ZKSwap提出实用ZK-Rollup协议ZKSpeed,可大幅提升Layer2TPS并降低Gas费用

以太坊网络作为区块链世界里最活跃的开发平台，日常的拥堵，越来越高的手续费，让生态中的应用和用户们都苦不堪言。最近以来，单笔转账的平均费用更是高达 24.7 美元。这种糟糕的体验如果得不到改善，将会对以太坊的发展会造成不良的影响。

因此，近些年越来越多的区块链研究者和开发人员致力于底层技术研究，想尽各种技术手段来改善整个网络状态。有针对 Layer-1 的技术方案，例如 ETH 2.0 的分片技术，通过修改或优化区块链的共识网络，来提高网络的出块效率，从而加快区块确认时间，达到交易快速上链的目的；也有针对 Layer-2 的技术方案，在保持 Layer-1 功能足够简单且强大稳定的前提下，把一些原本在 Layer-1 上的一些计算和操作，放在链下去做，然后通过密码学的技术来保证这些链下操作的准确性。

但从长远角度来看，基于 Layer-2 的扩容技术方案将更适合区块链的健康发展。

因为区块链的基础架构已经比较清晰，稳定且易于维护，基于此强加复杂逻辑，就有可能使 Layer-1 变得越来越脆弱。所以，区块链的结构发展方向应该是 Layer-1 尽量保持不动，除非有重大变故，比如密码学技术的突破，导致底层使用的密码学原语的修改。其他的复杂逻辑及创新应用放在 Layer-2 去做，Layer-1 和 Layer-2 相辅相成。

研究者也逐渐发现了这一点，因此，基于 Layer-2 的扩容技术方案层出不穷。然而，理想很丰满，现实很骨感。当理论需要实践的时候，开发人员才发现要想达到预期，有太多的地方需要权衡利弊，对于不同的应用场景，可能也要做出不同的妥协。

迄今为止，Layer-2 扩容方案里，被讨论的最多的有 ZK-Rollup、Optimistic Rollup、Validium 和 Plasma。在此借用 StarkWare 里 Avihu Levy 的一张图来区分它们：

这四个方案的特点如下：

ZK-Rollup：?由以太坊的研究员提出，特点是所有计算过程为链下计算，链上存储，参与计算的明文数据通过 calldata 的形式发送到链上合约，降低存储成本；同时，链下计算的正确性由零知识证明算法保证。由此也能看出，此方案不仅能大幅提高 TPS，同时也能降低单次交易的费用。

Optimistic Rollup：?从图上可以看出，Optimistic Rollup 和 ZK-Rollup 位于同一行，也就说明它们的共同点是明文数据通过 calldata 的形式发送到链上合约，不同之处是 Optimistic Rollup 采用交互式错误证明来确保链下计算的准确性。如果被识别出故意作恶，那将会收到惩罚，相比于 ZK-Rollup，Optimistic Rollup 的安全性假设弱一些。

Validium：?此方案由 StarkWare 提出，获得 V 神的认可，得此命名。特点是计算过程在链下完成，由零知识证明算法保证计算的正确性，链上完成验证并存储最终得世界状态。还有一点需要注意得是，为了获得更好的可扩展性，此方案把交易数据也存储在链下，同时由可信的“数据可用性”委员会提供数据可用性的证明。相比前两个方案，这个方案损失了一定的数据可用性，但是确实提供了更好的数据可扩展性，因此，在实际的应用场景中，此方案可能会得到更多的青睐。

Plasma：?由 V 神提出，相比于其他三个方案，这个方案被提出的时间最早。方案特点比较显著，链下计算，链上存储，交易数据也存到链下，简单粗暴，用户可以发起错误型证明来证明执行者的作恶行为，由此获得奖励，惩罚作恶的执行者。

虽然现在已经有了以上方案，但由于还没有真正在 Layer-2 上跑起来的应用，所以孰优孰劣也很难下定论。目前在以太坊上最活跃的应用概念是 Defi，其中又以 DEX 占用的网络资源最多，Layer-2 的提出将明显给 DEX 发展带来更大空间。下面可以从一个具体案例来看Layer-2 的落地。

目前市场上很热的 ZKSwap 算是探索者之一，ZKSwap 提出的 Layer-2 扩容方案叫 ZKSpeed (A Pratical and Scalable ZK-Rollup Solution)。?下面通过一张图来展示 ZKSwap 设计的方案和上述方案的关系：

从图上可以看到，ZKSwap 的第一版扩容方案 ZKSpeed 基础架构结合了 ZK-Rollup 和 Validium 和 Plasma 方案特点，在此基础上又通过聚合证明、GPU 优化、证明电路优化三个方案，大幅提升了整个网络的吞吐能力。

在做详细介绍之前，需要说明一下为何采用了交易数据链下存储的方案。事实上，ZKSwap 的初衷是完全按照 ZK-Rollup 的方案来实现。因此它不仅能提降低交易成本，同时也保证了链上数据可用性，有了这个，用户随时可以提供默克尔树的有效性证明，从链上提取属于自己的钱。遗憾的是，经过真实测试，在这种方案下，上链的成本仍然很昂贵，每一笔 Layer-2 交易的 Gas Limit 为 6000 左右, 作为对比 Layer-1 上面以太坊的 Gas Limit 为 21000，普通 ERC 20 的转账交易的 Gas Limit 为 50000 左右。这离 Layer-2 的扩容目标高吞吐，低 Gas 相差甚远。具有很快的上链速度，但是交易成本很高，相信也会降低用户主动做交易的意愿。因此，如果 Layer-2 的每一笔平均交易成本过高，Layer-2 主打的高 TPS 也很难实现。因此，要想把 Layer-2 的扩容方案用于真实场景，首先需要 Layer-2 资金的绝对安全性；第二需要 Layer-2 的 TPS 够快 （ZKSwap Layer-2 的 TPS 在 100 以上，并可以继续提升）第三，需要 Layer-2 的每一笔交易的 Gas 成本只有主网交易成本的 5% 甚至 2% 。

ZKSpeed 方案中，对链下数据处理分为 2 部分，所有和 Layer-1 交易相关的数据都会实时上链，保证资金的觉得安全性，并实时生成零知识证明和验证证明。但对于仅仅和 Layer-2 相关的交易采用分布式存储的方案，实时披露原始交易数据，并把数据摘要实时上链。目前数据摘要由 Layer-2 运营方自己发布，并且任何人可以实时验证该摘要的准确性，长期来看，数据摘要的计算和发布可以通过分布式的形式进行，并引入社区验证。ZKSpeed 方案对链下数据进行了分类，大幅度提高了数据的可拓展性，关于数据可用性这个方面，ZKSpeed 方案的可拓展性长期来看优于所有交易都上链的 Optimistic Rollup 方案。长期来看，受制于以太坊的 Layer-1 的每个 Block Gas Limit 的限制，如果所有数据都上链存储，那么在 Layer-2 系统的可拓展性方面存在明显的天花板考虑到巨大的上链 Gas 成本，这样的 Layer-2 系统在实际应用中，其 TPS 很难到 20 以上，其实用性会大大降低。

ZKSpeed 扩容协议通过对链下数据进行分类，实现了数据可用性和数据可拓展性的权衡，数据可用性的问题得到解决，那么下一步的目标就是提高零知识证明系统的可用性和处理速度。ZKSpeed 方案基于零知识证明算法，保证一个区块内的所有交易导致的世界状态的变化是正确的，多笔交易一次性处理，实现系统性能的第一次提升，带来了较高的 TPS。但是，这种解决方案带来的提升效果只能说是勉强可以接受，ZKSwap 团队不满于此，坚持寻找新的技术方案来实现更高的系统容量和更低的交易成本。经过不屑努力，终于找到了一个新的解决方案，即聚合证明 (Aggregative Proof)。

Aggregative Proof

聚合证明的逻辑其实很简单。大家知道，基础的 Layer-2 扩容方案里，一个区块对应一个有效性的证明，链上合约验证证明的有效性。现在以太坊的出块平均速度是 15s 一个区块，如果链上一次能验证多个区块的有效性，那么平摊在每个交易上的成本将大幅减少。基于这个思考，ZKSwap 采用了一种聚合证明方案。所谓的聚合证明方案就是，现在是一个区块一个证明，把一段时间内，或者是固定数量的区块产生的多个证明，再用零知识证明的方式去证明这些区块的证明是有效的（把验证的过程再当作是一种电路）。这样链上只需要一次验证，就可以实现多个区块证明的有效性验证。

经过实际测试，ZKSwap 在采用了聚合证明方案后，单笔交易的费用降低到了 1000 （Gas Limit），该成本是以太坊主网 ERC 20 转账成本的 1/50 (以太坊主网转账的 Gas Limit 大概是 50000 左右)，这个结果足够让人惊喜。试想一下，如果能在主网的出块时间间隔内，能生成更多的零知识证明，那么整个系统的 TPS 将会得到大幅改善。为此，ZKSwap 同样做出了大量的努力，实现了 GPU 版的 PLONK 算法，相比于 CPU 版本的 PLONK 算法，计算速度提升 3 倍有余。同时，ZKSwap 通过大规模高性能机器，专门用于零知识证明的生成，对于规模为 2^28 次幂的超大型电路，生成一个证明不到 2 分钟。但同时，受算法采用的椭圆曲线参数限制，每个区块里可证明的最多交易数量和可证明的证明数量存在上限，导致系统的的性能上限收到了限制。虽然有此约束，但 ZKSwap 最终的实测 TPS 仍然远超过了现有的其他产品，目前在最新的压力测试中，采用 ZKSpeed 方案的 ZKSwap 项目的 TPS 可以到 100 以上。

ZKSpeed 已经把目光放在了不需要可信设置的递归 SNARK 上，相比于聚合证明，递归 SNARK 将不需要可信设置，并且一次性可验证的区块数量将不受限制，仅取决于出块的速度和生成证明的速度。

系统实测结果

以下列举出几个常用的交易类型对应的费用，详细见表格：

由于 Deposit 和 Withdraw 操作涉及到与 Layer-1 的交互，因此交易成本相对于 Layer-2 转账和 Swap 交易操作较多。不过，无论是哪一种交易类型，每笔交易的成本已经领先于行业内的其他产品，基于 ZKSpeed 方案的 ZKSwap 已经实现了 资金安全性和高 TPS 以及 低 Gas 成本的全面权衡，并且具备很大的实用价值，在 Layer-2 的实际应用中，具备很大的技术优势。

展望

ZKSpeed Layer-2 扩容方案是一个兼具实用和工程优化的 ZK-Rollup 方案，通过零知识证明的聚合证明，Plonk 算法的并行处理，以及对链下数据的分类处理，大大提高了 Layer2 系统的 TPS，并大幅降低了 Layer-2 交易的 Gas 成本。相比其他的 Layer-2 方案（zk-Sync、optimistic rollup 和 Plasma ），ZKSpeed 方案在实用性方面取得了更大的突破，并将率先支持 DeFi 的应用在 Layer-2 大规模部署，关于 ZKSpeed 的方案细节，敬请关注即将发布的技术白皮书和系统示例（zkspeed.org）。

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编译者/作者：ZKSwap

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