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：
安全公司：AurumNodePool合约遭受漏洞攻击简析:金色财经报道，据区块链安全审计公司Beosin EagleEye监测显示，2022年11月23日，AurumNodePool合约遭受漏洞攻击。
Beosin分析发现由于漏洞合约的changeRewardPerNode函数未进行验证，导致攻击者可以调用该函数进行任意值设置。
攻击者首先调用changeRewardPerNode函数将每日奖励值设置成一个极大数，接下来调用claimNodeReward函数提取节点奖励，而节点奖励的计算取决于攻击者设置的rewardPerDay值，导致计算的节点奖励非常高。而在这一笔交易之前，攻击者便通过一笔交易(0xb3bc6ca257387eae1cea3b997eb489c1a9c208d09ec4d117198029277468e25d)向合约存入了1000AUR，创建了攻击者的节点记录，从而使得攻击者能够提取出该节点奖励。最终攻击者通过该漏洞获得约50个BNB($14,538.04)。[2022/11/23 8:01:04]
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；
Beosin：sDAO项目遭受攻击事件简析:金色财经报道，根据区块链安全审计公司Beosin旗下Beosin?EagleEye 安全风险监控、预警与阻断平台监测显示，BNB链上的sDAO项目遭受漏洞攻击，Beosin分析发现由于sDAO合约的业务逻辑错误导致，getReward函数是根据合约拥有的LP代币和用户添加的LP代币作为参数来计算的，计算的奖励与用户添加LP代币数量正相关，与合约拥有总LP代币数量负相关，但合约提供了一个withdrawTeam的方法，可以将合约拥有的BNB以及指定代币全部发送给合约指定地址，该函数任何人都可调用。而本次攻击者向其中添加了LP代币之后，调用withdrawTeam函数将LP代币全部发送给了指定地址，并立刻又向合约转了一个极小数量的LP代币，导致攻击者在随后调用getReward获取奖励的时候，使用的合约拥有总LP代币数量是一个极小的值，使得奖励异常放大。最终攻击者通过该漏洞获得的奖励兑换为13662枚BUSD离场。Beosin Trace追踪发现被盗金额仍在攻击者账户，将持续关注资金走向。[2022/11/21 7:53:09]
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；
Beosin：BSC链上的gala.games项目遭受攻击事件简析:金色财经报道，根据区块链安全审计公司Beosin旗下Beosin EagleEye 安全风险监控、预警与阻断平台监测显示，BSC链上的gala.games项目遭受攻击，Beosin分析发现由于pNetwork项目的bridge配置错误导致pTokens（GALA） 代币增发，累计增发55,628,400,000枚pTokens（GALA），攻击者已经把部分pTokens(GALA) 兑换成12,976个BNB，攻击者（0x6891A233Bca9E72A078bCB71ba02aD482A44e8C1）累计获利约434万美元。Beosin Trace追踪发现被盗金额还存在攻击者地址中。
第一笔攻击交易：0x4b239b0a92b8375ca293e0fde9386cbe6bbeb2f04bc23e7c80147308b9515c2e
第二笔攻击交易：0x439aa6f526184291a0d3bd3d52fccd459ec3ea0a8c1d5bf001888ef670fe616d[2022/11/4 12:17:00]
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；
Beosin：EthTeamFinance项目遭受到了漏洞攻击事件简析:据Beosin EagleEye 安全预警与监控平台检测显示，ETH链上的EthTeamFinance项目遭受漏洞攻击，攻击合约0xCFF07C4e6aa9E2fEc04DAaF5f41d1b10f3adAdF4通过LockToken合约的migrate函数没有正确验证_id和params的漏洞，将WTH，CAW，USDC，TSUKA代币从V2流动性池非法升级到V3流动性池，并且通过sqrtPriceX96打乱V3流动池的Initialize的价格，从而获取大量refund套利。共计套利了约1300多万美元。[2022/10/27 11:49:12]
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。
安全团队：LPC项目遭受闪电贷攻击简析，攻击者共获利约45,715美元:7月25日，据成都链安“链必应-区块链安全态势感知平台”安全舆情监控数据显示，LPC项目遭受闪电贷攻击。成都链安安全团队简析如下：攻击者先利用闪电贷从Pancake借入1,353,900个LPC，随后攻击者调用LPC合约中的transfer函数向自己转账，由于 _transfer函数中未更新账本余额，而是直接在原接收者余额recipientBalance值上进行修改，导致攻击者余额增加。随后攻击者归还闪电贷并将获得的LPC兑换为BUSD，最后兑换为BNB获利离场。本次攻击项目方损失845,631,823个 LPC，攻击者共获利178 BNB，价值约45,715美元，目前获利资金仍然存放于攻击者地址上（0xd9936EA91a461aA4B727a7e3661bcD6cD257481c），成都链安“链必追”平台将对此地址进行监控和追踪。[2022/7/25 2:36:51]
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。
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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