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

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。

美聯儲5月加息25個基點的概率為83.9%:金色財經報道，據CME“美聯儲觀察”：美聯儲5月維持利率不變的概率為16.1%，加息25個基點的概率為83.9%；到6月維持利率在當前水平的概率為11%，累計加息25個基點的概率為62.2%，累計加息50個基點的概率為26.8%。[2023/4/28 14:32:08]

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。

Sui World：FTX曾經領投Sui Token的平均成本約0.114美元:金色財經報道，據Sui World發文稱，近日，根據相關法庭文件披露，MystenLabs3月22日與FTX債務人達成協議，將以9630萬美元的現金回購FTX對MystenLabs的股權投資和SUI代幣權證。FTX在去年Mysten Labs的B輪融資中總共投資1.02億美元，獲得約57萬股優先股和約8.9億枚SuiToken的代幣認購權證。作為領投方的FTX投資Sui Token的平均成本是非常低的，約0.114美元。

FTX領投Sui超過1億美元的一個重要條件，就是旗下做市商Alameda和FTX Trading幾乎免費拿到5.19億枚Sui Token用于在FTX.com平臺上做市。隨著FTX在Sui啟動之前就崩潰了，這個代幣權證的協議也不存在了。其他部分B輪投資者的Sui Token籌碼成本約為0.28-0.31美元。[2023/3/29 13:32:26]

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。

UniSwap過去一個月在Arbitrum生態吸引了超過11億美元的交易額:金色財經報道，據鏈上分析師@DeFi_Mochi數據顯示，UniSwap過去一個月在Arbitrum吸引了超過11億美元的交易額，在整個Arbitrum生態中占比接近78%，占有絕對市場優勢。此外，SushiSwap的交易額約為2億美元，占比大約為13%。在用戶數量方面，SushiSwap過去一個月在Arbitrum生態DEX日均用戶量占比約為32%，UniSwap這一指標數據則高達44.9%，占據“統治地位”，而令人些許意外的是Balancer，其日均用戶量占比接近20%。此外，在過去的六個月里，Balancer、UniSwap、SushiSwap和Curve Finance四個DEX協議在Arbitrum生態中的總交易額約達到23.2億美元。[2023/1/9 11:02:44]

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。

FTX創始人SBF：現在在巴哈馬群島:11月12日消息，FTX創始人SBF表示，現在在巴哈馬群島，否認了推特上關于他飛往南美的猜測。[2022/11/13 12:56:37]

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：

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。

Visa推出足球主題系列NFT Visa Masters of Movement:11月1日消息，FIFA 官方支付合作伙伴 Visa 宣布聯合 Crypto.com 推出足球主題Visa Masters of Movement系列 NFT。據悉，該系列 NFT 將在 Crypto.com 以拍賣形式發售，以 Jared Borgetti、Tim Cahill、Carli Lloyd、Michael Owen 和 Maxi Rodriguez 共 5 位球員的經典瞬間作為創作靈感，拍賣所獲金額將全數捐贈給英國慈善組織 Street Child United。[2022/11/1 12:05:33]

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%。

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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