用性。
与其他的两种方案相比，Rollup无需提前锁定代币，也不用设置自己的共识规则；而且它还可以保持和Layer1同样等级的安全性，同时方案本身具有通用性。随着Layer2技术的持续发展，Rollup技术方案也变得多样化，根据交易数据存储的位置和使用的证明方法的不同，又可以将Rollup技术细分为以下四类：
Sui生态社交协议Suia将发行Token SUIA:4月26日消息，Sui 生态社交协议 Suia 宣布将发行 Token SUIA，SUIA 总量 1 亿枚，7% 将分配给社区访问计划并立即解锁；13% 将分配给早期贡献者并分 20 个月线性解锁；20% 将分配给团队并分 40 个月线性解锁；60% 将分配给社区并分 50 个月线性解锁。SUIA 将用于治理以及用户激励。
此前报道，Suia 在 Sui Builder Hero 中获奖，其产品包括去中心化推荐系统、Feed 系统、品牌俱乐部以及个人空间 SuiBox。[2023/4/26 14:28:17]
ZKRollup：Layer1Validityproofs，数据存储在链上，用零知识证明来保证状态转换的有效性；
OptimisticRollup：Layer1Fraudproofs，数据存储在链上，在挑战期间，用欺诈证明来验证状态转换的有效性；
Validium：Layer2Validityproofs，数据存在链下，用零知识证明来保证状态转换的有效性，并设立「数据可用性委员会」来保证链下数据的可用性；
过去一小时支付给比特币矿工的交易手续费创20个月新高:金色财经报道，支付给比特币矿工的交易手续费在过去一小时(7d MA)达到1.434BTC，创20个月新高。昨日，该数值为1.431BTC。[2023/3/24 13:24:44]
Plasma：Layer2Fraudproofs，数据存储在链下，用户提供欺诈证明来验证状态转换的有效性；
在实际的产品设计过程中，基于不同的业务场景，设计者往往需要在效率和安全性上做出权衡，要效率还是要绝对安全，每个产品设计时都有自己的侧重面。因此，也就有了上述的四种Rollup方案。现在市面上的大部分产品，按技术分类的话，应该大都属于上述四类，更准确的说，是属于前三类，第四类方案提出的最早，安全性考虑的较少。
所以，ZKSwap团队推出的Layer2扩容方案Zkspeed同样也属于上述范畴。然而，作为Layer2赛道上的一个新星，Zkspeed方案与其他主流产品推出的Layer2方案相比会有什么样的技术优势呢？产品体验又有何异同呢？接下来，我们将选取市场上具有代表性的几个产品，从技术方案和实际体验效果上做一些简单的对比分析，来看看Zkspeed扩容方案是否优胜同时产品体验是否更好。
V神发文探讨CEX的安全性：希望技术上使交易所接近非托管:11月19日消息，针对FTX事件，V神发文”安全的CEX：偿付能力证明“，探讨使交易所更接近去信任化的尝试历史、这些技术的局限性，以及一些新的、更强大的想法，这些想法依赖于ZK SNARK和其他先进技术。
V神表示，使用ZK-SNARKs可改善隐私和稳健性，将所有用户的存款放入一棵Merkle树中，并使用 ZK-SNARK 来证明树中的所有余额都是非负的，加起来为一些声称的价值。如果我们为隐私添加一层哈希，则提供给每个用户的Merkle分支将不会透露任何其他用户的余额。
对于更进一步，不想仅仅证明交易所有资金来偿还用户，更要防止交易所完全窃取用户的资金。V甚表示，理想的长期解决方案是依靠自我托管，并辅以多重签名和社交恢复钱包等技术，以帮助用户应对紧急情况。在短期内，有两种明确的替代方案：Coinbase等托管交易所、Uniswap等非托管交易所。
最后，V神表示，短期内，交易所分为两个明确的“类别”：托管交易所和非托管交易所。今天，后一类只是DEXes，例如Uniswap，未来我们可能还会看到加密“受限”的CEXes，其中用户资金保存在类似于validium智能合约的东西中。我们也可能会看到半托管交易所，我们用法定货币而不是加密货币来信任它们。
两种类型的交易所都将继续存在，而提高托管交易所安全性的最简单的向后兼容方式是添加储备证明。这包括资产证明和负债证明的组合。为两者制定良好的协议存在技术挑战，但我们可以而且应该尽可能地在两者上取得进展，并尽可能开源软件和流程，以便所有交易所都能受益。
从长远来看，V神希望我们越来越接近于所有交易所都是非托管的，至少在加密方面是这样。钱包恢复将存在，并且可能需要为处理小额交易的新用户以及出于法律原因需要此类安排的机构提供高度中心化的恢复选项，但这可以在钱包层而不是在交易所本身内完成。[2022/11/19 22:06:43]
Layer2技术对比分析
根据我们的市场调研，我们选取了三个市场上具有代表性和前沿性的的产品，分别是StarkWare的StarkNet、Uniswap的unipig、Loopring的loopring。首先，我们先从技术方案的角度，来看一下Zkspeed和starkNet、Unipig、Loopring的区别，具体的如下表所示：
表1.Layer2扩容方案分析表。图片说明：crs对应需要多次可信设置的zkp算法；srs对应只需要一次可信设置的zkp算法
根据上述表格可以看出：
Loopring
使用的Layer2扩容方案是基于ZKRollup方案设计的，同时也支持Validium方案，即链上数据可用性是可以选择的。该方案使用的零知识证明算法是zksnark算法，需要第三方生成可信设置。
优点是：这种算法的proof大小是常量大小的；
缺点是：可信设置是不通用的，针对不同的交易类型，都需要单独进行可信设置。因此，为了提高证明傲率，每个区块里的交易类型要求为同一交易类型，导致了如果某种类型的交易较少，那它上链的速度就会很慢，因为要等待足够的交易才打包区块。不过，在Loopring发布的协议3.6版本里可以看到，已经取消了了区块里是相同类型的交易的限制，相信会有更好的交易体验。
StarkWare
StarkWare团队研发的Layer2扩容引擎starkEx，支持Validium方案和ZKRollup方案两种模式可选。状态更新的有效性由零知识证明来保证，其用到的零知识证明算法是zkstark算法。
优点是：与常用的zksnark算法不同，zkstark算法不需要第三方的可信设置，而且其算法本身不依赖数学难题假设，具有一定的抗量子性；
缺点是：proof的大小比其他的zkp算法要大的多，生成证明需要消耗大量的计算资源和存储空间。同时，StarkWare团队研发的Layer2扩容解决方案值得期待，一种以太坊上的基于STARK的去中心化无许可L2ZK-Rollup产品，并且支持基于Cairo语言的通用计算；具体内容可参考链接starkNet。
Uniswap
使用的Unipig扩容方案是基于OptimisticRollup设计的，如前图所示，改方案存在挑战期，即在挑战期间，用户可以提供欺诈证明来验证执行者的行为是否作恶。
优点是：该方案兼容EVM，并且交易数据存在链上，保证了安全性；
缺点是：由于存在潜在的欺诈性证明，链上事务处理的时机会延缓；挑战成本昂贵，导致挑战模式基本上算是形同虚设。
ZKSwap
推出的Zkspeed扩容方案兼顾了ZKRollup、Validium和OptimisticRollup方案的特点。即实现所有与Layer1交互的交易数据全部上链，把单纯Layer2的交易数据存放在链下(Validium)，交易hash数据上链，同时ZKSpeed也会提供一个完全上链的版本，这样可以实现更高的安全性，并提供零知识证明保证状态转换的有效性。
ZKSwap采用自己研发的Zkspeed与其他三个扩容方案的差异：
Zkspeed方案采用PLONK零知识证明算法，所有交易类型共用一套可信设置，如此就无需按照交易类型进行区块打包；
Zkspeed方案采用了GPU实现版的PLONK算法，相比于普通的CPU实现版本运行速度上提升了3倍以上，再加上顶尖的硬件设备，使得证明的生成时间大大缩短，大幅提高了系统的吞吐量；
ZKSwap团队经过反复研究论证，在Zkspeed方案上探索性的采用了聚合证明方案，并首先应用到AMM的DEX领域，把多个区块的证明聚合成一个证明，使得链上一次就可以完成多个区块的验证，大大的降低了交易的平均成本。
聚合证明的技术原理如下图所示：
图2.Aggregation方案
在Rollup方案里，一个很明显的技术特点就是交易的批量处理，即对区块里的所有交易的有效性产生一个证明，然后链上主合约完成证明的有效性验证。如图2左侧所示，这和原始的单个交易处理力度相比，已经有了巨大的吞吐率的提升和交易成本的降低。然而，ZKSwap团队发现，受限于零知识证明算法椭圆曲线参数的选取，一个区块内能批量处理的交易数量是有限的，再加上链上一次验证计算的成本高达50WGas，导致每笔交易的成本并没有低到预期。因此，ZKSwap技术团队持续进行技术应用创新的突破，并最终关注到了聚合证明方案。
如上图右侧所示，聚合证明的思想很简单，可简单表述为：把每个区块的proof当作输入，把链上验证的过程当作证明电路，证明链上的验证过程是正确的，由于验证的形式就是一个双线性配对，因此，多个proof可以进行线性组合，然后利用一次双线性配对完成所有proof的有效性验证。这样一来，多个证明的验证过程由多次变成1次，验证成本大幅降低，成本降低的幅度取决于区块聚合度，目前Zkspeed方案支持聚合上链的交易笔数可根据实际情况进行调配，20、10、5笔均支持。同时，为了探索进一步降低交易成本的可能性，ZKSwap团队追求精益求精，继续对上链数据进行聚合提交，即，多个区块一次提交，节省了一些固定成本，进一步压缩交易成本，最终实现一笔交易的成本消耗最低至1400Gas，远低于行业其他产品。
展望
遗憾的是，目前ZKSwap的方案还不兼容EVM，ZKSwap团队的愿景是构建一个支持通用EVM的Rollup扩容解决方案，使得其他应用无需重新编写智能合约就能实现快速迁移，目前ZKSwap团队已经投入研究，并取得了一些进展。除此之外，starkWare和MatterLabs分别开发了starkNet和zinc的Layer2扩容解决方案，需要用对应新设计的DSL语言来编写证明逻辑，虽然此方案不算完美，但也算是一个阶段性的研发成果。未来ZKSwap团队愿和其他团队一起，共同致力于以太坊的Layer2扩容建设。
撰文：江小白
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